面向智能建造專業(yè)發(fā)展需求的實驗室建設(shè)與探索

關(guān)鍵詞：智能建造；實驗室建設(shè)；信息化；實驗教學(xué)；建設(shè)成效

中圖分類號：G640" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2096-000X（2025）18-0007-05

Abstract： Intelligent construction， facing to the development needs of new engineering disciplines， has developed rapidly in Chinese civil engineering colleges. And it has achieved preliminary effect in both the discipline construction and its overall plan. However， the laboratory， the core support of professional development， is still lack of construction experience， causing dissatisfaction with the professional teaching practice. Thus， this paper combs the overall construction plan of the laboratory， based on the development of the intelligent construction. The key problems are analyzed during the construction process with the intelligent construction laboratory of Qingdao University of Technology as a case. And its key construction achievements are summarized， which can provide reference for the intelligent construction laboratories construction and further promote its development.

Keywords： intelligent construction; lab construction; informatization; experimental teaching; construction result

建筑業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的支柱行業(yè)，是國民生產(chǎn)總值的主要貢獻(xiàn)力量。然而，在信息化、工業(yè)化的迅猛發(fā)展大背景之下，建筑業(yè)仍存在生產(chǎn)方式粗放、資源消耗高、生產(chǎn)效率低等問題[1]。信息化促建筑業(yè)轉(zhuǎn)型是實現(xiàn)建筑業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必然選擇，也得到了政府倡導(dǎo)和行業(yè)支持。2020年7月，《住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等部門關(guān)于推動智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見》[2]，表明智能建造將成為未來行業(yè)發(fā)展的核心方向，加快專業(yè)建設(shè)和人才培養(yǎng)成為高校土建類專業(yè)的重中之重。

鑒于學(xué)科發(fā)展需要，大量專家學(xué)者對智能建造專業(yè)進(jìn)行了宏觀層面研究。丁烈云院士[3]給出了智能建造定義，并指出“三算＋三化”可有效推動建筑業(yè)變革。劉占省等[4]綜述了智能建造在土木工程施工中的應(yīng)用，為智能建造人才培養(yǎng)提供需求借鑒。尤志嘉等[5]結(jié)合智能建造研究進(jìn)展，梳理了智能建造研究理論體系，推進(jìn)其工程應(yīng)用。順應(yīng)行業(yè)發(fā)展需求，各大高校相繼成功獲批智能建造專業(yè)。2017年，同濟(jì)大學(xué)成為國內(nèi)外第一所開設(shè)智能建造專業(yè)的高校。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2023年，全國開設(shè)智能建造專業(yè)本科院校達(dá)109所。牛恒茂等[6]對智能建造專業(yè)人才需求及市場現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)研，并從人才培養(yǎng)的頂層設(shè)計、課程體系設(shè)置及教學(xué)與實踐條件等方面給出專業(yè)人才培養(yǎng)的建設(shè)路徑。劉世平等[7]根據(jù)智能建造專業(yè)特點(diǎn)，提出了實踐類教學(xué)方案。

智能建造專業(yè)建設(shè)和發(fā)展規(guī)劃基本形成，作為專業(yè)培養(yǎng)的核心支撐，實驗室建設(shè)仍缺乏參考經(jīng)驗。占玉林等[8]結(jié)合學(xué)校優(yōu)勢學(xué)科基礎(chǔ)，開展了基于虛擬仿真手段的智能建造實驗教學(xué)探索，提供了良好的發(fā)展方向。在工程應(yīng)用領(lǐng)域AR智慧識圖[9]、BIM+IOT[10]、智慧化工地等先進(jìn)技術(shù)快速發(fā)展，為智能建造實驗室建設(shè)提供有利支撐。姜喜迪等[11]介紹了支撐一流學(xué)科的實驗中心建設(shè)，并指出實驗中心對學(xué)科發(fā)展的關(guān)鍵作用。來志慶等[12]從多角度介紹了海洋地球科學(xué)實驗教學(xué)示范中心建設(shè)實踐，并論述了其對專業(yè)發(fā)展和學(xué)生培養(yǎng)的支撐。上述研究表明，實驗室建設(shè)是學(xué)科發(fā)展的必經(jīng)之路，應(yīng)根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)加快智能建造實驗室建設(shè)。

