新工科背景下智能建造人才培養(yǎng)模式研究

趙全勝 梁小勇 趙媛媛 梁日

［摘 要］ 在新時(shí)代背景下，人類步入第四次工業(yè)革命，建筑行業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)勢(shì)在必行，而智能建造的提出恰為此指明了方向，各大高校也響應(yīng)國(guó)家政策相繼增加了智能建造專業(yè)。首先在介紹智能建造的背景及意義的基礎(chǔ)上對(duì)高校培養(yǎng)方案的制訂進(jìn)行了闡述，然后從建設(shè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維管理角度對(duì)智能建造中的BIM技術(shù)、3D打印、智能機(jī)械、人工智能等主要內(nèi)容進(jìn)行了介紹，并由此展開(kāi)了對(duì)智能建造專業(yè)人才培養(yǎng)的探討，為智能建造專業(yè)人才培養(yǎng)提供參考。

［關(guān)鍵詞］ 新工科；智能建造；人工智能；教學(xué)模式；人才培養(yǎng)

［基金項(xiàng)目］2021年度河北省科技廳引進(jìn)智力項(xiàng)目“新工科智能建造關(guān)鍵技術(shù)”（2021012）；2020年度國(guó)家教育部國(guó)家第二批新工科項(xiàng)目“面向區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的地方高校傳統(tǒng)工科專業(yè)改造升級(jí)探索與實(shí)踐”（E-ZYJG20200211）；2021—2022年度河北省教育廳高等教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目“新工科背景下土木類人才信息與智能素養(yǎng)路徑的探索與實(shí)踐”（2021GJJG188）

［作者簡(jiǎn)介］ 趙全勝（1968—），男，河北石家莊人，碩士，河北科技大學(xué)建筑工程學(xué)院教授，主要從事土木工程研究；梁 日（1998—），男，河北石家莊人，河北科技大學(xué)建筑工程學(xué)院2021級(jí)土木工程專業(yè)碩士研究生（通信作者），研究方向?yàn)樾滦筒牧稀?/p>

［中圖分類號(hào)］ G642.0［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A［文章編號(hào)］ 1674-9324（2023）20-0082-04［收稿日期］ 2022-05-10

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，建筑行業(yè)也有了十足的進(jìn)展，眾多世界級(jí)工程完工并投入使用。我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)，產(chǎn)業(yè)升級(jí)逐漸成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要抓手。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的飛速發(fā)展，國(guó)家提出了新工科的概念，融合了傳統(tǒng)土木工程的人工智能便是其中的重要組成部分。而且隨著我國(guó)進(jìn)入經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展新階段，智能建造已經(jīng)成為建筑業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要內(nèi)容［1］。

智能建造是結(jié)合了BIM技術(shù)、計(jì)算機(jī)大數(shù)據(jù)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)的新型交叉學(xué)科，在新一輪的建筑業(yè)革命中起著引領(lǐng)作用［2］。世界各國(guó)均立足國(guó)情制定并逐步建立了以智能建造為核心的產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略及人才培養(yǎng)體系。世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家在項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中均要求工程項(xiàng)目必須應(yīng)用BIM技術(shù)，并在3D打印、人工智能等方面也建立起了相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，投入了大量資金支持［3］。2017年同濟(jì)大學(xué)成功申報(bào)智能建造專業(yè)，隨即北方建筑大學(xué)、北方工業(yè)大學(xué)等6所院校成功獲批，截至目前已有64所院校開(kāi)設(shè)相關(guān)專業(yè)。然而作為新建專業(yè)，每所院校都有自己的特色，但是其課程體系（培養(yǎng)方案）如何能夠緊密地與第四次工業(yè)革命結(jié)合、適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展，這將是新開(kāi)設(shè)智能建造的院校一大難題。

