BIM在高職“建筑設(shè)備及識圖”教學(xué)中的雙向應(yīng)用研究

王鵬 任潔 李松良

“建筑設(shè)備及識圖”課程作為高職土建類專業(yè)的一門專業(yè)選修課，涉及水電暖多個(gè)專業(yè)，知識點(diǎn)多而廣，學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)完成課程的學(xué)習(xí)具有一定難度。此外，本課程屬于一門應(yīng)用型較強(qiáng)的課程，傳統(tǒng)教學(xué)方式與手段難以滿足授課需要。BIM技術(shù)作為近年來建筑行業(yè)廣泛應(yīng)用與推廣的一門信息化技術(shù)，除了在工程中應(yīng)用之外，在教學(xué)中也具有非常出色的交互性能。本文通過BIM技術(shù)在教學(xué)中的正向與逆向應(yīng)用，大幅提升了課程的教學(xué)效果與質(zhì)量。

1 概述

建筑信息模型（BIM）：在建設(shè)工程及設(shè)施全生命期內(nèi)，對其物理和功能特性進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)，并依此設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營的過程和結(jié)果的總稱。

2018全國兩會上海建工集團(tuán)股份有限公司副總工程師王美華提出：BIM技術(shù)在建筑業(yè)需求很大，然而高校在培養(yǎng)這方面人才時(shí)卻存在“缺位”。要促進(jìn)BIM教學(xué)，不一定要在高校里單設(shè)專業(yè)，但不同年級學(xué)習(xí)側(cè)重點(diǎn)不同，要形成進(jìn)階的課程體系。提案中建議可以校企合作，加強(qiáng)高校土木類專業(yè)推廣BIM教學(xué)力度，增加系統(tǒng)課程，培養(yǎng)技術(shù)運(yùn)用和軟件開發(fā)“二元型”人才。

中國建筑業(yè)BIM應(yīng)用分析報(bào)告（2020）指出院校要加強(qiáng)高校建筑工程類相關(guān)專業(yè)BIM教學(xué)力度，重視專業(yè)與BIM技術(shù)的交叉，增加系統(tǒng)課程，理論與技術(shù)實(shí)操兼顧，培養(yǎng)BIM技術(shù)應(yīng)用初級人才。培養(yǎng)過程中與企業(yè)實(shí)際工程業(yè)務(wù)相結(jié)合，使得高校畢業(yè)生在進(jìn)入企業(yè)時(shí)能快速適應(yīng)。

黨的二十大報(bào)告中對加快建設(shè)教育強(qiáng)國做出一系列重要部署，強(qiáng)調(diào)“推進(jìn)教育數(shù)字化，建設(shè)全民終身學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)型社會、學(xué)習(xí)型大國”。教育數(shù)字化是教育教學(xué)活動與數(shù)字技術(shù)融合發(fā)展的產(chǎn)物，也是進(jìn)一步推動教育改革發(fā)展的重要?jiǎng)恿Α?/p>

2 BIM在教學(xué)中應(yīng)用的價(jià)值

在信息化技術(shù)發(fā)展的背景下，BIM技術(shù)正在成為推動建筑業(yè)發(fā)展的核心技術(shù)之一。作為信息化教學(xué)手段，BIM在教學(xué)中的應(yīng)用也越來越廣泛，其價(jià)值主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性。

（1）“可視化”。通過模型可以對工程實(shí)體外部特征與內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化展示，利用三維形式實(shí)現(xiàn)對知識的感性輸入，實(shí)現(xiàn)“所見即所得”。這一過程符合人的認(rèn)識發(fā)展規(guī)律，提升了教學(xué)效率，縮短認(rèn)知的時(shí)間。

（2）“協(xié)調(diào)性”。通過整合建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電等多專業(yè)BIM模型，利用碰撞檢查、凈高分析等手段提前發(fā)現(xiàn)問題。參與方可以在同一BIM平臺，直觀地進(jìn)行溝通與交流，共同探討模型中問題，提出解決思路，確定模型的優(yōu)化方案，提升問題的分析與綜合應(yīng)用能力。

