基于BIM+數(shù)字孿生技術(shù)在高職院校土建類專業(yè)教學(xué)研究中的應(yīng)用

［摘 要］BIM技術(shù)是指建筑信息建模技術(shù)。土建工程是一項(xiàng)非常復(fù)雜和綜合的工作，需要建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備等專業(yè)的密切配合。本文以高職院校建筑設(shè)備類教學(xué)為基礎(chǔ)，以BIM+數(shù)字孿生技術(shù)為切入點(diǎn)，總結(jié)BIM+數(shù)字化孿生技術(shù)在土建類專業(yè)教學(xué)中的意義，利用數(shù)字孿生重構(gòu)學(xué)習(xí)空間，構(gòu)建全息映射空間，營造沉浸式的學(xué)習(xí)環(huán)境，以期為相關(guān)研究提供借鑒。

［關(guān)鍵詞］BIM；數(shù)字孿生技術(shù)；高等職業(yè)院校；土建類專業(yè)教學(xué)

［中圖分類號］G71文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

BIM技術(shù)自誕生以來，在土建建模方面已經(jīng)有較為普遍的應(yīng)用。但將BIM等同于建模是對BIM的狹隘認(rèn)知，可視化并非BIM的最終目的。應(yīng)運(yùn)而生的BIM技術(shù)教育，不同于土建類專業(yè)傳統(tǒng)的教學(xué)模式，其核心是要求建筑工程各專業(yè)之間的協(xié)同合作。在培養(yǎng)過程中，要求土建專業(yè)的學(xué)生在具備扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)知識的同時，還要具備熟練掌握本專業(yè)BIM建模軟件的能力；還要求學(xué)生打破專業(yè)壁壘，對土建其他專業(yè)有一定的了解。在將BIM技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)的過程中，協(xié)作學(xué)習(xí)的氛圍是該技術(shù)應(yīng)用的一個特征，需要教師為學(xué)生營造協(xié)作學(xué)習(xí)的氛圍，讓學(xué)生適應(yīng)相互協(xié)作、自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)和探究學(xué)習(xí)的教學(xué)模式。BIM技術(shù)教育通過專業(yè)知識的相互融合和滲透，提高學(xué)生的綜合能力，使得教學(xué)內(nèi)容得以完善、優(yōu)化，學(xué)科專業(yè)質(zhì)量得以提高。同時，學(xué)生的專業(yè)知識得以鞏固，鍛煉他們的溝通能力和組織協(xié)調(diào)能力。

數(shù)字孿生技術(shù)作為一項(xiàng)新興并發(fā)展迅速的數(shù)字信息化技術(shù)，在智能管理方面潛力較大，可為土建施工及施工管理、樓宇設(shè)備管理這樣的具體復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)的物理體量，進(jìn)行信息融合并且提供解決思路。該技術(shù)是以數(shù)字化信息為載體，將物理世界中的現(xiàn)實(shí)空間映射到數(shù)字虛擬空間中的設(shè)備數(shù)據(jù)或系統(tǒng)狀態(tài)信息，能被實(shí)時檢測感知，并通過特定反饋方式，將承載指令的數(shù)據(jù)回饋到設(shè)備或系統(tǒng)的控制中，通過算法給出指導(dǎo)或決策。已有研究數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)前建筑行業(yè)，數(shù)字孿生技術(shù)是實(shí)現(xiàn)建筑智能化的一種很有前景的解決手段。數(shù)字孿生系統(tǒng)由一個或多個重要的、彼此依賴的裝備組成。在建筑領(lǐng)域中，BIM技術(shù)與數(shù)字孿生的結(jié)合，將進(jìn)一步增強(qiáng)孿生數(shù)據(jù)和應(yīng)用結(jié)果的可信性。