一、智能建造培養(yǎng)方案制訂

培養(yǎng)方案是培養(yǎng)人才的頂層設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)的書面保證，更是教師開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)的依據(jù)和建立專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的載體。智能建造是傳統(tǒng)土木工程專業(yè)的升級(jí)，制訂培養(yǎng)方案時(shí)除了應(yīng)滿足國(guó)家工程教育認(rèn)證的要求外，還應(yīng)打破學(xué)科的壁壘，建立以土木工程核心課程為主線，深度融合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、BIM等先進(jìn)的信息技術(shù)及一般機(jī)械和控制工程原理、工程管理相關(guān)知識(shí)的教學(xué)方案，完成建設(shè)工程的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工和全過(guò)程運(yùn)行維護(hù)管理。

（一）打破學(xué)科壁壘

目前我國(guó)分為14個(gè)學(xué)科門類，下設(shè)113個(gè)一級(jí)學(xué)科。2020年新增了第14類“交叉學(xué)科”，這也給其他學(xué)科指引了方向。從目前而言，學(xué)科交叉是必然趨勢(shì)，傳統(tǒng)的土木工程已不適應(yīng)現(xiàn)在社會(huì)的發(fā)展，必須打破傳統(tǒng)的土木工程學(xué)科界限，重構(gòu)核心課程。智能建造專業(yè)在保證土木工程專業(yè)知識(shí)傳授的同時(shí)，注重建造信息化、智能化新技術(shù)、新思維的引導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，樹(shù)立堅(jiān)定的信念，建立“五位一體”的培養(yǎng)模式（見(jiàn)圖1），將計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、機(jī)械工程、電氣工程、管理科學(xué)與工程、土木工程學(xué)科進(jìn)行深度融合，并且結(jié)合各自院校的特點(diǎn)形成特色方向。

（二）培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維

高校是教書育人的圣地，最基本的職責(zé)是傳授學(xué)生專業(yè)知識(shí)，使學(xué)生適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展，更重要的是培養(yǎng)具有一定的創(chuàng)新意識(shí)的人才。新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革背景下，綜合國(guó)力的競(jìng)爭(zhēng)本質(zhì)上是創(chuàng)新能力的競(jìng)爭(zhēng)。新工科背景下要求高校在制訂新的培養(yǎng)方案時(shí)必須革新傳統(tǒng)的教學(xué)理念，重視學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。智能建造專業(yè)的學(xué)生只有具備較高的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力才能在畢業(yè)之后促使建筑業(yè)的變革，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展［4］。然而，在智能建造專業(yè)的培養(yǎng)方案中如何融入創(chuàng)新能力的培養(yǎng)才能充分提升學(xué)生創(chuàng)新能力？一是可以通過(guò)增設(shè)創(chuàng)新類的實(shí)踐課程，如在培養(yǎng)方案中增設(shè)“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)和個(gè)性教育”課程，學(xué)生可以通過(guò)參與“全國(guó)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽”“全國(guó)高校BIM畢業(yè)設(shè)計(jì)大賽”“全國(guó)大學(xué)生交通科技大賽”等賽事獲取學(xué)分，不僅培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，而且還提高了創(chuàng)新能力；二是可以設(shè)置一些課程實(shí)驗(yàn)，如“混凝土3D打印技術(shù)試驗(yàn)”“裝配式技術(shù)實(shí)驗(yàn)”等，不僅能夠提高學(xué)生動(dòng)手能力，而且也潛移默化地使學(xué)生形成一定的創(chuàng)新意識(shí)。

二、智能建造專業(yè)培養(yǎng)方向

在高校教學(xué)中，智能建造專業(yè)要在傳統(tǒng)土木教學(xué)中加入融合了新技術(shù)的施工案例，增加機(jī)械工程智能機(jī)器人、人工智能算法的學(xué)習(xí)。因?yàn)榇罅啃抡n程的加入容易讓學(xué)生摸不到重點(diǎn)，學(xué)得太泛而不夠精，故在具體實(shí)踐中，高?？稍谥悄芙ㄔ鞂I(yè)前兩年進(jìn)行大類培養(yǎng)，在打牢土木工程知識(shí)的基礎(chǔ)上，再加入機(jī)械原理與設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)原理基礎(chǔ)課程，讓學(xué)生對(duì)智能建造有整體性的認(rèn)識(shí)。在第三年進(jìn)行分類培養(yǎng)，學(xué)生從自己的興趣出發(fā)進(jìn)行選擇，分為智能建造設(shè)計(jì)班、智能建造裝備班及智能建造算法班三個(gè)方向，分別對(duì)智能建造中的智能設(shè)計(jì)、智能裝備及智能機(jī)器人和人工智能算法進(jìn)行重點(diǎn)培養(yǎng)。

