在橋梁工程生產(chǎn)實習(xí)中嵌入BIM實訓(xùn)的教學(xué)探索

張迅 姚昌榮 李小珍 肖林 何畏 占玉林

doi：10.11835/j.issn.1005-2909.2024.03.020

歡迎按以下格式引用：張迅，姚昌榮，李小珍，等.在橋梁工程生產(chǎn)實習(xí)中嵌入BIM實訓(xùn)的教學(xué)探索［J］.高等建筑教育，2024，33（3）：163-170.

修回日期：2022-02-17

基金項目：2021年教育部第一批產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目（202101304006）

作者簡介：張迅（1985—），男，西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院教授，博士，主要從事土木工程研究，（E-mail）zhxunxun@swjtu.edu.cn。

摘要：為解決當(dāng)前橋梁工程生產(chǎn)實習(xí)中教學(xué)效果不佳、橋梁BIM人才缺乏等問題，西南交通大學(xué)嘗試將BIM實訓(xùn)嵌入橋梁工程生產(chǎn)實習(xí)中。通過對國內(nèi)外BIM課程設(shè)置情況進(jìn)行調(diào)研，提出了橋梁工程生產(chǎn)實習(xí)的教學(xué)改革目標(biāo)?；谠撃繕?biāo)，探索了橋梁工程生產(chǎn)實習(xí)改革的實施方案、題目設(shè)置和考核評價方式。通過分析2016—2018級學(xué)生的BIM實訓(xùn)成果，總結(jié)了教學(xué)改革的優(yōu)點和不足。實踐表明，改革后的生產(chǎn)實習(xí)，大幅提高了學(xué)生的BIM應(yīng)用水平，同時提升了學(xué)生的主觀能動性，激發(fā)了學(xué)生的科創(chuàng)能力，具有較好的教學(xué)實踐效果。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù)；橋梁工程；生產(chǎn)實習(xí)；教學(xué)探索

中圖分類號：G642.0? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號：1005-2909（2024）03-0163-08

生產(chǎn)實習(xí)是橋梁工程專業(yè)實踐教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，其教學(xué)效果將直接影響后續(xù)大四課程學(xué)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計的質(zhì)量［1-3］。傳統(tǒng)的生產(chǎn)實習(xí)教學(xué)模式存在較多需要改進(jìn)的問題。一是教學(xué)內(nèi)容覆蓋面窄，無法形成對建造材料、結(jié)構(gòu)體系和施工方法等相關(guān)內(nèi)容的整體把握。二是無法打通規(guī)劃、設(shè)計、施工、運維等全生命周期。三是實習(xí)模式落后，“走馬觀花”式教學(xué)現(xiàn)象突出。四是實習(xí)條件艱苦，實習(xí)工點難以獲得，學(xué)生組織難度大。五是考核體系單一，評價不全面，難以形成對學(xué)生個體的客觀考核。

BIM是以參數(shù)化的方式將信息整合于建筑模型，以實現(xiàn)建筑工程的信息化、可視化和協(xié)調(diào)性。將大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)與設(shè)計、施工、管養(yǎng)等緊密結(jié)合后，BIM可實現(xiàn)信息資源共享以解決建筑工程全生命周期管理問題。當(dāng)前，用人單位對BIM人才的需求逐年提高，高校土木工程專業(yè)迫切需要將BIM技術(shù)融入現(xiàn)有的人才培養(yǎng)體系中，以培養(yǎng)學(xué)生全局的BIM知識體系［4］。新形勢下，傳統(tǒng)橋梁工程生產(chǎn)實習(xí)教學(xué)模式逐漸不能適應(yīng)學(xué)科發(fā)展的需求，對實踐教學(xué)的革新探索勢在必行，BIM實訓(xùn)為橋梁工程生產(chǎn)實習(xí)教學(xué)提供了新的視角。

