新時(shí)代土建類課程設(shè)計(jì)與BIM融合的現(xiàn)代化教學(xué)探索

白夢(mèng)夢(mèng)，王灃浩，閆立周，康彥青

(1.西安交通大學(xué) 城市學(xué)院，陜西 西安 710018； 2.西安交通大學(xué)，陜西 西安 710049;3.陜西建工第八建設(shè)集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710068)

在第十一屆“中國(guó)大學(xué)教學(xué)論壇”中，教育部高等教育司吳巖司長(zhǎng)提出建設(shè)中國(guó)金課[1-2]，提出了“兩性一度”的金課標(biāo)準(zhǔn)[3]，開辟“智能+教育”新途徑[4]。土木建筑類課程培養(yǎng)體系中涵蓋了大量的課程設(shè)計(jì)以提高學(xué)生學(xué)以致用的能力，主要是基于CAD，PKPM和天正等專業(yè)軟件開展專業(yè)課程設(shè)計(jì)等。根據(jù)土建類畢業(yè)生就業(yè)調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)土建類課程的系統(tǒng)認(rèn)知、學(xué)以致用、舉一反三的能力較差，僅會(huì)對(duì)常規(guī)建筑進(jìn)行簡(jiǎn)單的二維繪圖和三維查看等，不能很好地掌握建筑、結(jié)構(gòu)、暖通設(shè)計(jì)方案規(guī)劃和施工圖要點(diǎn)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)圖紙和實(shí)際施工操作容易出現(xiàn)錯(cuò)位。目前，由政府主導(dǎo)的“建筑工業(yè)化2.0”更是使得建筑行業(yè)急需大量能夠掌握BIM設(shè)計(jì)的專業(yè)土建人才，實(shí)現(xiàn)圖紙的三維設(shè)計(jì)和建筑的信息化建設(shè)，為工程參建主體提供有效的進(jìn)度信息共享與協(xié)作環(huán)境。因此，結(jié)合“結(jié)果導(dǎo)向(OBE)”的人才培養(yǎng)體系的核心內(nèi)涵和當(dāng)前市場(chǎng)對(duì)土木建筑類學(xué)生所應(yīng)具有的專業(yè)知識(shí)技能的要求[5]，土建類課程設(shè)計(jì)需利用BIM技術(shù)進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)和虛擬施工的同步行進(jìn)，實(shí)現(xiàn)課程設(shè)計(jì)教學(xué)中設(shè)計(jì)與施工同頻的現(xiàn)代化教學(xué)探索[6]。

目前，程曄等[7]開展了融入實(shí)踐環(huán)節(jié)的土木工程課程設(shè)計(jì)的教改研究。徐曉紅等[8]提出了基于工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的課程設(shè)計(jì)一體化構(gòu)建方案和實(shí)施辦法。王慧琛[9]從整合設(shè)計(jì)以及參數(shù)化的設(shè)計(jì)角度提出了BIM技術(shù)應(yīng)用于綠色公共建筑設(shè)計(jì)的方法。肖良麗等[10]結(jié)合具體案例的分析重點(diǎn)，展現(xiàn)了BIM技術(shù)對(duì)于結(jié)構(gòu)專業(yè)實(shí)際應(yīng)用的專業(yè)性指導(dǎo)。盧楠[11]以BIM技術(shù)為骨架，搭建出全新的土木工程培養(yǎng)體系，將課本、PPT等二維信息逐步轉(zhuǎn)變?yōu)锽IM技術(shù)所對(duì)應(yīng)的三維信息。李海宗等[12]探討了基于BIM技術(shù)的橋梁建筑課程改革目標(biāo)、側(cè)重點(diǎn)以及實(shí)施方案。綜上，針對(duì)土建類課程設(shè)計(jì)教育與BIM融合的現(xiàn)代化教學(xué)仍需進(jìn)一步探索。

鑒于此，西安交通大學(xué)城市學(xué)院土木建筑工程系從教育論觀點(diǎn)出發(fā)，討論現(xiàn)代教學(xué)模式下融合BIM的土建類課設(shè)教育的理論可行性。通過土建類專業(yè)核心課程《空氣調(diào)節(jié)工程》課程設(shè)計(jì)為例，探索現(xiàn)代化教學(xué)模式下融合BIM的土建類課設(shè)過程教學(xué)的方式方法，旨在提高《空氣調(diào)節(jié)工程》課程設(shè)計(jì)教學(xué)特色現(xiàn)代化模式和育人效果，也為其他課程設(shè)計(jì)的建設(shè)現(xiàn)代化教學(xué)模式下融合BIM的課程設(shè)計(jì)教學(xué)在育人理念和育人效果方面能夠提供借鑒。

