基于BIM技術(shù)的土木工程專(zhuān)業(yè)數(shù)字化教學(xué)改革探索

馬玉彬，劉紅波，李彥蒼

（河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038）

2017年2月以來(lái)，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)［1］，倡導(dǎo)將產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的最新發(fā)展、行業(yè)對(duì)人才培養(yǎng)的最新要求引入教學(xué)過(guò)程，更新教學(xué)內(nèi)容和課程體系，建成滿(mǎn)足行業(yè)發(fā)展需要的課程和教材資源，積極推進(jìn)信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合。高等院校適時(shí)融入BIM技術(shù)進(jìn)行土木工程專(zhuān)業(yè)數(shù)字化教學(xué)改革，這不僅響應(yīng)了教育部新工科建設(shè)的號(hào)召，還是培養(yǎng)國(guó)家高素質(zhì)工程復(fù)合型人才、保障建筑行業(yè)健康發(fā)展的需要。

一、我國(guó)BIM技術(shù)推廣應(yīng)用前景

2020年8月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等部門(mén)發(fā)布《關(guān)于加快新型建筑工業(yè)化發(fā)展的若干意見(jiàn)》，明確指出大力推廣建筑信息模型（BIM）技術(shù)［2］。BIM技術(shù)已成為我國(guó)建筑行業(yè)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，其推廣與應(yīng)用對(duì)建筑行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)與科技進(jìn)步將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。目前，我國(guó)既精通土木工程專(zhuān)業(yè)知識(shí)又具備BIM技術(shù)能力的人才缺口較大，難以滿(mǎn)足建筑行業(yè)適應(yīng)新型建筑工業(yè)化發(fā)展趨勢(shì)的需求，該問(wèn)題已經(jīng)成為我國(guó)通往建筑工業(yè)化4.0時(shí)代的主要瓶頸。因此，為提高建筑工業(yè)化應(yīng)用領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的知識(shí)水平與技術(shù)能力，滿(mǎn)足建筑企業(yè)對(duì)BIM技術(shù)專(zhuān)業(yè)人才的需求，在全國(guó)高等院校中開(kāi)展融入BIM技術(shù)的土木工程專(zhuān)業(yè)數(shù)字化教學(xué)改革勢(shì)在必行。

二、BIM技術(shù)融入土木工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)的探索實(shí)踐

BIM技術(shù)的融入是現(xiàn)階段土木工程專(zhuān)業(yè)數(shù)字化教學(xué)改革的機(jī)遇，國(guó)內(nèi)各大院校陸續(xù)開(kāi)展BIM技術(shù)在土木工程專(zhuān)業(yè)教育教學(xué)體系中的探索實(shí)踐。柳鋒等［3］在土木工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)模式、教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容幾方面探討了BIM技術(shù)在高校土木工程教育中的應(yīng)用。劉紅勇等［4］分析了普通高校開(kāi)設(shè)BIM實(shí)踐教學(xué)的可行性并給出了BIM教學(xué)的內(nèi)容、目標(biāo)、方式方法等方面的建議。郝麗［5］對(duì)BIM技術(shù)融入工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)的多種可能形式進(jìn)行了積極探索。黃海生等［6］提出了土木工程專(zhuān)業(yè)BIM課程設(shè)置和師資隊(duì)伍建設(shè)的具體思路，指出了工程經(jīng)驗(yàn)是限制BIM技術(shù)應(yīng)用在高校人才培養(yǎng)中的主要障礙。邢棟等［7］分析了土木工程專(zhuān)業(yè)BIM教學(xué)改革面臨的問(wèn)題，并給出了BIM知識(shí)融入土木工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)的實(shí)施建議。孫巍巍等［8］探尋了一條以BIM模型為主線(xiàn)開(kāi)展專(zhuān)業(yè)課程協(xié)同教學(xué)改革思路，可幫助實(shí)現(xiàn)不同課程中建筑模型、結(jié)構(gòu)模型、施工模型的有效銜接。李昕［9］在新工科建設(shè)背景下探討B(tài)IM技術(shù)運(yùn)用于土木工程專(zhuān)業(yè)的教學(xué)現(xiàn)狀，并提出了專(zhuān)業(yè)課程協(xié)同教學(xué)改革思路。