一、土木工程專業(yè)課程體系中的BIM元素

（一） 國內(nèi)外代表性高校

在土木工程專業(yè)現(xiàn)有的課程體系中，國內(nèi)外高校開設(shè)了一部分與計算機(jī)相關(guān)的課程。例如，CAD與BIM技術(shù)、計算機(jī)圖形學(xué)和工程制圖與CAD等。但是，隨著社會對BIM人才的需求日益增加，將BIM技術(shù)融入土建領(lǐng)域各專業(yè)的課程體系中已迫在眉睫［5］。

國外高校的BIM人才培養(yǎng)措施主要包括開設(shè)BIM課程，在研究生階段設(shè)置BIM研究方向和組織BIM學(xué)生競賽等［6］。美國高校在BIM教育方面起步較早，其建立的課程體系較為成熟。為此，文章對美國代表性高校的課程設(shè)置情況進(jìn)行了調(diào)研，匯總情況如表1所示。調(diào)研發(fā)現(xiàn)美國高校并非局限于通過單門課程介紹BIM的基本概念，而是將BIM思維滲透到專業(yè)課程中，使學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)知識的同時接受BIM理念，并最終應(yīng)用在實際工作中。

我國高校設(shè)置BIM課程一般采取三種方式：（1）開設(shè)單獨的BIM課程；（2）對現(xiàn)有專業(yè)課程進(jìn)行改革，在每門課程的核心內(nèi)容中添加BIM元素；（3）上述兩種措施的結(jié)合［15］。國內(nèi)高校的BIM相關(guān)課程設(shè)置如表2所示。

總體而言，我國高校主要通過第二種措施設(shè)置BIM課程。由于土木工程學(xué)科具有較強(qiáng)的應(yīng)用性，在沒有相關(guān)專業(yè)課程配合的情況下，如單獨講授BIM課程，學(xué)生無法將BIM技術(shù)與工程應(yīng)用相聯(lián)系，無法熟練掌握和靈活運用。但是，現(xiàn)有的專業(yè)核心課程已經(jīng)涵蓋了大量知識內(nèi)容，若再將BIM融入課程教學(xué)中，則無法完成原有的教學(xué)任務(wù)。因此，探尋將BIM實訓(xùn)嵌入短學(xué)期暑期實習(xí)中，如在第6學(xué)期結(jié)束時嵌入，可以有效解決上述問題，并保障其他專業(yè)課程教學(xué)任務(wù)的順利完成。

（二） 西南交通大學(xué)

西南交通大學(xué)的土木工程專業(yè)培養(yǎng)方案將傳統(tǒng)的制圖基礎(chǔ)課程作為人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。在第一學(xué)年開設(shè)了土木工程制圖課程（4學(xué)分，必修課），以講授與上機(jī)結(jié)合的方式開展教學(xué)，其教學(xué)目標(biāo)主要是培養(yǎng)學(xué)生繪制和閱讀建筑工程圖的能力。但是，在教學(xué)實踐中存在內(nèi)容多、課程學(xué)時不足、教學(xué)方式死板，以及學(xué)生的空間想象能力差等問題。為了解決上述問題，西南交通大學(xué)在第一學(xué)年結(jié)束后，開設(shè)了計算機(jī)繪圖實習(xí)課程，通過繪制具體案例的工程圖，強(qiáng)化學(xué)生的CAD實操技能。同時，學(xué)院鼓勵教師將BIM融入專業(yè)核心課的課堂教學(xué)中。例如，在鋼橋及其組合結(jié)構(gòu)橋梁課程中，將BIM與VR技術(shù)融入鋼結(jié)構(gòu)橋梁課程實踐環(huán)節(jié)；在橋梁建造技術(shù)課程中，基于BIM對橋梁施工過程進(jìn)行4D模擬；在橋梁結(jié)構(gòu)CAD與BIM技術(shù)課程中，介紹BIM在橋梁工程中的基本應(yīng)用和橋梁BIM模型的建立步驟等。