1 現(xiàn)代化教學(xué)模式下融合BIM的土建類課設(shè)教育效果的理論分析

1.1 育人理念

緊密結(jié)合當(dāng)前工程教育質(zhì)量認(rèn)證的需求，以培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的應(yīng)用型人才為出發(fā)點(diǎn)，在融合BIM的土建類課設(shè)中堅(jiān)持“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向和持續(xù)改進(jìn)”的教育理念[13]。借助BIM平臺(tái)，通過以實(shí)體項(xiàng)目導(dǎo)向的課設(shè)實(shí)操，不斷提高學(xué)生結(jié)合當(dāng)前的研究熱點(diǎn)和新節(jié)能技術(shù)等進(jìn)行土木建筑類節(jié)能方案設(shè)計(jì)的能力，同時(shí)充分發(fā)揮學(xué)生將理論知識(shí)學(xué)以致用的能力，不斷提升學(xué)生的課設(shè)學(xué)習(xí)體驗(yàn)和學(xué)習(xí)成效。基于BIM技術(shù)形成的現(xiàn)代化“智能”課程設(shè)計(jì)教學(xué)模式中融入課程思政元素[14]，讓學(xué)生夯實(shí)知識(shí)基礎(chǔ)和提升專業(yè)技能的同時(shí)，樹立正確的價(jià)值觀，提升工程倫理道德，培育家國(guó)情懷，爭(zhēng)取成為新時(shí)代合格的建設(shè)者。

1.2 育人效果

在課程設(shè)計(jì)教學(xué)中，案例選擇、實(shí)操設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)引導(dǎo)反饋成為影響課設(shè)教學(xué)效果的重要因素，三者的教學(xué)設(shè)計(jì)將直接影響學(xué)生課設(shè)成效的深度和廣度。首先，一個(gè)以實(shí)體項(xiàng)目為導(dǎo)向的課程設(shè)計(jì)條件會(huì)足夠吸引學(xué)生，融入設(shè)計(jì)院暖通設(shè)計(jì)師的“設(shè)計(jì)故事”，激發(fā)學(xué)生的實(shí)操興趣，即恰當(dāng)?shù)膶?shí)際工程元素是抓取學(xué)生探索興趣的重要誘因。其次，高效的實(shí)操設(shè)計(jì)能夠啟發(fā)學(xué)生不斷深入剖析設(shè)計(jì)方案，其中設(shè)計(jì)師的“設(shè)計(jì)故事”可有效牽引學(xué)生自覺自愿地通過相互討論和研究探索，獲得特色設(shè)計(jì)方案，即學(xué)生從前期調(diào)研分析中得到的快樂合作和成就感是其主觀能動(dòng)的根本動(dòng)力。最后，在現(xiàn)代化教學(xué)模式下融合BIM的課設(shè)教學(xué)中，教師和設(shè)計(jì)院人員對(duì)學(xué)習(xí)過程的策劃，引導(dǎo)學(xué)生按施工要求細(xì)化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，實(shí)際的施工反饋和設(shè)計(jì)反饋等行為實(shí)現(xiàn)了以學(xué)生為中心的沉浸式課堂，即教師和設(shè)計(jì)院人員的工程示范作用是達(dá)到“價(jià)值引領(lǐng)”育人目標(biāo)的重要保障。

2 現(xiàn)代化教學(xué)模式下融合BIM的《空調(diào)》課設(shè)教學(xué)探索

以土建類課程《空氣調(diào)節(jié)工程》(以下簡(jiǎn)稱《空調(diào)》)為例，探索了現(xiàn)代化教學(xué)模式下融合BIM的土建類課程設(shè)計(jì)教學(xué)過程。

2.1 融合BIM的課設(shè)教學(xué)育人總目標(biāo)