基于現(xiàn)有的研究結(jié)果，我們將數(shù)字孿生定義為使用物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)來模擬虛擬世界中的創(chuàng)作。一種高度模擬的數(shù)字模型，可以映射到現(xiàn)實(shí)世界，并可以在二者之間深度耦合，稱為數(shù)字孿生。在相關(guān)新技術(shù)的支持下，數(shù)字孿生技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體的驅(qū)動控制、運(yùn)維和管理優(yōu)化；可以進(jìn)行互動學(xué)習(xí)，提高決策能力，使其具有可視化數(shù)據(jù)、實(shí)時動態(tài)交互和智能管理的特點(diǎn)［1］。這種基于BIM+數(shù)字孿生技術(shù)的智能運(yùn)維系統(tǒng)可集成全專業(yè)BIM模型，實(shí)現(xiàn)建筑資產(chǎn)的數(shù)字化交付，同時，可對建筑構(gòu)件、設(shè)備的生產(chǎn)、采購、安裝及運(yùn)維信息進(jìn)行檢索查看。

2 BIM+數(shù)字孿生技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2003年，美國總務(wù)管理局提出了一項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目，被稱之為“國家3D-4D-BIM計(jì)劃”，要求在整個建筑的生命周期，即從規(guī)劃、設(shè)計(jì)到拆除全過程中來探索應(yīng)用BIM。在英國，索爾德福大學(xué)實(shí)現(xiàn)了集建筑結(jié)構(gòu)信息、施工進(jìn)度信息、建筑造價信息和建筑能耗信息等相關(guān)數(shù)據(jù)于一體的BIM模型，并進(jìn)一步開發(fā)了基于BIM技術(shù)的N維模型。

2003年，BIM技術(shù)進(jìn)入我國工程建設(shè)行業(yè)。早在“十一五”規(guī)劃時期，政府部門就明確指出，土木建筑企業(yè)以及相關(guān)科研單位應(yīng)重視BIM技術(shù)，并要求對該新型信息化技術(shù)的應(yīng)用與創(chuàng)新展開深入的研究。不少研究者也認(rèn)識到，BIM技術(shù)具備兩大優(yōu)點(diǎn)，即參數(shù)化建模和可視化仿真模擬功能，在智能建筑設(shè)備的管理數(shù)據(jù)可視化需求方面有相當(dāng)大的應(yīng)用空間，技術(shù)需求高度吻合，對于解決智能建筑設(shè)備信息化管理等方面的問題能提供優(yōu)越的解決方案。雖然目前國內(nèi)還沒有成熟的應(yīng)用案例，但這種研究趨勢已經(jīng)非常明顯。數(shù)字孿生技術(shù)是一項(xiàng)在信息化技術(shù)高速發(fā)展的過程中產(chǎn)生的一項(xiàng)新技術(shù)，目前其在智能管理方面表現(xiàn)出巨大的潛力。有少數(shù)國內(nèi)學(xué)者將數(shù)字孿生應(yīng)用在了建筑施工過程中的進(jìn)度監(jiān)測、人員安全管理、建材監(jiān)測以及建筑垃圾追蹤等方面，并取得了一定的研究成果。由于現(xiàn)代社會的智能樓宇已經(jīng)成為城市建筑的主力軍，樓宇設(shè)備的智能化管理不但要求數(shù)據(jù)可視化，還需要完成預(yù)測分析、輔助決策。目前，國內(nèi)外結(jié)合兩種技術(shù)的應(yīng)用基本是以工程施工管理與運(yùn)維的方向?yàn)橹?，教學(xué)研究方向的數(shù)據(jù)較少。