除土木工程專業(yè)外，西南交通大學(xué)還設(shè)置了智能建造專業(yè)，首批智能建造專業(yè)的學(xué)生已經(jīng)于2021年9月入學(xué)。智能建造專業(yè)旨在引導(dǎo)學(xué)生掌握計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、機(jī)械工程、土木工程，以及工程管理等學(xué)科的基本原理和基本方法，培養(yǎng)能夠運用跨學(xué)科相關(guān)知識解決土木工程問題的人才。相較于土木工程專業(yè)，智能建造專業(yè)更加注重學(xué)生BIM理念的培養(yǎng)。為此，專門開設(shè)了BIM技術(shù)及其工程應(yīng)用相關(guān)課程，且課程性質(zhì)為必修，具體情況如表3所示。

二、嵌入BIM實訓(xùn)的橋梁工程生產(chǎn)實習(xí)

（一） 改革目標(biāo)

橋梁工程生產(chǎn)實習(xí)的內(nèi)容主要包括以下四方面：（1）橋梁工程中不同部位的構(gòu)造、施工方法和技術(shù)等；（2）不同企業(yè)的組織架構(gòu)和分工，尤其是施工項目經(jīng)理部的組成、管理模式、施工項目成本的控制，以及生產(chǎn)要素的管理等；（3）施工過程質(zhì)量控制、工程質(zhì)量檢驗和驗收標(biāo)準(zhǔn)等；（4）實際工程中的新結(jié)構(gòu)、新工藝、新材料，以及現(xiàn)代化管理方法等。教學(xué)方法主要是學(xué)生在老師的指導(dǎo)下，參與或者深入現(xiàn)場觀摩工程建造中的施工和管理，在現(xiàn)場技術(shù)或管理人員的指導(dǎo)下，獲取工程設(shè)計、施工和管理等方面的知識。

基于西南交通大學(xué)現(xiàn)有的橋梁工程實踐教學(xué)體系，開展BIM實踐教學(xué)改革創(chuàng)新的目標(biāo)包括以下四方面：（1）建立基于BIM技術(shù)的生產(chǎn)實習(xí)教學(xué)平臺；（2）加強(qiáng)教師BIM實踐教學(xué)水平；（3）培養(yǎng)具有BIM理念的行業(yè)人才；（4）打造示范實習(xí)隊，建設(shè)一流專業(yè)。該教學(xué)改革的意義在于，采用“現(xiàn)實+虛擬”相結(jié)合的混合式教學(xué)方法，將BIM技術(shù)的應(yīng)用引入生產(chǎn)實習(xí)的教學(xué)環(huán)節(jié)中，增強(qiáng)學(xué)生對橋梁工程學(xué)科系統(tǒng)化的理解，提升綜合素質(zhì)和實踐應(yīng)用能力，從而滿足社會需求。

（二） 實施方案

新的橋梁工程生產(chǎn)實習(xí)實施方案增加了BIM實訓(xùn)環(huán)節(jié)，其流程如圖1所示。教師在課堂講授BIM基礎(chǔ)理論及應(yīng)用后，提供部分優(yōu)秀示例作品給學(xué)生參考，并將橋梁設(shè)計圖分發(fā)給各個小組（每組4～6人），讓學(xué)生根據(jù)土木工程制圖課程中學(xué)習(xí)到的基本知識進(jìn)行識圖，示例作品如圖2所示。首先，學(xué)生完成建模思路的梳理后，創(chuàng)建案例橋梁的族構(gòu)件，借助軸網(wǎng)與標(biāo)高，以“搭積木”的形式將每一個族構(gòu)件搭建為全橋模型。其次，使用Lumion軟件對案例橋梁進(jìn)行渲染，以視頻的形式實現(xiàn)對橋梁的漫游。最后，展示設(shè)計方案并進(jìn)行成果答辯，由教師對學(xué)生提交的BIM三維模型進(jìn)行評價和反饋。