綜上所述，大部分院校對(duì)BIM技術(shù)融入土木工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)體系的改革研究仍處于各自探索階段，尚未能形成系統(tǒng)的BIM技術(shù)融入土木工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，難以指導(dǎo)高等院校實(shí)施BIM技術(shù)融入土木工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)和課程體系構(gòu)建的教學(xué)改革方案。

三、BIM技術(shù)在我校土木工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

（一）構(gòu)建BIM技術(shù)課程體系

根據(jù)新工科建設(shè)要求，通過(guò)分析我校土木工程專(zhuān)業(yè)本科教學(xué)改革現(xiàn)有傳統(tǒng)知識(shí)體系，在相關(guān)課程中增加BIM技術(shù)知識(shí)，重構(gòu)傳統(tǒng)專(zhuān)業(yè)知識(shí)課程與BIM技術(shù)知識(shí)體系相融合的新工科課程體系。首先，沿用由淺入深的教學(xué)理念規(guī)劃課程體系。大一、大二階段在專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)中融入BIM技術(shù)，針對(duì)學(xué)生進(jìn)行BIM技術(shù)啟蒙認(rèn)知教學(xué)，使學(xué)生了解BIM技術(shù)的基本概念及工程應(yīng)用，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。大三階段開(kāi)設(shè)“BIM技術(shù)與應(yīng)用”課程，系統(tǒng)講授BIM軟件的操作應(yīng)用，進(jìn)而將BIM軟件和所授專(zhuān)業(yè)知識(shí)相結(jié)合，以具體工程項(xiàng)目為依托完成BIM建模和結(jié)構(gòu)分析。大四畢業(yè)設(shè)計(jì)階段，開(kāi)展BIM方向的工程項(xiàng)目施工與管理類(lèi)型畢業(yè)設(shè)計(jì)，針對(duì)實(shí)際工程案例項(xiàng)目，在方案設(shè)計(jì)、細(xì)部構(gòu)造、項(xiàng)目管理等方面采用BIM技術(shù)完成預(yù)定任務(wù)，以此提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)專(zhuān)業(yè)知識(shí)與BIM技術(shù)的整合應(yīng)用。通過(guò)以上方式，培養(yǎng)學(xué)生在學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的同時(shí)，潛移默化地熟悉并掌握BIM技術(shù)的應(yīng)用能力。

（二）成立河北工程大學(xué)BIM技術(shù)研究中心

河北工程大學(xué)BIM技術(shù)研究中心擁有Revit、Navisworks、廣聯(lián)達(dá)系列、Tekla、PKPM、品茗、鴻業(yè)等幾十種通用BIM軟件，現(xiàn)已構(gòu)建土建、鋼結(jié)構(gòu)、道路與橋梁等多個(gè)專(zhuān)業(yè)研發(fā)小組，團(tuán)隊(duì)先后開(kāi)展了BIM相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)參編、資源協(xié)同平臺(tái)搭建、關(guān)鍵技術(shù)等實(shí)踐研究，與廣聯(lián)達(dá)、鴻業(yè)、杭州品茗等多家BIM軟件公司展開(kāi)深入合作，兼顧組織BIM技能等級(jí)考試與培訓(xùn)。

（三）注重師資隊(duì)伍BIM能力建設(shè)