（一）智能建造設(shè)計(jì)

智能建造設(shè)計(jì)方向主要解決智能建造中的智能設(shè)計(jì)問(wèn)題，其中重點(diǎn)是建筑信息化模型，打破以往計(jì)算、繪圖、施工的傳統(tǒng)模式，增強(qiáng)學(xué)生的智能設(shè)計(jì)理念。在課程設(shè)置上重點(diǎn)學(xué)習(xí)BIM技術(shù)與3D打印技術(shù)。

BIM技術(shù)是將建筑物用數(shù)字化的理念表達(dá)，通過(guò)數(shù)字模型數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)工程建設(shè)全壽命周期內(nèi)的精細(xì)管理，并以此加強(qiáng)工程技術(shù)人員對(duì)建筑信息做出正確理解與高效應(yīng)對(duì)的能力［5］。在美國(guó)，BIM技術(shù)已為其帶來(lái)超半數(shù)的投資回報(bào)率，國(guó)內(nèi)各大企業(yè)也在積極推動(dòng)BIM技術(shù)的應(yīng)用。目前，我國(guó)還處于BIM人才緊缺狀態(tài)，雖然有不少高校開(kāi)設(shè)了BIM技術(shù)相關(guān)課程，但多為選修課，學(xué)生參與程度不高。因此智能建造設(shè)計(jì)班重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的BIM能力，除了進(jìn)行BIM的建?；A(chǔ)教學(xué)，還要針對(duì)具體的工程實(shí)例進(jìn)行訓(xùn)練，鼓勵(lì)學(xué)生積極參加BIM競(jìng)賽，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，真正做到學(xué)以致用［6-7］。

智能建造設(shè)計(jì)班開(kāi)展3D打印課程，基于3D打印快速成型技術(shù)，重點(diǎn)教授工作原理與實(shí)際操作。讓學(xué)生了解到適用于打印的先進(jìn)材料，掌握一定算法，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的打印編程，課程中可以讓學(xué)生親身體驗(yàn)3D打印的過(guò)程。除此之外，還可加強(qiáng)校企合作，讓國(guó)內(nèi)先進(jìn)的3D打印企業(yè)參與培養(yǎng)過(guò)程，跟進(jìn)工程實(shí)例，掌握最新的行業(yè)動(dòng)態(tài)。

（二）智能建造裝備

智能建造裝備方向主要解決智能建造中的智能施工問(wèn)題，追求施工的少人化、無(wú)人化及建造過(guò)程的規(guī)范化，重點(diǎn)在于基于機(jī)械自動(dòng)化的智能裝備及智能施工機(jī)器人［8］。傳統(tǒng)的施工現(xiàn)場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)人員施工設(shè)備繁雜，較難做到施工的精細(xì)化管理［9-10］，而智能機(jī)器人可有效解決這一問(wèn)題。由于施工現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜性，一般針對(duì)重復(fù)性大的施工工序進(jìn)行智能機(jī)器人的研發(fā)［11］。智能施工平臺(tái)就是融合了多種作業(yè)場(chǎng)景、施工設(shè)備、施工工序的作業(yè)平臺(tái)，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制下實(shí)現(xiàn)多工序的自動(dòng)化施工［12］。