一" 智能建造實驗室建設(shè)背景

（一）" 智能建造專業(yè)介紹

青島理工大學(xué)土木工程源于青島禮賢中學(xué)1931年設(shè)置的高級工程科，歷史悠久、底蘊(yùn)雄厚。經(jīng)過多年建設(shè)和發(fā)展，土木工程是“泰山學(xué)者優(yōu)勢特色學(xué)科”、山東省“一流學(xué)科”和“高峰學(xué)科”建設(shè)學(xué)科，教育部第四輪學(xué)科評估B級、位列山東省屬高校第一，2020年軟科“中國最好學(xué)科排名”前20%[13]。土木工程學(xué)科除保持傳統(tǒng)特色外，緊扣時代潮流，與工業(yè)化、信息化交叉融合。2014年，青島理工大學(xué)在中央支持地方高校專向資金的支持下，成立BIM協(xié)同創(chuàng)新中心。中心開展了大量的學(xué)術(shù)研究、教學(xué)培訓(xùn)及社會服務(wù)，同時也帶動了土木工程邁向信息化發(fā)展，為智能建造專業(yè)設(shè)立奠定了重要基礎(chǔ)。

順應(yīng)新工科發(fā)展趨勢，2018年，學(xué)校黨委決定由土木工程學(xué)院牽頭，其他相關(guān)學(xué)院配合，申請增設(shè)智能建造專業(yè)。土木工程學(xué)院組建專業(yè)團(tuán)隊赴同濟(jì)大學(xué)進(jìn)行調(diào)研，經(jīng)過周密準(zhǔn)備，獲批教育部第二批智能建造專業(yè)。2019年，智能建造專業(yè)開始招收本科生，招生規(guī)模60人/年。與此同時，開始廣泛引進(jìn)具有土木背景的師資，并整合校內(nèi)師資，組建智能建造教研室。

（二）" 智能建造實驗教學(xué)

相比理論課教學(xué)，實驗教學(xué)需要實驗平臺支撐。土木工程學(xué)院在結(jié)構(gòu)、巖土、軌道交通和材料科學(xué)等方向具備較為完善的實驗教學(xué)條件。然而，現(xiàn)有實驗室不能滿足智建類實驗要求，造成智能建造專業(yè)的實驗課仍以土工綜合實驗為主，穿插部分虛擬仿真實驗。鑒于上述問題，利用原有基礎(chǔ)建立滿足實驗及實踐教學(xué)的智能建造實驗室迫在眉睫。經(jīng)過多輪協(xié)調(diào)、走訪調(diào)研，確定智能建造實驗教學(xué)定位為傳統(tǒng)土木實驗基本原理+先進(jìn)建造、測試技術(shù)，同時還要涉及大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)知識的延伸體驗，最終確定實驗室初期建設(shè)應(yīng)滿足如下要求：

第一，以BIM為主導(dǎo)的結(jié)構(gòu)設(shè)計施工信息化教學(xué)。

第二，以GIS為主導(dǎo)的智慧城市延伸升級化教學(xué)。

第三，以3D打印為主導(dǎo)的先進(jìn)建造實操化教學(xué)。

第四，以混合現(xiàn)實為主導(dǎo)的情景體驗化教學(xué)。

2021年，依托山東省財政基金，學(xué)院配套部分資金，啟動智能建造實驗室一期建設(shè)。學(xué)院院長、書記主抓，抽調(diào)土木工程智慧建造科研創(chuàng)新團(tuán)隊骨干教師全職負(fù)責(zé)整個建設(shè)過程，歷時6個月左右，完成了實驗室建設(shè)，實驗室建成后如圖1所示。