一切土建類建設(shè)工作都離不開設(shè)計(jì)，土建類的課程設(shè)計(jì)是土建類專業(yè)主干必修內(nèi)容和專業(yè)知識(shí)學(xué)以致用的重點(diǎn)及難點(diǎn)內(nèi)容。以實(shí)體工程項(xiàng)目為導(dǎo)向開展融合BIM的課程設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮BIM設(shè)計(jì)中虛擬施工與圖紙?jiān)O(shè)計(jì)同頻耦合優(yōu)勢(shì)，提高學(xué)生各專業(yè)配合設(shè)計(jì)中的合作意識(shí)。本課程設(shè)計(jì)育人的總目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生在建筑設(shè)計(jì)中的大局觀和合作意識(shí)，使得建筑、結(jié)構(gòu)、暖通設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)有機(jī)地配合。強(qiáng)化學(xué)生的主人翁意識(shí)和設(shè)計(jì)成就感，具有專業(yè)自信和民族使命感[15]。結(jié)合圖紙的實(shí)際施工問題，從技術(shù)、社會(huì)、倫理等角度綜合分析設(shè)計(jì)方案和解決方案，提高學(xué)生分析和解決實(shí)際工程問題的能力，具備自主創(chuàng)新的新時(shí)代工匠精神。通過教師和設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)師綜合的答辯考評(píng)，使得學(xué)生認(rèn)識(shí)作為技術(shù)人員在工程建設(shè)中所應(yīng)承擔(dān)的社會(huì)責(zé)任。

2.2 融合BIM的《空調(diào)》課設(shè)過程教學(xué)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)圍繞實(shí)體項(xiàng)目西安市北圣大廈，以解決實(shí)際工程設(shè)計(jì)問題為目標(biāo)導(dǎo)向開展了對(duì)應(yīng)的建筑翻模和空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。從施工要點(diǎn)出發(fā)，以學(xué)生為主體，教師和設(shè)計(jì)師共同引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)應(yīng)用專業(yè)知識(shí)，并匹配施工理念及技術(shù)進(jìn)行規(guī)范化設(shè)計(jì)。采用設(shè)計(jì)與施工同頻行進(jìn)的三維課程設(shè)計(jì)中，積極主動(dòng)地鞏固基礎(chǔ)知識(shí)和提升專業(yè)繪圖技能。其中，融合BIM的《空調(diào)》課設(shè)過程教學(xué)設(shè)計(jì)詳情如下；

(1) 以實(shí)體項(xiàng)目西安市北圣大廈為載體，在建筑底圖識(shí)圖的基礎(chǔ)上，基于BIM進(jìn)行建筑翻模。將二維圖紙立體化為三維建筑，便于學(xué)生進(jìn)行三維空間的想象和管網(wǎng)的綜合布置。

(2) 依據(jù)施工要求，教師和設(shè)計(jì)師共同對(duì)學(xué)生進(jìn)行初期的課程設(shè)計(jì)布置和規(guī)范化說明等，讓學(xué)生接手全面的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

(3) 學(xué)生主要查閱并融合當(dāng)前的研究熱點(diǎn)和新節(jié)能技術(shù)等，進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能方案設(shè)計(jì)，繪制空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)路線或思維導(dǎo)圖，并開展小組答辯。

(4) 學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)方案和施工需求，借助BIM進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)圖繪制和虛擬施工。在教師和設(shè)計(jì)師的引導(dǎo)和反饋下，完成空調(diào)系統(tǒng)施工圖的繪制，撰寫設(shè)計(jì)施工說明，三維視頻漫游。

(5) 根據(jù)圖紙、設(shè)計(jì)說明書和漫游視頻，通過設(shè)計(jì)院和教師的共同答辯給予成績(jī)?cè)u(píng)定。

綜上，基于BIM的實(shí)體建筑建設(shè)增加了學(xué)生的成就感，從而使得學(xué)生形成自主學(xué)習(xí)，規(guī)范設(shè)計(jì)的良性循環(huán)，進(jìn)而提高教學(xué)效果，培養(yǎng)出具有分析解決工程實(shí)際問題能力的應(yīng)用型專業(yè)人才。

2.3 融合BIM的《空調(diào)》課設(shè)教學(xué)成效

根據(jù)學(xué)生培養(yǎng)方案，針對(duì)2022年建環(huán)19級(jí)實(shí)驗(yàn)組8人開展了融合BIM的《空調(diào)》課設(shè)過程教學(xué)設(shè)計(jì)。然后，與2021年建環(huán)18級(jí)對(duì)照組8人開展的傳統(tǒng)《空調(diào)》課設(shè)過程教學(xué)設(shè)計(jì)成效進(jìn)行了對(duì)比分析，得出融合BIM的《空調(diào)》課設(shè)過程教學(xué)設(shè)計(jì)成效。