（3）“模擬性”。一是利用數(shù)據(jù)與模型的動態(tài)交互展現(xiàn)模擬過程，以虛擬建造方式展示工程項(xiàng)目的實(shí)施全過程，培養(yǎng)動態(tài)思維和整體思維。二是基于模型利用可視化模擬分析軟件進(jìn)行系列的模擬分析。如建筑環(huán)境與性能模擬中的日照分析、通風(fēng)分析、熱工分析、能耗分析等。使學(xué)生用更直觀的方式掌握抽象化的知識。

3 課程教學(xué)中目前面臨的問題

3.1 課程學(xué)時(shí)偏少，教學(xué)內(nèi)容信息量大

“建筑設(shè)備及識圖”作為專業(yè)選修課，一般分配的課時(shí)為48課時(shí)左右。加之課程屬于多專業(yè)組合，包含建筑給排水、暖通空調(diào)、建筑電氣等多專業(yè)，具有知識點(diǎn)多、覆蓋面廣、系統(tǒng)性強(qiáng)、實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)。因此，在短短的幾十課時(shí)里很難將所有專業(yè)的知識點(diǎn)講清講透。課時(shí)偏少與教學(xué)內(nèi)容多是目前課程存在的一對重要矛盾。

3.2 課程理論性偏多，實(shí)踐環(huán)節(jié)效果欠缺

高職“建筑設(shè)備與識圖”課程受到實(shí)訓(xùn)條件的限制，課程多以系統(tǒng)分類、組成、運(yùn)行原理等理論介紹為主，在實(shí)際授課過程中與工程結(jié)合不夠緊密。課程實(shí)踐環(huán)節(jié)以施工圖識讀與現(xiàn)場參觀為主，由于課程周期短，學(xué)生學(xué)習(xí)難以深入，再加上參觀的機(jī)電系統(tǒng)大多都是局部系統(tǒng)或者隱蔽工程，無法形成系統(tǒng)化的知識結(jié)構(gòu)體系。另外，實(shí)訓(xùn)條件很難具備多樣化的機(jī)電系統(tǒng)實(shí)物模型，新設(shè)備、新材料、新技術(shù)的應(yīng)用也相對滯后。

3.3 教學(xué)方式缺乏創(chuàng)新，呈現(xiàn)方式相對單一

現(xiàn)階段教學(xué)以板媒結(jié)合為主，輔以圖片、動畫及視頻進(jìn)行教學(xué)。由于課程包含的專業(yè)多，涉及的機(jī)電系統(tǒng)復(fù)雜、運(yùn)行原理難，尤其是消防系統(tǒng)的組成及工作原理。教材中的機(jī)電系統(tǒng)多以簡化圖例表達(dá)，學(xué)生很難做到圖例與實(shí)物一一對應(yīng)，單純依靠常規(guī)的教學(xué)手段很難滿足教學(xué)要求。受場地的限制，學(xué)生想通過真實(shí)施工環(huán)境學(xué)習(xí)專業(yè)知識幾乎不可能。限于經(jīng)費(fèi)問題，BIM、VR、AR等信息化技術(shù)手段并沒有被廣泛應(yīng)用。

3.4 課程內(nèi)容工程應(yīng)用不足，隱形知識難以傳授

受課時(shí)、教材、案例資源等多方面影響，課程關(guān)于工程應(yīng)用的內(nèi)容在實(shí)際教學(xué)中相對偏少。一是由于課時(shí)偏少，加之采用傳統(tǒng)教學(xué)手段，信息量的展示已達(dá)到瓶頸，所以很難再進(jìn)行工程應(yīng)用的拓展。二是教材原因，課程涉及水暖電多個(gè)專業(yè)，加之教材篇幅有限，應(yīng)用性的隱性知識很難通過教材呈現(xiàn)，一般需要通過工程應(yīng)用才能理解。三是配套案例資源不夠充實(shí)。一般案例多以施工圖形式來呈現(xiàn)，然而用平面化的施工圖去表達(dá)重難點(diǎn)部位三維關(guān)系有其局限性，對于沒有工程經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生來說這一過程門檻較高，隱形知識傳授難度較大。