針對(duì)上述建筑行業(yè)現(xiàn)狀，在智能建造裝備班中應(yīng)深入學(xué)習(xí)進(jìn)階機(jī)械類課程，對(duì)機(jī)械課程進(jìn)行調(diào)整，深入發(fā)掘與土木工程相關(guān)內(nèi)容，重點(diǎn)學(xué)習(xí)智能機(jī)器人相關(guān)課程。在班級(jí)中設(shè)置博士學(xué)位導(dǎo)師制，讓學(xué)生盡早接觸科研內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生分析施工工藝背后的原理，理論結(jié)合實(shí)踐，為進(jìn)一步研發(fā)適合機(jī)器人自動(dòng)化施工的工藝打下基礎(chǔ)。另外，鼓勵(lì)教師成果落地并作為案例引入課堂，使學(xué)生在科研探索中提高發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力［13］。

（三）智能建造算法

智能建造算法方向主要解決智能建造中的智能運(yùn)維管理問(wèn)題，重點(diǎn)利用人工智能算法搭建模型框架，對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行感知、分析、修正，全面提升項(xiàng)目的管理精細(xì)度，降本增效。

當(dāng)今社會(huì)，人工智能已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域得到了快速發(fā)展并形成了眾多算法［14］。世界范圍內(nèi)也都在努力將計(jì)算機(jī)信息技術(shù)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行創(chuàng)新融合，以促進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的升級(jí)換代。建筑行業(yè)的智能化、信息化程度雖然較低，但人工智能在土木工程中卻有著廣闊的應(yīng)用前景［15］。人工智能在智能建造中主要體現(xiàn)在基于算法的深度學(xué)習(xí)。劉占?。?6］等基于數(shù)字孿生的技術(shù)，綜合利用物聯(lián)網(wǎng)、BIM和有限元模型搭建了智能建造方法的框架。

因此，智能建造算法方向重點(diǎn)開(kāi)展深度學(xué)習(xí)方面的研究。在教學(xué)中，從最新的工程實(shí)例出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生增強(qiáng)對(duì)算法與土木工程實(shí)踐相結(jié)合的理念。

結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)家新基建戰(zhàn)略的提出，雖然我國(guó)建筑行業(yè)的智能化、信息化還處在初步發(fā)展階段，但順應(yīng)新發(fā)展格局的智能建造必將在未來(lái)發(fā)光發(fā)熱。其中智能建造人才的培養(yǎng)是重點(diǎn)，高校作為人才培養(yǎng)的主戰(zhàn)場(chǎng)，必須肩負(fù)起這一責(zé)任，努力創(chuàng)建新的人才培養(yǎng)模式，培養(yǎng)適合新時(shí)代的智能建造復(fù)合型人才。

第一，在課程體系上要突出重點(diǎn)。對(duì)原有淘汰落后的土木工程技術(shù)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行刪減，增加BIM技術(shù)與3D打印技術(shù)的內(nèi)容，更新課程設(shè)計(jì)；加快教授科研成果轉(zhuǎn)化，并將其應(yīng)用于教學(xué)當(dāng)中。

第二，打破原有課程壁壘。加入機(jī)械原理與設(shè)計(jì)、智能機(jī)器人、人工智能和算法相關(guān)課程，通過(guò)對(duì)這些課程與土木工程的專業(yè)課程的有機(jī)結(jié)合，讓學(xué)生接觸到建筑前沿內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生興趣，提升其利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能等前沿科技解決土木工程問(wèn)題的能力。

第三，把握好傳統(tǒng)課程與新增課程的關(guān)系。智能建造專業(yè)培養(yǎng)人才，要以工程建設(shè)為核心，而不是傳統(tǒng)課程與機(jī)械計(jì)算機(jī)類課程的簡(jiǎn)單相加。要在學(xué)生土木工程專業(yè)知識(shí)扎實(shí)的基礎(chǔ)上，增加新技術(shù)類課程，并把握好兩者的學(xué)時(shí)分配，在傳統(tǒng)課程中提升理論學(xué)習(xí)占比，在新技術(shù)類課程上提升實(shí)踐占比。

第四，堅(jiān)持理論與實(shí)踐相結(jié)合。在理論學(xué)習(xí)的同時(shí)增加實(shí)踐環(huán)節(jié)，除了傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地實(shí)習(xí)，還要增強(qiáng)高校與企業(yè)的合作，堅(jiān)持產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合，使學(xué)生真正走入真實(shí)的工作環(huán)境，更好適應(yīng)社會(huì)需求。

參考文獻(xiàn)

［1］姜景山，何培玲，趙延喜，等.新工科背景下智能建造專業(yè)復(fù)合型人才培養(yǎng)的探索［J］.中國(guó)多媒體與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)學(xué)報(bào)（上旬刊），2022（1）：165-168.