我院充分認(rèn)識(shí)BIM技術(shù)在建筑行業(yè)中的發(fā)展?jié)摿?，在教師的BIM能力培養(yǎng)方面給予充分的政策支持和資助。積極組建BIM教學(xué)科研團(tuán)隊(duì)，鼓勵(lì)教師參加各種BIM學(xué)術(shù)會(huì)議、講座，選拔骨干教師利用寒暑假時(shí)間集中進(jìn)行BIM應(yīng)用技能培訓(xùn)。鼓勵(lì)教師編寫(xiě)B(tài)IM技術(shù)應(yīng)用類(lèi)高校土木工程專(zhuān)業(yè)課程配套教材，通過(guò)撰寫(xiě)B(tài)IM相關(guān)教材提高教師對(duì)BIM技術(shù)的認(rèn)知與了解程度。我院教師自編《裝配式建筑中的BIM技術(shù)應(yīng)用》教材并應(yīng)用于專(zhuān)業(yè)教學(xué)，教學(xué)反饋良好。通過(guò)校企合作方式引導(dǎo)教師到企業(yè)掛職鍛煉，通過(guò)參與實(shí)際項(xiàng)目積累BIM技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，以此提升我院教師BIM技術(shù)的應(yīng)用能力。此外，我院還從企業(yè)選聘具有BIM技術(shù)的專(zhuān)業(yè)人才以校外導(dǎo)師身份指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行BIM方向的畢業(yè)設(shè)計(jì)，以此補(bǔ)充我院BIM師資隊(duì)伍。

（四）建立BIM實(shí)踐基地，探索校企產(chǎn)學(xué)協(xié)同育人模式

開(kāi)設(shè)BIM實(shí)踐基地，可以將BIM有效地融入專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)，也是完善BIM教學(xué)體系的重要環(huán)節(jié)。我院積極與企業(yè)合作，建立BIM實(shí)踐基地，充分發(fā)揮BIM軟件公司在優(yōu)質(zhì)人才資源和BIM軟件應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)和經(jīng)驗(yàn)，在企業(yè)的指導(dǎo)下共同開(kāi)發(fā)BIM教學(xué)資源，提升我院BIM技術(shù)教學(xué)水平?；贐IM實(shí)踐基地開(kāi)展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、培訓(xùn)認(rèn)證、社會(huì)服務(wù)等項(xiàng)目，推進(jìn)土木工程專(zhuān)業(yè)新工科人才培養(yǎng)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。通過(guò)組織并指導(dǎo)學(xué)生參與實(shí)際工程項(xiàng)目鍛煉，幫助學(xué)生積累BIM技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，彌補(bǔ)學(xué)生在一般實(shí)踐教學(xué)中工程案例參與不足的缺陷。目前，依托該基地已完成“雪如意”國(guó)家跳臺(tái)滑雪中心施工模擬、河北工程大學(xué)新校區(qū)三維場(chǎng)地布置與施工模擬、邯鄲市新媒體產(chǎn)業(yè)園模型搭建及施工模擬、鄂爾多斯葫蘆素煤礦儲(chǔ)煤倉(cāng)氣膜穹頂優(yōu)化設(shè)計(jì)等多項(xiàng)工程咨詢(xún)服務(wù)。培養(yǎng)出多屆學(xué)生，學(xué)生的BIM技術(shù)應(yīng)用能力受到用人單位的充分認(rèn)可。

（五）指導(dǎo)學(xué)生參加BIM類(lèi)競(jìng)賽，以賽促教

為進(jìn)一步提高學(xué)生的BIM技術(shù)應(yīng)用能力與實(shí)踐創(chuàng)新能力，我院十分重視BIM人才培養(yǎng)，鼓勵(lì)和支持學(xué)生參加全國(guó)各類(lèi)BIM競(jìng)賽。近年來(lái)，我院承辦及參加多項(xiàng)BIM類(lèi)賽事并取得優(yōu)異成績(jī)，具體情況見(jiàn)表1。通過(guò)比賽，增強(qiáng)了我校學(xué)生的創(chuàng)新與實(shí)踐能力，拓展了學(xué)生的BIM技術(shù)應(yīng)用能力，取得了良好的育人效果，實(shí)現(xiàn)了以賽促教目的。

（六）建立BIM+智慧工地實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)

河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院設(shè)有BIM+智慧工地實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)，依托該平臺(tái)將土木工程專(zhuān)業(yè)土木工程施工及工程項(xiàng)目管理等實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)與智慧工地管理功能相結(jié)合，設(shè)置具體實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，不僅有助于學(xué)生掌握先進(jìn)的生產(chǎn)管理工具和流程，而且可以提升學(xué)院實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量及行業(yè)影響力。