4 BIM在教學(xué)中雙向綜合應(yīng)用

“建筑設(shè)備及識圖”作為土建類專業(yè)選修課，不同專業(yè)在課程核心能力的要求上各有側(cè)重，如建筑工程技術(shù)專業(yè)主要強(qiáng)調(diào)學(xué)生對安裝工程與土建工程施工過程之間的配合與協(xié)調(diào)，工程造價(jià)專業(yè)側(cè)重于算量，則更強(qiáng)調(diào)圖紙的分析與識讀。但是對于課程基礎(chǔ)知識的要求基本一致，都需要掌握各系統(tǒng)的組成、分類及原理，然后才能結(jié)合項(xiàng)目開展綜合應(yīng)用。

鑒于課程課時(shí)偏少，知識點(diǎn)多且系統(tǒng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，需要通過快速高效的教學(xué)方式來化解現(xiàn)有的矛盾。BIM技術(shù)作為一種高效信息化教學(xué)手段，可在單位時(shí)間內(nèi)提升授課的感知度，大幅提升授課的信息量。因此可在相同的時(shí)間內(nèi)傳遞更多的專業(yè)知識。學(xué)生學(xué)習(xí)的效率更高，學(xué)習(xí)效果會更加的明顯。經(jīng)過調(diào)研，98.8%的學(xué)生認(rèn)為通過BIM的融入對課程學(xué)習(xí)有較大的幫助。此外，95.6%的學(xué)生認(rèn)為需要進(jìn)一步在課內(nèi)實(shí)踐環(huán)節(jié)融入BIM相關(guān)的實(shí)操內(nèi)容，主要包括碰撞檢查、管綜優(yōu)化、凈高分析、預(yù)留孔洞、支吊架驗(yàn)算、裝配式機(jī)房等幾部分，具體占比見圖1。

4.1 BIM在教學(xué)中的正向應(yīng)用

（1）利用BIM機(jī)電綜合模型化解二維識圖瓶頸

經(jīng)過深化的BIM機(jī)電綜合模型包含了給排水系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)、空調(diào)水系統(tǒng)、防排煙系統(tǒng)、強(qiáng)電系統(tǒng)、弱電系統(tǒng)等多個(gè)系統(tǒng)。首先基于綜合機(jī)電模型分離出單專業(yè)三維模型，利用三維模型的可視化的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生對各專業(yè)系統(tǒng)的整體認(rèn)知。三維模型可以直觀反映出各部分的相互關(guān)系與聯(lián)系。通過BIM的正向介入，利用BIM模型靜態(tài)展示之外，還可以通過Fuzor、Enscape等軟件配合VR設(shè)備完成模型的動態(tài)漫游，學(xué)生的體驗(yàn)感也會大大增加，學(xué)生可順利地完成從整體到局部，從具體到抽象的認(rèn)知過程。這一過程也恰恰符合人的認(rèn)知習(xí)慣，讓學(xué)習(xí)過程變得更輕松，知識也更易被消化與吸收，實(shí)現(xiàn)三維到二維的降維學(xué)習(xí)過程，學(xué)習(xí)的效率會更高，針對性也更強(qiáng)，見圖2。