二" 智能建造實驗室建設(shè)實施

建設(shè)初期，建設(shè)團(tuán)隊通過線上線下相結(jié)合的方式進(jìn)行調(diào)研，線上學(xué)習(xí)了北京建筑大學(xué)等國內(nèi)知名高校智能建造實驗室建設(shè)方案，北京建筑大學(xué)建筑VR、AR實現(xiàn)了工地安全的情景式體驗，借助BIMVR一體機(jī)、曲面屏實現(xiàn)工程建造5D管理。對山東水利職業(yè)學(xué)院的智慧工地實訓(xùn)基地進(jìn)行實地考察調(diào)研，該校更加注重硬件實訓(xùn)建設(shè)，將現(xiàn)行智慧化工地進(jìn)行分模塊設(shè)計并置入室內(nèi)，如圖2所示。建設(shè)團(tuán)隊梳理了已有專業(yè)建設(shè)校外資源，與中建八局第一數(shù)字科技有限公司、山東青建智慧建筑科技有限公司等信息化施工類企業(yè)進(jìn)行了工地、信息化管理等方面的探討，與廣聯(lián)達(dá)科技股份有限公司、品茗科技股份有限公司等數(shù)字化軟件公司進(jìn)行信息化設(shè)計方面的交流。最終，結(jié)合智能建造專業(yè)培養(yǎng)方案要求，制定了明確的建設(shè)思路和詳細(xì)的建設(shè)方案。

（一）" 建設(shè)思路

通過對國家、省、市三級政策分析，結(jié)合智能建造發(fā)展現(xiàn)狀，制定了“政策驅(qū)動、校內(nèi)創(chuàng)新、合作共贏”的建設(shè)理念。實驗室建設(shè)完成后，滿足智能建造專業(yè)教學(xué)，帶動學(xué)科學(xué)校發(fā)展，逐步建設(shè)成為青島市乃至山東省重點(diǎn)實驗室。

1" 學(xué)科交叉，整合校內(nèi)資源打造實驗室特色

結(jié)合青島理工大學(xué)學(xué)科特點(diǎn)和智能建造交叉要求，制定了“一軸兩線”式校內(nèi)分階段分步驟的交叉發(fā)展思路，如圖3所示。以土木工程為主軸，向下延伸出技術(shù)和管理兩條線，從而實現(xiàn)智能建造升級變革。青島理工大學(xué)建筑學(xué)院建設(shè)有數(shù)字構(gòu)建實驗室，該實驗室擁有先進(jìn)的建造機(jī)器人，實驗室團(tuán)隊教師具有扎實的數(shù)字構(gòu)建算法基礎(chǔ)，工程管理學(xué)院建設(shè)有數(shù)字化管理實驗室，擁有多套數(shù)字化管理軟件，且擁有先進(jìn)的工程管理沙盤。初級階段，通過與建筑、工程管理學(xué)院的交叉融合，理清數(shù)字化建造基本需求、構(gòu)建數(shù)字化建造基本范式。第二階段，通過與機(jī)械學(xué)院和控制學(xué)院深度融合，逐步實現(xiàn)智能化生產(chǎn)建造。最終，當(dāng)數(shù)據(jù)量積累到一定量級，通過與商學(xué)院和人文學(xué)院深度融合，借助大數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)行業(yè)賦能和產(chǎn)業(yè)升級。上述思路，集合了全?；A(chǔ)力量實現(xiàn)智能建造專業(yè)建設(shè)，奠定了實驗室建設(shè)基本方向，同時，也以土木工程為主反向帶動全校相關(guān)專業(yè)發(fā)展。

2" 校企合作，凝聚社會力量沖擊重點(diǎn)實驗室

青島理工大學(xué)常年致力于土木工程信息化研究，秉承“產(chǎn)學(xué)研用”相結(jié)合的思想，與青島市乃至山東省行業(yè)龍頭企業(yè)建立了良好的合作基礎(chǔ)。遴選企業(yè)技術(shù)專家搭建校外師資庫，通過擔(dān)任就業(yè)指導(dǎo)教師（圖4（a））、兼職碩導(dǎo)、產(chǎn)業(yè)教授的方式參與智能建造專業(yè)建設(shè)，并為專業(yè)發(fā)展提供寶貴意見。實驗室建設(shè)規(guī)劃階段，考慮中建八局第一數(shù)字科技有限公司、山東青建智慧建筑科技有限公司在BIM技術(shù)、智能建造等方面積累的寶貴經(jīng)驗和良好的硬件基礎(chǔ)；考慮廣聯(lián)達(dá)科技股份有限公司、品茗科技股份有限公司等在管理平臺、數(shù)字化軟件方面的優(yōu)勢，以“初步協(xié)議—中期基地—長期共建”的合作模式，廣泛開展合作（圖4（b））。通過上述方式，豐富和拓寬了實驗室基礎(chǔ)條件。凝心聚力，力求在五年之內(nèi)獲批青島市重點(diǎn)實驗室，沖擊山東省重點(diǎn)實驗室。

