基于BIM的多專業(yè)協(xié)同建筑設計教學模式探索

韓 銳， 劉大平， 邵 丹， 王禮華

(1. 哈爾濱工業(yè)大學 建筑學院黑龍江省寒地建筑科學重點實驗室， 哈爾濱 15006;2. 吉林建筑大學 藝術設計學院， 長春 130118;3. 長春大學 計算機科學技術學院， 長春 130022;4. 日本大阪電氣通信大學信息學部， 日本大阪府 564-0061)

基于BIM的多專業(yè)協(xié)同建筑設計教學模式探索

韓 銳1,2， 劉大平1， 邵 丹3， 王禮華4

(1. 哈爾濱工業(yè)大學 建筑學院黑龍江省寒地建筑科學重點實驗室， 哈爾濱 15006;2. 吉林建筑大學 藝術設計學院， 長春 130118;3. 長春大學 計算機科學技術學院， 長春 130022;4. 日本大阪電氣通信大學信息學部， 日本大阪府 564-0061)

近年來建筑信息模型(BIM)廣泛應用于建筑工程各相關領域，使我國建筑產業(yè)的轉型與技術升級又上了一個新臺階。為適應新形式下人才培養(yǎng)的需要，各土木建筑類高校均在積極探索教學模式及方法的改進，旨在彌補并完善傳統(tǒng)課堂講授式教學方法下人才培養(yǎng)的不足?；贐IM的集中式實驗室教學，有機地融合多專業(yè)協(xié)同設計理念。通過建筑工程項目實例的遞進式設計制作，提升學生們在專業(yè)技能、協(xié)調組織和設計全過程管理等方面的掌控能力；通過設計成果的技術指標比較，反映出學生們在設計理論知識和綜合分析能力上的進步。為建筑設計教學模式及方法的革新積累寶貴的經驗。

建筑信息模型； 建筑設計； 項目實例； 協(xié)同設計

0 引 言

建筑信息模型(Building Information Modeling)簡稱BIM，它是在計算機輔助設計等技術基礎上發(fā)展起來的多維建筑信息管理系統(tǒng)，是傳統(tǒng)二維設計建造方式向三維數字化設計建造方式轉變的革命性技術，是促進綠色建筑發(fā)展、提高建筑產業(yè)信息化水平、推進智慧城市建設和實現(xiàn)建筑行業(yè)轉型升級的基礎性技術，具有極高的未來前瞻意義與不可替代性[1]。

BIM以建筑工程項目的各項相關信息數據作為模型基礎，進行三維空間的建筑模型的實時性構建，具有可視性、協(xié)調性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性五大先進特點[2]。為了實現(xiàn)BIM技術在建筑工程領域的廣泛應用，Autodesk公司分別研發(fā)了基于不同專業(yè)工程設計的Revit Arch、Revit Structure以及Revit MEP軟件,用以解決建筑空間、建筑結構與設備管線等綜合問題。隨著專業(yè)交叉協(xié)同的密集程度不斷增加，三款軟件最終被集成在同一個Revit操作平臺中[3]。

近年來BIM在建筑工程各相關領域廣泛應用，其優(yōu)越的集成化實時三維成像特點日漸凸顯。2013年3月，深圳市建筑設計院獲批中國城鄉(xiāng)與住房建設部關于保障性住房應用BIM技術的研究課題，在進行兩年的項目實踐研究過程中取得了豐碩成果；2013年12月，中國建筑標準研究院聯(lián)合北京市建筑設計院等十余家國內一線甲級設計院共同撰寫并出臺了“建筑信息模型技術試用規(guī)范”，為日后BIM在國內建筑工程領域的普及奠定了共識性操作藍本[4]；2014年10月，上海市政府以及建筑工程管理委員會召開全市范圍內的“推進BIM技術應用指導意見”宣貫會，明確提出2016年底，基本形成滿足BIM技術應用的配套政策、標準與市場環(huán)境；到2017年全市規(guī)模以上政府投資工程全部應用BIM技術。