3 BIM+數(shù)字孿生技術(shù)的教育意義

BIM技術(shù)涉及建筑工程專業(yè)全生命周期，是一個豐富的數(shù)據(jù)庫，由于該技術(shù)具備信息領(lǐng)先性和智能性的優(yōu)勢，已經(jīng)成為未來建筑行業(yè)數(shù)字化升級的方向。當(dāng)前，許多行業(yè)和企業(yè)已經(jīng)要求建筑工程類專業(yè)人才必備BIM技術(shù)的相關(guān)技能，各大高職院校也在積極地將BIM技術(shù)融入專業(yè)教學(xué)當(dāng)中。基于BIM技術(shù)教學(xué)的高職土建類專業(yè)的教學(xué)模式，滿足了當(dāng)前社會對BIM技術(shù)專業(yè)人才的需求，同時還能在一定程度上改善學(xué)生的就業(yè)狀況，使得高職生有了更廣闊的就業(yè)途徑。通過BIM技術(shù)教學(xué)，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和協(xié)作能力有所提高。特別是參與BIM技術(shù)+數(shù)字孿生技術(shù)的工程項(xiàng)目進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)和施工，學(xué)生將理論知識轉(zhuǎn)化為實(shí)踐技能的能力也得以提高，還能與其他專業(yè)協(xié)作，共同解決專業(yè)問題，使學(xué)生能夠跨打破專業(yè)壁壘，跨專業(yè)學(xué)習(xí)。過去，BIM技術(shù)和數(shù)字孿生技術(shù)在各自的領(lǐng)域中發(fā)揮作用，隨著信息社會對于技術(shù)的發(fā)展要求，二者跨界融合。BIM+數(shù)字孿生技術(shù)能滿足現(xiàn)代土建專業(yè)內(nèi)容復(fù)雜、管理精細(xì)的發(fā)展要求，能推動智慧建筑全要素?cái)?shù)字化和虛擬化［2］。因此，通過BIM+數(shù)字孿生技術(shù)在高職土建專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用，除了可以使學(xué)生獲取豐富的專業(yè)知識，提升綜合能力，更重要的是能增強(qiáng)他們的職業(yè)競爭力，為自己創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會的同時，明確自己的職業(yè)發(fā)展方向。

4 BIM+數(shù)字孿生技術(shù)土建類工程專業(yè)課堂建設(shè)路徑

4.1 創(chuàng)建并行系統(tǒng)以深化學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)

創(chuàng)建真實(shí)世界的完整映射是數(shù)字孿生的特征之一，并構(gòu)建伴隨真實(shí)世界系統(tǒng)的并行系統(tǒng)。如同DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)和數(shù)字孿生系統(tǒng)相互伴隨。在算法和數(shù)據(jù)分析的幫助下，空間不斷優(yōu)化。在這個過程中，教師要創(chuàng)造一個高效、輕松、愉快的學(xué)習(xí)環(huán)境；在復(fù)雜的學(xué)習(xí)環(huán)境、學(xué)習(xí)過程中進(jìn)行學(xué)生數(shù)據(jù)的分析；教師作為學(xué)習(xí)活動的設(shè)計(jì)者為學(xué)生服務(wù)，對接行業(yè)進(jìn)行業(yè)務(wù)仿真。

以“建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)”課程的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容為例，基于BIM+數(shù)字孿生技術(shù)的教學(xué)平臺可以根據(jù)課程需求以及行業(yè)應(yīng)用場景需要，利用AR/VR技術(shù)來建設(shè)數(shù)字建筑設(shè)備監(jiān)控的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)，實(shí)時共享物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)［3］，通過數(shù)字孿生技術(shù)虛擬映射的物理實(shí)體，可以解決學(xué)校實(shí)訓(xùn)設(shè)備投入大、更新難、無法結(jié)合實(shí)際工程的難題。通過終端傳感器和互聯(lián)網(wǎng)、5G技術(shù)得到的生產(chǎn)數(shù)據(jù)在教室里得到精準(zhǔn)還原，讓學(xué)生體驗(yàn)到建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)工作周期的動態(tài)監(jiān)測，做到真正的沉浸式學(xué)習(xí)。

基于BIM+數(shù)字孿生技術(shù)的教學(xué)平臺，可以將企業(yè)實(shí)際業(yè)務(wù)通過“以虛助實(shí)、虛實(shí)結(jié)合”的方式科學(xué)引導(dǎo)學(xué)生。在技術(shù)、工具和內(nèi)容的支持下，深化教學(xué)設(shè)計(jì)，在雙并行系統(tǒng)的共同作用下，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，有效解決問題［4］。