（二）" 實施過程

1" 實驗室整體設(shè)計

擬建設(shè)實驗室位于青島理工大學(xué)嘉陵江路校區(qū)敦華樓2樓，建筑面積約140 m2。結(jié)合前期走訪調(diào)研及實驗教學(xué)要求，實驗室功能要同時滿足教學(xué)、研討及展示三部分功能。因此，實驗室劃分為教學(xué)區(qū)和展示區(qū)，其中以教學(xué)區(qū)為主，展示區(qū)為輔，如圖5所示。教學(xué)區(qū)兼顧考慮大學(xué)生各類信息化比賽及本校BIM社團(tuán)活動，將其設(shè)置為六角圓桌，便于學(xué)生研討。本實驗室是按照小班化教學(xué)設(shè)置，單次容納學(xué)生為24人，緊急情況下可在展示區(qū)加設(shè)板凳，增大單次學(xué)生容量。

2" 實驗室文化墻設(shè)計

智能建造實驗室建設(shè)受到學(xué)校學(xué)院的高度重視，建設(shè)完成后必定是學(xué)校的重點(diǎn)展示窗口，其文化設(shè)計意義重大?？紤]充分利用實驗室空間，將房間內(nèi)墻面做成文化墻，如圖1（a）所示。其中，南側(cè)墻作為智能建造實驗室的主展示墻，主要介紹智能建造實驗室發(fā)展沿革。東側(cè)墻為智能建造文化展示墻，重點(diǎn)宣傳實驗室定位及學(xué)院智能建造創(chuàng)新成果（成果區(qū)域后期更新），如圖6所示。學(xué)院發(fā)動本科生創(chuàng)新思維，在智能建造專業(yè)收集標(biāo)語，最終智建2020級同學(xué)設(shè)計的“智能創(chuàng)新 建造未來”成功入選。展示墻重點(diǎn)展示區(qū)域均設(shè)置燈帶，內(nèi)容均可更換，展示墻下側(cè)邊緣設(shè)置為微型展臺，用于小型設(shè)備的展出。西側(cè)墻定制整體櫥柜，用于小型設(shè)備的存放、實驗室零星物品存放。

3" 軟硬件安裝

軟硬件安裝是本次實驗室建設(shè)的核心工作，需要詳細(xì)規(guī)劃。加之新冠病毒感染疫情的影響，部分軟硬件安裝需要借助線上線下相結(jié)合的方式實現(xiàn)。實驗室建設(shè)團(tuán)隊重新梳理了整個實驗室的軟硬件設(shè)備，分門別類制訂安裝計劃。

1）高性能工作站與計算機(jī)。交給供貨商青島代理商上門安裝，安裝過程中為高性能工作站制作定制機(jī)柜，同時要注意六角圓桌的電腦走線設(shè)計。

2）3D打印機(jī)、飛行平臺、AR和VR等成品化設(shè)備。考慮新冠疫情影響，該類設(shè)備（圖7）通過遠(yuǎn)程視頻連線完成組裝。組裝完成后，順次完成技術(shù)培訓(xùn)，所有培訓(xùn)過程均保留影像資料，待后期教學(xué)使用。

3）多套多節(jié)點(diǎn)信息類軟件。軟件安裝分兩類進(jìn)行，軟件公司安裝技術(shù)人員常駐青島，采用線下入校安裝；無長駐青島人員，則采用線上遠(yuǎn)程安裝。第一批選取了青島福萊軟件，進(jìn)行線下安裝，并對實驗室網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了調(diào)試，為后續(xù)遠(yuǎn)程安裝積累了經(jīng)驗。通過線上線下相結(jié)合的方式完成了所有軟件安裝。

（三）" 建設(shè)關(guān)鍵問題總結(jié)

歷時9個月，智能建造實驗室一期竣工，并于秋季學(xué)期順利開設(shè)智能建造專業(yè)實驗課。建設(shè)團(tuán)隊梳理并反思建設(shè)過程中的關(guān)鍵難題，針對智能建造實驗室建設(shè)給出如下建議：