（2）利用BIM管綜模型突破專業(yè)的綜合應(yīng)用能力

①基于BIM模型快速掌握管線綜合的基本原則與方法

由于教材的局限性，無法直觀展示多專業(yè)綜合的情況，即便現(xiàn)場參觀也只能看到局部做法無法了解整個(gè)系統(tǒng)。通過BIM管綜模型優(yōu)化前后對比，讓學(xué)生更直觀地了解多專業(yè)管綜優(yōu)化的基本原則，首選通過多專業(yè)碰撞檢查，直觀解決空間關(guān)系沖突，并根據(jù)沖突進(jìn)行分類梳理，解決機(jī)電與土建、機(jī)電與機(jī)電專業(yè)之間的問題，對不同的碰撞與沖突給出對應(yīng)的解決方案。學(xué)生通過BIM模型直觀感受解決的思路與效果，可以快速提升學(xué)習(xí)的效果。另外，利用凈高分析鎖定凈高不足的區(qū)域，通過BIM模型定位到具體位置，讓學(xué)生參與凈空優(yōu)化的討論，教師引導(dǎo)，學(xué)生參與，最終確定管線優(yōu)化排布方案，參與過程也讓學(xué)生理解與體會更加深刻。很大程度上化解課時(shí)少與教學(xué)內(nèi)容多之間的矛盾。最終利用碰撞優(yōu)化后的模型，在教師指導(dǎo)下完成施工模擬的演示，學(xué)生通過匯報(bào)的方式再一次呈現(xiàn)解決方案的整理思路，實(shí)現(xiàn)對專業(yè)知識進(jìn)一步的理解、總結(jié)與提升。

②基于施工進(jìn)度模擬掌握施工工序與方法

課程教材中施工工藝與施工方法一般以文字或流程圖形式呈現(xiàn)，缺乏動態(tài)展示過程，學(xué)習(xí)過程相對單一，理解與記憶上也有一定的難度。專業(yè)知識來源于實(shí)際工程最終還要應(yīng)用于實(shí)際工程。利用BIM模型進(jìn)行施工進(jìn)度模擬，將BIM模型與施工進(jìn)度計(jì)劃相關(guān)聯(lián)，把三維空間信息與時(shí)間信息整合在一個(gè)可視的4D模型中，直觀、精確地反映各個(gè)機(jī)電系統(tǒng)的施工過程。學(xué)生根據(jù)施工進(jìn)度計(jì)劃的編排順序及施工進(jìn)度模擬過程，可以清楚地理解施工工序、具體的施工方法，可直觀發(fā)現(xiàn)整個(gè)施工安裝環(huán)節(jié)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)、安裝工序及疑難點(diǎn)，就猶如跟進(jìn)具體的施工項(xiàng)目一樣。同時(shí)再結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)地參觀，將BIM虛擬施工與現(xiàn)場實(shí)際施工相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)知識點(diǎn)的雙重強(qiáng)化，全面掌握機(jī)電各系統(tǒng)的施工工序與施工方法。

③利用BIM支吊架拓展功能實(shí)現(xiàn)專業(yè)知識的深化

支吊架不僅對學(xué)生甚至對一線施工人員也是難點(diǎn)，因?yàn)榫C合支吊架的類型都要根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際管線排布情況才能最終確定，而設(shè)計(jì)圖紙中只有一些指導(dǎo)性意見，通?，F(xiàn)場施工人員都是憑借經(jīng)驗(yàn)完成支吊架的選擇與布置的。針對這樣的現(xiàn)狀，可以選擇一段典型的多專業(yè)管綜模型，利用BIM支吊架功能完成綜合支吊架選型、材料統(tǒng)計(jì)、安全校核等環(huán)節(jié)，定量化的方式完成綜合支吊架的受力驗(yàn)算過程。根據(jù)可視化驗(yàn)算結(jié)果完成綜合支吊架的布置，形成對管線綜合的進(jìn)一步深化，精確展示施工場景，可避免機(jī)電安裝施工中的經(jīng)驗(yàn)主義的弊端。用圖形與數(shù)據(jù)解決了原本專業(yè)的隱性知識。對于原本需要經(jīng)驗(yàn)完成的工作，通過定量化的方式明確實(shí)施方案，將抽象的知識通過形象化的方式進(jìn)行表達(dá)，這樣學(xué)生對于支吊架的應(yīng)用理解會更加透徹。