4.2 虛擬現(xiàn)實(shí)與無限互動的深度融合

利用BIM+數(shù)字孿生技術(shù)結(jié)合教學(xué)資源、通信技術(shù)和移動終端設(shè)備，更容易實(shí)現(xiàn)多場景學(xué)習(xí)，使學(xué)生身臨其境的同時，解決實(shí)踐教學(xué)中場地受限、設(shè)備受限的問題。當(dāng)然，基于互聯(lián)網(wǎng)的虛擬世界和人們身處的現(xiàn)實(shí)世界之間還是有很明確的界限的，這個界限使得學(xué)生實(shí)現(xiàn)知識建構(gòu)產(chǎn)生了阻礙。也就是說，不完全融合的虛擬和現(xiàn)實(shí)世界允許學(xué)生頻繁進(jìn)入和切換學(xué)習(xí)場景或敘事情境，這可能會帶來認(rèn)知負(fù)荷。BIM+數(shù)字孿生技術(shù)的出現(xiàn)可以解決這個問題，完成虛擬與現(xiàn)實(shí)的深度融合，特別是基于AIoT的數(shù)字孿生技術(shù)，通過物理世界中傳感系統(tǒng)的動態(tài)實(shí)時傳輸數(shù)據(jù)，打破了虛擬與現(xiàn)實(shí)交互的邊界。

深度融合產(chǎn)生的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，可以幫助學(xué)生解決獲取企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)及行業(yè)敏感信息的難題，數(shù)字孿生技術(shù)能實(shí)現(xiàn)物理數(shù)據(jù)的同步共享，為學(xué)生提供實(shí)訓(xùn)依據(jù)?；谖锢憩F(xiàn)實(shí)創(chuàng)造無限互動，提供高度沉浸式的學(xué)習(xí)場景，真正實(shí)現(xiàn)教育的連續(xù)性和學(xué)習(xí)的具象化［5］。

4.3 最大限度地應(yīng)用BIM+數(shù)字孿生技術(shù)

高職土建類專業(yè)在應(yīng)用BIM+數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行教學(xué)的過程中，應(yīng)轉(zhuǎn)變教學(xué)培養(yǎng)模式，重點(diǎn)關(guān)注BIM+數(shù)字化孿生技術(shù)在專業(yè)上的靈活性和實(shí)時性［6］。

特別是要積極地與企業(yè)對話，加強(qiáng)合作，聯(lián)合共建校外實(shí)訓(xùn)基地［7］。重構(gòu)專業(yè)課程體系，優(yōu)化專業(yè)課程內(nèi)容，強(qiáng)化相應(yīng)的實(shí)踐安排，提高專業(yè)實(shí)踐效果。

目前，我國的BIM軟件已經(jīng)具備良好的三維建模功能，也可以使用軟件的引導(dǎo)數(shù)據(jù)功能進(jìn)行三維模型的創(chuàng)建［8］。正因?yàn)榫邆淞己玫募嫒菪?，BIM軟件與全球主流繪圖軟件的數(shù)據(jù)都能對接，大大縮短了各專業(yè)和各軟件之間的建模時間，最大限度地發(fā)揮BIM+數(shù)字孿生技術(shù)在土建類專業(yè)教學(xué)中的作用。

5 土建類工程專業(yè)應(yīng)用BIM+數(shù)字孿生技術(shù)保障措施

5.1 加強(qiáng)BIM+數(shù)字孿生教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)

在加強(qiáng)專業(yè)教師隊(duì)伍建設(shè)工作過程中，通過積極引進(jìn)具備BIM技術(shù)和數(shù)字孿生技術(shù)的專業(yè)人才、強(qiáng)化在校教師新型專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)、學(xué)校教師與BIM+數(shù)字化孿生技術(shù)領(lǐng)域企業(yè)人才的交流等手段，提高土建類專業(yè)教師BIM+數(shù)字孿生技術(shù)的教學(xué)能力，打造一支專業(yè)理論基礎(chǔ)知識扎實(shí)、項(xiàng)目實(shí)操作能力過硬、專業(yè)協(xié)同經(jīng)驗(yàn)豐富的BIM+技術(shù)教育團(tuán)隊(duì)［9］。在加強(qiáng)高校BIM+數(shù)字孿生教學(xué)人才實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的培養(yǎng)工作中，通過與校外實(shí)訓(xùn)基地和相關(guān)軟件開發(fā)公司的合作和交流，可以開展一些實(shí)際項(xiàng)目培訓(xùn)，讓高校土建類專業(yè)教師參與實(shí)際項(xiàng)目，積累工程經(jīng)驗(yàn)，為教學(xué)實(shí)踐的改革提供依據(jù)［10］?；贐IM+數(shù)字孿生技術(shù)的教學(xué)模式，能提高教師的實(shí)踐能力，并不斷為高校建筑類專業(yè)BIM+數(shù)字孿生技術(shù)教育工作提供新的思路，為企業(yè)行業(yè)培養(yǎng)更多符合建筑行業(yè)數(shù)字化升級和綠色改造的BIM+數(shù)字孿生專業(yè)技術(shù)人才［11］。