一是依托專業(yè)化設(shè)計團(tuán)隊，打造一流實驗室。智能建造專業(yè)屬于多學(xué)科交叉融合專業(yè)，智能建造實驗室建設(shè)涉及軟件、硬件、網(wǎng)絡(luò)等多專業(yè)背景內(nèi)容。然而，當(dāng)前大多數(shù)高校智能建造師資仍依賴于土木工程專業(yè)，知識背景難以適應(yīng)智能建造實驗室建設(shè)要求。通過實驗室建設(shè)實踐發(fā)現(xiàn)，應(yīng)聘請專業(yè)化團(tuán)隊負(fù)責(zé)實驗室的前期規(guī)劃設(shè)計，避免建設(shè)過程中的返工。設(shè)計團(tuán)隊不同于當(dāng)前的采購代理，應(yīng)具有豐富的信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化背景，目前行業(yè)內(nèi)大型軟件公司可以勝任此項工作。

二是以課程建設(shè)為依托，體系化購買軟硬件。近年來，土木工程領(lǐng)域信息化發(fā)展迅猛，大量的智能建造類產(chǎn)品涌現(xiàn)。在實驗室建設(shè)中多數(shù)以單個產(chǎn)品進(jìn)行采購，極易出現(xiàn)重復(fù)采購或是功能不全等現(xiàn)象，難以支撐課程、專業(yè)建設(shè)。例如，智慧城市模塊需要同時采購無人機(jī)＋RTK硬件設(shè)備，并且要購買GIS軟件。因此，建議以課程建設(shè)為依托，體系化購買軟硬件，并注重同一款產(chǎn)品的配套產(chǎn)品，不至于后期無法使用。

三是統(tǒng)籌規(guī)劃，完善輔助軟硬件的基礎(chǔ)環(huán)境搭設(shè)。相比于軟硬件，與之對應(yīng)的基礎(chǔ)環(huán)境搭設(shè)同等重要。例如，本校智能建造實驗室建設(shè)時，為滿足網(wǎng)絡(luò)布線要求，進(jìn)行了防靜電地板施工。大屏施工時，內(nèi)嵌式龍骨架也需要進(jìn)行專門的設(shè)計。同時，整個實驗室內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的穩(wěn)定也是重要因素，便于后續(xù)線上授課開展。

三" 建設(shè)成效

智能建造實驗室凝聚了學(xué)院、學(xué)校大量心血，建設(shè)完成后有利地支撐了專業(yè)發(fā)展。

智建實驗課逐步形成。本年度已為智能建造專業(yè)開設(shè)了實驗課，該實驗課分為構(gòu)件3D打印和智能建造裝備認(rèn)知及實訓(xùn)。實驗過程中學(xué)生參與度高，如圖8所示。經(jīng)過1～2年建設(shè)，逐步替代原有土工綜合實驗，形成屬于智能建造本專業(yè)的實驗課。

校企合作取得新發(fā)展。實驗室建設(shè)完成后，學(xué)院以實驗室為依托與青建集團(tuán)股份公司合作申請到青島市建筑業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型賦能中心、實驗室主任擔(dān)任中心智慧城市板塊業(yè)務(wù)經(jīng)理。智能建造實驗室為數(shù)字化時代校企合作提供有利支撐。

信息化比賽連獲佳績。實驗室建設(shè)完成后，向BIM愛好者協(xié)會及各類信息化比賽隊伍開放。2022年，獲得全國BIM畢業(yè)設(shè)計大賽特等獎1項，結(jié)構(gòu)信息設(shè)計大賽國家二等獎3項，其他各類比賽國家二等獎以上多項。實驗室教師獲得BIM比賽職工組二等獎。

促進(jìn)教師科研發(fā)展。智能建造實驗室建設(shè)完成后，為學(xué)院部分教師科研提供基礎(chǔ)軟硬件，同時支撐學(xué)院教師進(jìn)行各類項目申報。例如，2022年下半年，土木工程學(xué)院教師在智建實驗室進(jìn)行科技慧民項目答辯，取得了良好的效果。

四" 結(jié)束語

信息化背景下，智能建造成為土木工程未來發(fā)展的新方向。實驗室建設(shè)是專業(yè)發(fā)展必不可少的一部分，智能建造實驗室將繼續(xù)發(fā)揮自身特色，注重信息化、智能化建設(shè)，為學(xué)校智能建造人才培養(yǎng)提供基礎(chǔ)條件。做好校企合作，開展智能化服務(wù)，成長為青島市重點(diǎn)實驗室。

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