④通過裝配式機(jī)房的BIM應(yīng)用，具備初步機(jī)房預(yù)制與加工能力

裝配式機(jī)房的施工是將一種利用BIM與裝配式施工結(jié)合的方法。對于裝配式機(jī)房來說，BIM可解決很多傳統(tǒng)機(jī)房施工中的問題，而采用BIM裝配式技術(shù)，則可以實(shí)現(xiàn)對機(jī)房現(xiàn)場管線的可視化。學(xué)生通過教師的引導(dǎo)，在保證滿足施工規(guī)范的條件下，考慮施工空間的要求，設(shè)備及附件檢修條件的要求、機(jī)房內(nèi)標(biāo)高要求、整體美觀等要求，完成機(jī)房管線的綜合排布?；贐IM的裝配式技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、生產(chǎn)工廠化、運(yùn)輸物流化及安裝專業(yè)化，提高施工生產(chǎn)效率。學(xué)生利用優(yōu)化的BIM機(jī)房模型完成管道的拆分、管道的編號、支吊架布置、支吊架受力分析與驗(yàn)算，管道預(yù)制加工圖的出圖，預(yù)制管道明細(xì)表的匯總，學(xué)生在實(shí)操的過程中可初步掌握機(jī)房預(yù)制與加工能力。

4.2 BIM在教學(xué)的逆向應(yīng)用

如上文所述，利用已有的BIM模型及其綜合應(yīng)用完成相關(guān)知識的學(xué)習(xí)，是一種正向的、符合認(rèn)知規(guī)律的過程，這個(gè)階段主要完成專業(yè)知識的學(xué)習(xí)、吸收與掌握。而利用已掌握的知識，依據(jù)二維圖紙創(chuàng)建三維模型，并依據(jù)相關(guān)規(guī)范對模型實(shí)施一系列的綜合應(yīng)用，這個(gè)過程就是一個(gè)逆向過程，這個(gè)階段主要完成知識的內(nèi)化與提升，見圖3。

（1）通過BIM逆向建模深化二維圖紙識讀能力

逆向建模的過程是一個(gè)對圖紙深化的過程，也是對圖紙的逐步理解的過程。利用BIM插件可快速完成模型創(chuàng)建，提高翻模效率，在有限的時(shí)間內(nèi)完成預(yù)想的效果，可快速發(fā)現(xiàn)圖紙中的問題，深化對二維圖紙的理解與領(lǐng)悟。經(jīng)調(diào)研，90.1%的同學(xué)更愿意選擇中小型項(xiàng)目作為案例（其中中型項(xiàng)目占50.6%，小型項(xiàng)目占39.5%）。因此，需要根據(jù)學(xué)生的接受度，優(yōu)先選擇中小型項(xiàng)目作為研究。首先，熟悉機(jī)電各專業(yè)圖紙。主要包括各專業(yè)設(shè)計(jì)施工說明，各專業(yè)機(jī)房位置，水暖電管線的路由走向，尤其是機(jī)房及走廊等管線集中的部位。另外對于結(jié)構(gòu)變化的部位，比如結(jié)構(gòu)降板區(qū)域、大截面的梁所在的位置都要重點(diǎn)關(guān)注，做到圖紙了然于心。其次，根據(jù)水電暖各專業(yè)圖紙，創(chuàng)建BIM機(jī)電模型。依據(jù)各專業(yè)設(shè)計(jì)施工說明、規(guī)范圖集，結(jié)合施工圖分專業(yè)創(chuàng)建BIM模型，創(chuàng)建過程中進(jìn)一步校核圖紙是否準(zhǔn)確無誤，通過建模可以復(fù)核施工圖的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和不足。最后，BIM逆向建模鍛煉了學(xué)生的識圖能力，同時(shí)也提升了學(xué)生的對圖紙的糾錯(cuò)能力，真正對學(xué)生的識圖能力起到了強(qiáng)化作用。