世界各地的建筑類高校均在積極探討未來基于BIM的人才培養(yǎng)模式。美國與加拿大的主要大學建筑設計學院均開設了BIM課程及研發(fā)中心。以加拿大渥太華卡爾頓大學為例，2010年創(chuàng)辦的CIMS(卡爾頓虛擬建筑媒體中心)已經為全國的歷史建筑進行了系統(tǒng)的三維激光掃描與BIM模型重構，建立了一系列的歷史建筑修復標準[5]。日本東京大學和帝國大學的建筑與規(guī)劃學院由政府注資在兩所大學建立BIM研究中心，首先研究類型就是針對住宅的優(yōu)化設計。建筑設計相關專業(yè)的學生每學年必須在BIM研究中心完成項目實踐教學研究一個學期，從而在掌握人居理念與新技術的同時，了解國家對住宅設計的基本方針策略[6]。目前國內重點高校也相繼開設了BIM研發(fā)機構，其中湖南大學近年來積極與國際上知名建筑事務所合作，連續(xù)兩年舉辦BIM風暴集訓營，取得了豐碩成果。天津大學2013年8月與Autodesk公司以及國家數工委聯(lián)合舉辦了全國數字化建筑論壇，為數字信息技術在行業(yè)內的推廣與交流起到了深遠的推動作用[7]。我校建筑及土木工程相關專業(yè)也建立了基于卓越工程師培養(yǎng)計劃的“創(chuàng)新型”“參與型”人才培養(yǎng)方案，以數字化網絡工程技術與多學科交叉合作帶動土木建筑類學科的教學改革與人才素質和技能的培養(yǎng)[8]。吉林省在BIM的應用與推廣方面相對滯后。作為省內土建工程類的領軍院校，我校正逐步加大對新技術的投入與探索，為適應國內及省內BIM應用型人才的需求，已有序開展BIM實驗室的建設及相關教學方法的探索與研究。于2014年底，投資建設完成多專業(yè)協(xié)同設計BIM實驗室，為課程教學研究開展提供了良好的硬件平臺與集中式模擬、研討和講授環(huán)境。

1 傳統(tǒng)建筑設計教學中存在的問題

國內現(xiàn)行的建筑設計教學模式主要以課堂傳授兩段起承式為主，即：低年級專修藝術、技術和理論知識作為基礎；高年級建筑設計案例解決的綜合能力培養(yǎng)。傳統(tǒng)方式如何在新技術、新形勢的影響下，能夠更好地適應新型人才需求？對于學生綜合能力培養(yǎng)如何在其完成設計教學案例的同時主動介入相關技術的“直觀”輔導？都是當下建筑設計教育者亟待解決的問題[9]。具體的問題總結有3點：

(1) 以筆者所在建筑工程類高校院校為例，建筑設計專業(yè)高年級以項目案例作為教學載體，學生需要主觀整合低年級所掌握的基礎知識，配合自行查閱設計規(guī)范與教師輔導共同完成設計內容。成果包括建筑工程總平面規(guī)劃設計、建筑各層平面與立面設計，透視效果圖，以及設計說明與相關經濟技術指標等文字內容。在建筑剖面與節(jié)點詳圖的繪制方面深度不夠，而這兩項內容恰恰是對于建筑設計人員必須要熟練掌握的基本職業(yè)素養(yǎng)。傳統(tǒng)的課堂設計輔導針對性弱，只能寬泛地解決基本的節(jié)點問題，而對于每個同學獨特的設計方案無法一一做到詳盡闡述[10]。因此，在初級建筑設計層面如何保證設計深度是教學研究中希望解決的第一個問題。

(2) 作為一名合格的建筑設計師不能僅僅只關注建筑的功能與形式，同樣需要關注建筑技術層面的問題：如建筑構配件的交接處理，細部的剖面構造，以及建筑的結構與設備管線(水暖、消防、通風以及電氣)的“交圈”關系。因為建筑工程設計本質是一個綜合分析問題、解決問題的過程[11]。如何能夠在保證建筑空間設計效果的同時將建筑結構設計與配套設施設計的基本概念有效融合，從而幫助學生建立一個更加全面、合理的設計“大局觀”，是高校建筑設計教育者需解決的第二個問題[12]。