四、基于BIM技術(shù)的土木工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)改革實(shí)施路徑

本文整合國(guó)內(nèi)外BIM技術(shù)教育改革經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)BIM技術(shù)在土木工程專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)中的融入思路，為兄弟院校開(kāi)展土木工程專(zhuān)業(yè)數(shù)字化教學(xué)改革提供參考。

（一）理論教學(xué)課程的BIM技術(shù)融入思路

在諸如“土木工程導(dǎo)論”等先導(dǎo)課程中介紹BIM技術(shù)在當(dāng)前建筑行業(yè)的發(fā)展與應(yīng)用情況，在學(xué)生知識(shí)體系中建立BIM技術(shù)概念，為后續(xù)課程中的BIM技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行啟蒙教育；在具體工程案例講解過(guò)程中，借助BIM建模軟件Revit建立建筑三維模型，進(jìn)行立體動(dòng)態(tài)展示，使授課內(nèi)容更加生動(dòng)形象，讓學(xué)生更加直觀(guān)地感受土木工程專(zhuān)業(yè)的魅力，激發(fā)學(xué)生對(duì)土木工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)習(xí)興趣。

在“力學(xué)”課程教學(xué)中，力學(xué)問(wèn)題均來(lái)自工程結(jié)構(gòu)中構(gòu)件受力的抽象簡(jiǎn)化，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中難以理解。利用BIM技術(shù)的三維虛擬仿真及可視化特點(diǎn)建立普通力學(xué)問(wèn)題的一般實(shí)際結(jié)構(gòu)受力模型，并對(duì)受力分析進(jìn)行動(dòng)畫(huà)演示，借助BIM模型，將枯燥的力學(xué)知識(shí)點(diǎn)以案例教學(xué)形式形象直觀(guān)地展現(xiàn)出來(lái)，可幫助學(xué)生迅速理解課程中的重點(diǎn)難點(diǎn)問(wèn)題。

在諸如“土木工程CAD”等實(shí)踐性強(qiáng)的制圖類(lèi)課程中，傳統(tǒng)的教學(xué)方式是利用Auto CAD軟件進(jìn)行二維平面繪圖，不利于培養(yǎng)學(xué)生三維立體的空間思維。通過(guò)引入Revit等BIM建模軟件，培養(yǎng)學(xué)生的空間想象力以及實(shí)踐應(yīng)用能力。BIM建模軟件還具備可縮短繪圖時(shí)間、提高圖紙繪制精度與質(zhì)量等優(yōu)勢(shì)，可起到提升教師的教學(xué)水平以及培養(yǎng)學(xué)生BIM技術(shù)應(yīng)用能力的效果。

在“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”“建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”“結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)”以及“高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”等專(zhuān)業(yè)核心課程教學(xué)中，專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)晦澀難懂，不易理解?？衫肂IM建模軟件建立諸如梁板柱構(gòu)件、框架結(jié)構(gòu)、單層廠(chǎng)房，鋼屋架、空間網(wǎng)架及節(jié)點(diǎn)等三維立體模型資料庫(kù)，利用BIM技術(shù)的可視性幫助學(xué)生從空間角度觀(guān)察結(jié)構(gòu)構(gòu)造及其受力特點(diǎn)，降低專(zhuān)業(yè)課學(xué)習(xí)難度，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，進(jìn)而促進(jìn)教學(xué)順利展開(kāi)。Revit軟件建立的模型可導(dǎo)入Navisworks等軟件，實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的4D施工模擬，在施工模擬動(dòng)畫(huà)過(guò)程中，學(xué)生可清晰觀(guān)察建筑結(jié)構(gòu)由單個(gè)構(gòu)件按照傳力路徑搭建起來(lái)的過(guò)程，并了解各構(gòu)件的名稱(chēng)、空間位置及作用，加深對(duì)所學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的理解和認(rèn)識(shí)，提高理論教學(xué)的有效性。