（2）通過BIM逆向建?？梢詫?shí)現(xiàn)專業(yè)知識的鞏固與強(qiáng)化

BIM逆向翻模不僅僅需要掌握軟件的操作技能，更重要的是具備扎實(shí)的建筑設(shè)備專業(yè)知識，比如建筑設(shè)備各系統(tǒng)的組成與工作原理，各類管線的連接形式與布置原則，消防設(shè)施的安裝位置與高度等等。二維圖紙所能呈現(xiàn)的僅僅是單一專業(yè)的平面關(guān)系，基本不涉及機(jī)電專業(yè)之間、機(jī)電與土建專業(yè)之間的空間關(guān)系。但是翻模過程中則需要將所有關(guān)系定量化，這就要求對課程中各系統(tǒng)的基本知識熟練掌握，并需要清楚規(guī)范的相應(yīng)條款。如建筑設(shè)備施工圖中的系統(tǒng)圖常常以原理圖的形式表達(dá)，這就需要識圖人有較強(qiáng)的專業(yè)知識儲備，這樣才能將抽象化的原理圖轉(zhuǎn)化為直觀的三維BIM模型。如果翻模過程中發(fā)現(xiàn)知識短板，這時(shí)就可以針對短板進(jìn)行系統(tǒng)的復(fù)習(xí)與強(qiáng)化，從而進(jìn)一步完善了知識結(jié)構(gòu)。所以通過BIM逆向建?？梢允崂碚n程學(xué)習(xí)過程中的知識點(diǎn)與知識構(gòu)架，是一種直接有效的學(xué)習(xí)方式。

（3）利用翻模成果進(jìn)行BIM綜合應(yīng)用實(shí)現(xiàn)知識遷移與升華

利用BIM翻模的機(jī)電模型進(jìn)行管線綜合、凈高分析、預(yù)留孔洞、支吊架選擇與驗(yàn)算、管線與泵房預(yù)制等綜合應(yīng)用，這一過程是對學(xué)生綜合能力的極大考驗(yàn)與挑戰(zhàn)。在應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)知識框架的缺失與短板，通過知識點(diǎn)補(bǔ)強(qiáng)，依靠BIM的綜合應(yīng)用實(shí)現(xiàn)知識系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化和靈活化。這一過程可以通過PDCA循環(huán)法開展BIM逆向建模與綜合應(yīng)用。第一步根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙制訂目標(biāo)，確定需完成的模型內(nèi)容；第二步按照目標(biāo)進(jìn)行模型創(chuàng)建；第三步通過對模型的綜合應(yīng)用檢查模型存在的問題；第四步針對問題進(jìn)一步優(yōu)化模型，復(fù)核施工圖的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和不足，從而提高圖紙的準(zhǔn)確率。如此循環(huán)往復(fù)直到模型完全滿足綜合應(yīng)用的各項(xiàng)指標(biāo)要求。這一過程實(shí)現(xiàn)了多專業(yè)知識梳理與學(xué)生邏輯思維的培養(yǎng)。對于BIM模型中的各種問題的分析，開展邏輯性與系統(tǒng)性的思考，在每一輪循環(huán)中螺旋式上升，從全局和整體出發(fā)，提升知識之間的關(guān)聯(lián)性與協(xié)同性，將原本的死知識變?yōu)榛钪R，實(shí)現(xiàn)知識的遷移與升華。

5 總結(jié)與展望

傳統(tǒng)的教學(xué)模式以平面化展示為主，受教學(xué)手段的限制，在有限的時(shí)間內(nèi)學(xué)生的參與度不夠充分，因此對于專業(yè)知識的應(yīng)用也不多深入，故而學(xué)習(xí)的效果與知識的掌握程度往往達(dá)不到預(yù)期。BIM技術(shù)作為工程化應(yīng)用的手段，將其融入到“建筑設(shè)備及識圖”課程教學(xué)之中，將其可視化、模擬性與協(xié)調(diào)性充分體現(xiàn)，能系統(tǒng)化解決課程學(xué)習(xí)中的難點(diǎn)問題，用直觀的手段解決抽象的問題，可有效縮短學(xué)習(xí)過程、提升學(xué)習(xí)效率。通過PDCA循環(huán)法實(shí)現(xiàn)基于BIM模型的綜合應(yīng)用，既鍛煉了學(xué)生的思維力，又提升了知識的轉(zhuǎn)化能力，達(dá)到逐步提升的目標(biāo)。

本文系江蘇省現(xiàn)代教育技術(shù)研究2021年度課題《BIM技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用研究——以高職土建類專業(yè)為例》，課題編號：2021-R-90815。

（作者單位：揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)）