總體而言，BIM實訓(xùn)培養(yǎng)了學(xué)生用圖紙聯(lián)系實際工程項目的空間想象能力。同時，學(xué)生通過將AutoCAD、Revit和Lumion等軟件的應(yīng)用方法與土木工程制圖、橋梁工程等課程的理論知識相結(jié)合，有效提升了實踐應(yīng)用和團(tuán)結(jié)協(xié)作能力。

（三） 題目設(shè)置

在BIM設(shè)計選題方面，主要考慮同類型高速公路跨線橋、代表性橋型。針對不同橋型，提供了多種類別的題目，如表4所示。一般采取教師隨機(jī)分配題目的形式，保證每一種橋型的選題都有學(xué)生參與。

（四） 考核方式

BIM實訓(xùn)的評價標(biāo)準(zhǔn)主要由BIM模型的完整性、渲染效果、視頻展示，以及PPT制作等構(gòu)成，滿分為100分。成績由中期檢查和最終成果答辯兩部分組成。其中，中期檢查占20分，BIM模型的完整性和渲染效果各占30分，視頻展示和PPT制作各占10分。模型要求橋梁各個構(gòu)件的尺寸與CAD圖紙一致，各個構(gòu)件完整且放置位置準(zhǔn)確，三維模式能真實地展示實際工程。渲染效果要求橋梁美觀性，橋梁色彩與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)一致。成果答辯要求學(xué)生介紹建模思路、軟件關(guān)鍵操作和工作分配情況等。為減少學(xué)生相互抄襲模型的情況，教師需對學(xué)生提交的模型進(jìn)行抽查。

（五） 教學(xué)實踐

西南交通大學(xué)2016—2018級橋梁工程系600余名學(xué)生參與了改革后的生產(chǎn)實習(xí)。學(xué)生圍繞任務(wù)目標(biāo)對Revit、Lumion等軟件進(jìn)行學(xué)習(xí)，以BIM設(shè)計的方式實現(xiàn)對知識點的串聯(lián)，完成了理論與工程實踐的有機(jī)結(jié)合。學(xué)生提交的部分作品如圖3所示。總體而言，大部分學(xué)生能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，熟練掌握軟件操作方法，建立的橋梁BIM模型結(jié)構(gòu)完整，能夠?qū)蛄喝S模型還原。但是，少部分學(xué)生的作品存在美觀性較差、橋址周圍環(huán)境與設(shè)計書不一致、橋梁色彩與周圍環(huán)境不協(xié)調(diào)等問題。

傳統(tǒng)橋梁設(shè)計主要根據(jù)設(shè)計者的工程經(jīng)驗和相似的既有橋梁進(jìn)行尺寸的擬定，并通過繪制CAD圖紙以一種二維方式呈現(xiàn)設(shè)計方案，這種方式的可視化相對較差，難以滿足橋梁美觀性的要求。學(xué)生通過應(yīng)用三維BIM建模軟件，為橋梁概念設(shè)計提供了一種新思路。通過建立橋梁BIM模型并借助Lumion對橋梁進(jìn)行渲染，可以讓模型更直觀地展示，讓學(xué)生能夠投入實際橋梁環(huán)境中進(jìn)行觀察和設(shè)計，進(jìn)而不斷優(yōu)化設(shè)計，提升整體工程素養(yǎng)。

三、教學(xué)效果與學(xué)生反饋

對西南交通大學(xué)2016—2018級橋梁工程系生產(chǎn)實習(xí)教學(xué)中BIM實訓(xùn)部分的學(xué)年成績進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果顯示：2016級平均成績?yōu)?2.8分，2017級平均成績?yōu)?9.6分，2018級平均成績?yōu)?5.6分。學(xué)生成績逐年提高的原因主要包括兩方面。一方面，由于在課堂教學(xué)中引入了BIM相關(guān)知識，應(yīng)用了BIM相關(guān)軟件，提高了學(xué)生運用BIM技術(shù)的能力。另一方面，近年來學(xué)院鼓勵教師將BIM融入專業(yè)核心課程中，提升了學(xué)生的BIM學(xué)習(xí)意識。