在“工程項(xiàng)目管理”“土木工程施工”等管理屬性較強(qiáng)的課程教學(xué)中，可利用BIM的3D、4D可視化技術(shù)構(gòu)建施工動(dòng)態(tài)仿真教學(xué)模型，模擬工程項(xiàng)目的施工全過(guò)程并進(jìn)行碰撞檢查，幫助學(xué)生直觀(guān)地認(rèn)識(shí)工程項(xiàng)目的具體建造過(guò)程，讓學(xué)生對(duì)施工工序、施工方法選擇、施工現(xiàn)場(chǎng)組織等問(wèn)題有更深入的理解。結(jié)合BIM的5D技術(shù)可在BIM模型中體現(xiàn)工程項(xiàng)目各部分的工程造價(jià)及材料清單。

（二）實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的BIM技術(shù)融入思路

土木工程專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)主要包含土木工程試驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、畢業(yè)實(shí)習(xí)等環(huán)節(jié)。在土木工程試驗(yàn)教學(xué)中，可依靠BIM三維建模軟件和VR技術(shù)構(gòu)建虛擬仿真試驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可進(jìn)行一般結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的基本實(shí)驗(yàn)過(guò)程模擬，以及演示一般結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的應(yīng)力分析和破壞過(guò)程。虛擬仿真試驗(yàn)教學(xué)豐富了試驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)涵和手段，并可形成常規(guī)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)和數(shù)值試驗(yàn)相融合的創(chuàng)新試驗(yàn)教學(xué)模式，全面激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

在課程設(shè)計(jì)中可運(yùn)用BIM建模軟件直接生成三維立體結(jié)構(gòu)模型，再由三維結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)出建筑結(jié)構(gòu)的二維平面、立面及剖面圖，采用該方法可避免學(xué)生由于空間思維不足導(dǎo)致的二維平面繪圖細(xì)節(jié)錯(cuò)誤?？稍诋厴I(yè)設(shè)計(jì)中增設(shè)BIM方向的任務(wù)課題，以實(shí)踐任務(wù)的形式模擬解決實(shí)際工程項(xiàng)目中建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工管理問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用BIM技術(shù)的能力。

將BIM技術(shù)引入認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)，構(gòu)建基于BIM技術(shù)的多種類(lèi)型工程案例教材庫(kù)。通過(guò)觀(guān)看基于BIM虛擬仿真技術(shù)的建筑施工全過(guò)程模擬，幫助學(xué)生對(duì)建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)造、施工工藝等形成初步認(rèn)識(shí)。在生產(chǎn)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)引入BIM技術(shù)，設(shè)立建筑工程項(xiàng)目網(wǎng)絡(luò)施工模擬實(shí)驗(yàn)室，可以生動(dòng)形象地還原施工現(xiàn)場(chǎng)以及過(guò)程控制，使學(xué)生直觀(guān)感受工程的動(dòng)態(tài)變化。還可在畢業(yè)實(shí)習(xí)階段通過(guò)BIM軟件進(jìn)行工程項(xiàng)目建模和4D虛擬施工演示，通過(guò)訓(xùn)練學(xué)生對(duì)施工工程和施工工藝的實(shí)際模擬操作，提高學(xué)生對(duì)實(shí)習(xí)內(nèi)容的認(rèn)識(shí)和綜合運(yùn)用能力。

結(jié)語(yǔ)

在新工科建設(shè)背景下，我國(guó)高等院校開(kāi)展基于BIM技術(shù)的土木工程專(zhuān)業(yè)數(shù)字化教學(xué)改革已經(jīng)成為發(fā)展趨勢(shì)，土木工程專(zhuān)業(yè)作為建筑行業(yè)復(fù)合型人才的輸送來(lái)源，培養(yǎng)具有BIM技術(shù)能力的土木工程專(zhuān)業(yè)人才已迫在眉睫。各高校應(yīng)緊跟建筑工業(yè)化4.0時(shí)代發(fā)展方向，加快BIM技術(shù)融入土木工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)改革的探索與實(shí)踐，盡快形成融入BIM技術(shù)的土木工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)體系，為我國(guó)建筑行業(yè)的發(fā)展輸送更多優(yōu)質(zhì)人才。