［2］蔣宗禾.中國(guó)工程院院士肖緒文：智能建造是什么、為什么、做什么、怎么做？ ［N］.江蘇科技報(bào)，2021-04-23（A08）.

［3］劉占省，劉詩(shī)楠，趙玉紅，等.智能建造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與未來(lái)趨勢(shì)［J］.建筑技術(shù)，2019，50（7）：772-779.

［4］滿軻，程海麗，崔光耀，等.智能建造專業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革研究［J］.智能制造，2022（1）：121-123+127.

［5］鄭華海，劉勻，李元齊.BIM技術(shù)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2015，31（4）：233-241.

［6］梁小勇，趙琰，可淑玲，等.基于全過(guò)程融合式發(fā)展的工程管理應(yīng)用型人才教學(xué)實(shí)踐體系構(gòu)建［J］.教育教學(xué)論壇，2020（23）：241-242.

［7］可淑玲，梁小勇，趙琰，等.新工科背景下應(yīng)用型土建類專業(yè)人才培養(yǎng)模式研究［J］.創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)理論研究與實(shí)踐，2021，4（1）：131-132+138.

［8］韓靚.智能制造時(shí)代下機(jī)器人在建筑行業(yè)的應(yīng)用［J］.建筑經(jīng)濟(jì)，2018，39（3）：23-27.

［9］KURT M L，VINEET R K， CAROL C M，et al．Scene understanding for adaptive manipulation in robotized construction work［J］. Automation in construction，2017，82：16-30.

［10］把脈數(shù)字化轉(zhuǎn)型新趨勢(shì) 探索高質(zhì)量發(fā)展新路徑［N］.中國(guó)建設(shè)報(bào)，2020-09-18（2）.

［11］蘇世龍，雷俊，馬栓棚，等.智能建造機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)研究［J］.施工技術(shù)，2019，48（22）：16-18+25.

［12］張昊，馬羚，田士川，等.智能施工平臺(tái)關(guān)鍵作業(yè)場(chǎng)景、要素及發(fā)展路徑［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2022，62（2）：215-220.

［13］劉占省，孫嘯濤，史國(guó)梁.智能建造在土木工程施工中的應(yīng)用綜述［J］.施工技術(shù)（中英文），2021，50（13）：40-53.

［14］LeCun Y.， Bengio Y， Hinton G. Deep learning［J］. Nature，2015，521：436-444.

［15］鮑躍全，李惠.人工智能時(shí)代的土木工程［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2019，52（5）：1-11.

［16］劉占省，劉子圣，孫佳佳，等.基于數(shù)字孿生的智能建造方法及模型試驗(yàn)［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2021，42（6）：26-36.

Research on Talent Training Mode of Intelligent Construction under the Background of

New Engineering Education

ZHAO Quan-sheng， LIANG Xiao-yong， ZHAO Yuan-yuan， LIANG Ri

（School of Civil Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang，

Hebei 050018， China）

Abstract： Under the background of the development of the new era， human beings have entered the fourth industrial revolution， and the industrial upgrading of the construction industry is imperative. The proposal of intelligent construction points out the direction for this. Major colleges and universities have also increased intelligent construction majors in response to national policies. Based on the introduction of the background and significance of intelligent construction， this paper first expounds the formulation of training programs in colleges and universities， and then introduces the main contents of BIM technology， 3D printing， intelligent machinery， and artificial intelligence in intelligent construction from the perspectives of design， construction， and operation and maintenance management of construction projects， and discusses the training of intelligent construction professionals， hoping to provide reference for the training of intelligent construction professionals.

Key words： new engineering education; intelligent construction; artificial intelligence; teaching mode; talent training