為了解學(xué)生對于生產(chǎn)實習(xí)改革效果的滿意度，對600余名學(xué)生進(jìn)行了問卷調(diào)查，統(tǒng)計結(jié)果如圖4所示。其中，81.2%的學(xué)生認(rèn)為將BIM技術(shù)引入橋梁生產(chǎn)實習(xí)，有效提高了識圖能力，增強(qiáng)了對橋梁結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，達(dá)到了教學(xué)目標(biāo)；12.8%的學(xué)生認(rèn)為課程教學(xué)方式需進(jìn)行一定的調(diào)整，應(yīng)該更加強(qiáng)化過程考核，并增加相應(yīng)的學(xué)時，教學(xué)效果一般；6%的學(xué)生認(rèn)為和傳統(tǒng)的橋梁工程生產(chǎn)實習(xí)教學(xué)方式無本質(zhì)區(qū)別。綜上所述，將BIM實訓(xùn)嵌入橋梁工程生產(chǎn)實習(xí)中，能夠有效調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力。

近年來，西南交通大學(xué)舉辦了BIM證書考試培訓(xùn)班、全國大學(xué)生OpenBIM競賽、土木科技月BIM競賽等，為學(xué)生更好地完成BIM實訓(xùn)環(huán)節(jié)營造了濃厚的氛圍。BIM實訓(xùn)有助于學(xué)生在重量級學(xué)科競賽中取得較好的成績。以2021年為例，在第十四屆全國大學(xué)生先進(jìn)成圖技術(shù)與產(chǎn)品信息建模創(chuàng)新大賽中，西南交通大學(xué)取得了團(tuán)體類比賽一等獎4項、二等獎2項、三等獎2項，BIM創(chuàng)新應(yīng)用賽一等獎1項、二等獎3項，基礎(chǔ)知識賽一等獎3項、二等獎3項、三等獎1項以及輕量化設(shè)計三等獎1項，共計20項獎項。

四、結(jié)語

培養(yǎng)具有BIM理念和應(yīng)用能力的土木工程專業(yè)人才已迫在眉睫。西南交通大學(xué)順應(yīng)時代發(fā)展對橋梁工程生產(chǎn)實習(xí)進(jìn)行了改革，將BIM實訓(xùn)嵌入橋梁工程生產(chǎn)實習(xí)中，以期培養(yǎng)具有扎實BIM基礎(chǔ)理論、實踐能力強(qiáng)的土木工程創(chuàng)新人才。實踐表明，學(xué)生的BIM應(yīng)用水平大幅提高，工程實踐和創(chuàng)新能力得以增強(qiáng)，教學(xué)效果良好。西南交通大學(xué)圍繞BIM實訓(xùn)展開的生產(chǎn)實習(xí)改革探索，可為正在進(jìn)行實踐教學(xué)改革的相關(guān)高校提供借鑒。

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Education exploration of embedding BIM training in bridge engineering production practice

ZHANG Xun， YAO Changrong， LI Xiaozhen， XIAO Lin， HE Wei， ZHAN Yulin

（School of Civil Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， P.R.China）

Abstract： To solve the current problems of poor education effectiveness in bridge engineering production practice and lack of bridge BIM talents， Southwest Jiaotong University tries to embed BIM training in bridge engineering production practice. By investigating the arrangement of domestic and foreign BIM courses， the education reform objective is proposed. Based on the objective， the implementation plan， exercise program and assessment method in bridge engineering production practice reform are explored. The advantages and disadvantages of the education reform are summarized by analyzing the BIM training reports submitted by students enrolled in 2016-2018. Results show that with the help of the education reform， the BIM application level of students is greatly improved. At the same time， it enhances students subjective initiative， stimulates their scientific innovation ability， and achieves good effect in practice.

Key words： BIM technology; bridge engineering; production practice; education exploration

（責(zé)任編輯? 代小進(jìn)）