5.2 建立有效的教學(xué)管理機(jī)制

目前，高職院校應(yīng)加快建立有效的教學(xué)管理機(jī)制，針對BIM+數(shù)字孿生技術(shù)相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施教學(xué)行為。根據(jù)土建工程大類中各專業(yè)、各課程的特點(diǎn)及內(nèi)容，重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容、課程體系、課程標(biāo)準(zhǔn)、考核標(biāo)準(zhǔn)以及實(shí)訓(xùn)實(shí)習(xí)標(biāo)準(zhǔn)等［12］。成立專門的BIM+數(shù)字孿生技術(shù)工作小組，對學(xué)校BIM+數(shù)據(jù)孿生技術(shù)教學(xué)工作負(fù)責(zé)，定期對各學(xué)科教師BIM+數(shù)孿生技術(shù)教學(xué)質(zhì)量和效率進(jìn)行評估，對于不合格的教學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析診斷［13］。在BIM+數(shù)字孿生技術(shù)教學(xué)過程中，各專業(yè)優(yōu)勢得到了充分的發(fā)揮，各專業(yè)教師間的溝通得到了加強(qiáng)，不同專業(yè)的教師有機(jī)會、有平臺討論研究教學(xué)方法和教學(xué)技術(shù)，管理體系也得到了完善［14］。

5.3 建立基于數(shù)字孿生技術(shù)的教學(xué)資源庫

精準(zhǔn)對接本省建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展，遵循產(chǎn)學(xué)研融合、服務(wù)產(chǎn)業(yè)升級的規(guī)律，面向當(dāng)代不斷升級的建筑企業(yè)，以智能化建筑、BIM+數(shù)字孿生技術(shù)平臺為載體，聯(lián)合省內(nèi)區(qū)域建筑企業(yè)共建BIM+數(shù)字孿生土建專業(yè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)資源庫，推進(jìn)專業(yè)教學(xué)資源全面對接行業(yè)企業(yè)真實(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)專業(yè)人才培養(yǎng)和行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈相一致，教學(xué)活動與生產(chǎn)實(shí)踐相融合，服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)，提供具備創(chuàng)新能力且高素質(zhì)的土建專業(yè)人才。

6 結(jié)語

BIM+數(shù)字孿生技術(shù)是現(xiàn)代工程人才必備的專業(yè)技能。高校土建類工程專業(yè)需要不斷改變BIM+數(shù)字孿生技術(shù)的教學(xué)模式，最大限度地應(yīng)用BIM+數(shù)據(jù)孿生技術(shù)，充分發(fā)揮其優(yōu)勢，加強(qiáng)BIM+數(shù)字孿生技術(shù)以及教學(xué)管理機(jī)制的建設(shè)，培養(yǎng)綜合實(shí)力更強(qiáng)的土建類工程專業(yè)技術(shù)人才。

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［項(xiàng)目名稱］湖南城建職業(yè)技術(shù)學(xué)院重點(diǎn)科研基金資助項(xiàng)目“基于BIM+數(shù)字孿生技術(shù)的建筑設(shè)備與系統(tǒng)智能管理平臺研究”（項(xiàng)目編號：21YJZD02）。

［作者簡介］郭怡婷，女，湖南長沙人，湖南城建職業(yè)技術(shù)學(xué)院，副教授，碩士，研究方向：建筑智能化、職業(yè)教育等。