如圖1—圖4，為建環(huán)19級(jí)實(shí)驗(yàn)組8人融合BIM完成的北圣大廈空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的部分三維圖。由圖1—圖4得出，BIM圖示使得空調(diào)系統(tǒng)和建筑有機(jī)的融合，并展示了后期的施工效果圖，極大地促進(jìn)了學(xué)生三維空間的應(yīng)用和空調(diào)管網(wǎng)的綜合布置。其次，三維空調(diào)系統(tǒng)圖的繪制使得管網(wǎng)的布置優(yōu)化、標(biāo)高錯(cuò)位和和碰撞檢查等更加形象、具體和直觀。例如，制冷站中各類水管，一次回風(fēng)系統(tǒng)中送風(fēng)管和回風(fēng)管，風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)中各類水管和新風(fēng)管等。設(shè)備的定位更加經(jīng)濟(jì)美觀，確保了管線的橫平豎直，主要體現(xiàn)在制冷站中的設(shè)備布置和空調(diào)機(jī)房的空氣處理機(jī)組布置。同時(shí)，BIM繪制中空調(diào)系統(tǒng)穿墻時(shí)，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)孔洞預(yù)留；管網(wǎng)較長(zhǎng)時(shí)，可自動(dòng)進(jìn)行支吊架的驗(yàn)算和繪制，可高效地提高施工圖繪制進(jìn)度。再者，學(xué)生反饋說，BIM三維圖示使得自己的圖紙繪制準(zhǔn)度得到了1倍的提升，這種成就感促使著自己更加自愿去探索，達(dá)到最完善的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖1 制冷站系統(tǒng)設(shè)計(jì)BIM圖

圖2 空調(diào)機(jī)房設(shè)計(jì)BIM圖

圖3 商場(chǎng)層一次回風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)BIM圖

圖4 商場(chǎng)層風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)BIM圖

建環(huán)18級(jí)對(duì)照組和建環(huán)19級(jí)實(shí)驗(yàn)組的《空調(diào)》課設(shè)教學(xué)對(duì)照組情況見表1。

表1 《空調(diào)》課設(shè)教學(xué)對(duì)照組情況表

由表1得出，融合BIM的《空調(diào)》課設(shè)過程教學(xué)設(shè)計(jì)使得課設(shè)的綜合質(zhì)量得到了明顯提高，其中在部分控制變量的基礎(chǔ)上，課設(shè)優(yōu)秀率和良好率分別提升了12.5%，中等率提高了25%。主要原因是建環(huán)專業(yè)學(xué)生在二維建筑平面CAD條件圖的基礎(chǔ)上，借助天正完成二維的平面圖紙繪制，三維查看等，學(xué)生的錯(cuò)誤率較高，進(jìn)而自信心受挫，出現(xiàn)了為完成任務(wù)而完成任務(wù)的現(xiàn)象，導(dǎo)致課程設(shè)計(jì)成績(jī)不理想。而基于BIM的建筑翻模使得二維建筑平面CAD條件圖三維立體化，在三維建筑中開展空調(diào)系統(tǒng)的三維設(shè)計(jì)，極大地促進(jìn)了學(xué)生三維空間的應(yīng)用和空調(diào)管網(wǎng)的綜合布置。同時(shí)，由于BIM中空調(diào)系統(tǒng)圖繪制和虛擬施工同頻耦合，學(xué)生可實(shí)時(shí)完成管網(wǎng)碰撞檢查，并解決施工要點(diǎn)問題。學(xué)生反饋說，三維漫游視頻極大地提高了自己的主觀能動(dòng)性，督促自己積極查閱相關(guān)資料解決問題，認(rèn)真努力地完成圖紙繪制。在新媒體時(shí)代，學(xué)生將自己的設(shè)計(jì)成果以視頻的方式分享給周圍人，得到大家贊許的同時(shí)，自己的成就感和自豪感由然而生，并表示一定要成為新時(shí)代優(yōu)秀的建設(shè)者。

3 結(jié) 論

通過討論現(xiàn)代教學(xué)模式下融合BIM的土建類課設(shè)教育的理論可行性，我校以《空氣調(diào)節(jié)工程》課設(shè)為例，通過建立融合BIM的課設(shè)教學(xué)育人總目標(biāo)，設(shè)計(jì)融合BIM的《空調(diào)》課設(shè)過程教學(xué)。通過學(xué)生實(shí)驗(yàn)組的對(duì)照分析，得出融合BIM的《空調(diào)》課設(shè)過程教學(xué)設(shè)計(jì)使得課設(shè)的綜合質(zhì)量得到了明顯提高。因此，現(xiàn)代化教學(xué)模式下融合BIM的課設(shè)課設(shè)過程教學(xué)的方式方法，提高了融入BIM的土建類課程設(shè)計(jì)的教學(xué)育人效果。