(3) 建筑設計的表現(xiàn)形式與方法，是當下建筑設計教學中容易被忽視卻十分重要的一個環(huán)節(jié)，因為建筑的合理表現(xiàn)是一種外化的語言形式，能夠幫助觀者建立一個更全面，直觀的建筑印象。實驗室集中設計表現(xiàn)教學，以共用三維模型為載體，可以更好地傳達教師的意圖需求、使不同學生的表現(xiàn)視角與表現(xiàn)手法產生創(chuàng)造性碰撞[13]。傳統(tǒng)的建筑設計教學往往拿捏不到學生個性化表現(xiàn)訓練的合適比重，而且主要的設計軟件CAD與SKETCH表現(xiàn)能力都有所局限，脫離開集中式的實驗室渲染表現(xiàn)與虛擬空間模擬訓練，使學生在呈現(xiàn)建筑設計作品深度上往往力不從心[14]。如何將建筑設計與優(yōu)秀合理的表現(xiàn)形式最大程度的合而為一，將是本研究亟待解決的第三個問題。

2 BIM實驗室案例教學探索

2.1 初步設計

在BIM實驗室教學研究的第一個階段，組織了來自建筑學、土木工程、電氣自動化與暖通給排水專業(yè)的學生共12名，以及來自對應專業(yè)方向的青年骨干教師4名。利用課余時間在我校BIM實驗室進行了一次民用建筑設計項目模擬。項目來源長春市大禹褐石公園8號樓。初步設計階段將12名同學按照專業(yè)劃分為4個小組，對應專業(yè)教師為項目組長。

首先由建筑設計小組完成建筑平面及立面方案，而后由結構設計小組依據此方案確定框架剪力墻結構體系，接著分別由電氣小組與給排水小組進行建筑內部橋架及管線設計。此過程完全效仿目前設計院常規(guī)項目流程。在項目進行當中各小組獨立工作，歷時20 d完成項目初步設計。經4位教師校驗，出現(xiàn)明顯空間設計問題15處、建筑外墻裝飾及屋面防水節(jié)點設計錯誤12處、樓梯間梯段梁穿墻現(xiàn)象2處、上水管穿梁現(xiàn)象18處、電氣開關與橋架外露現(xiàn)象20處。經過初步設計總結后，建筑設計專業(yè)教師與本專業(yè)學生攜手利用3D MAX軟件對建筑設計方案進行了模擬演示，使同學們切身認識到：建筑協(xié)同設計的重要性、構造節(jié)點知識的匱乏以及三維建筑空間表達方式的局限。

2.2 BIM軟件培訓

BIM相關設計軟件是進項建筑協(xié)同設計的基礎，本次BIM實驗室教學研究對BIM支撐下的Revit Arch(建筑設計)、Revit Structure(結構設計)以及Revit MEP(設備設計)等軟件為12名學生進行了為期30 d的基本操作培訓，并且在培訓過程當中，帶領學生們深入工地現(xiàn)場，統(tǒng)一普及相關的建筑學、建筑結構以及暖通與電氣等專業(yè)理論知識。使學生在掌握軟件操作及命令運用的同時透徹了解民用建筑構造的實踐經驗和專業(yè)知識。尤其對建筑節(jié)點與各專業(yè)交圈關系的認識，讓他們收獲頗豐，不僅培養(yǎng)了大家可以細致入微的設計素養(yǎng),更奠定了能夠統(tǒng)籌全局的設計觀念。這是實驗室教學較之傳統(tǒng)課堂講授式教學更加靈活的組織課堂形式、更加容易接近實際項目的優(yōu)點。

2.3 項目實踐與多專業(yè)協(xié)同設計

(1) 分組與項目前期安排。12名同學在本階段的項目實踐中將重新分配成A、B、C 3個組，每一組均配備1名建筑設計專業(yè)、1名結構專業(yè)、1名電氣專業(yè)以及1名給排水專業(yè)的同學。3個組同時以任務書要求的建筑風格、建筑面積、建筑容積率、建筑戶型格局以及防火抗震等級要求進行項目分解與步驟安排。

(2) 設計實施方案前期匯報。A、B、C 3組歷時1周分別提交設計實施方案，并對設計中容易遇到的各專業(yè)交圈問題進行預判和匯總，由老師組織答辯，并依據各組設計方案確定BIM項目實施方案，提出相應設計與進度要求。設計實施方案匯報過程如圖1所示。

圖1 針對設計節(jié)點與設計流程安排的設計實施方案匯報

(3) 建筑平面及立面設計階段。本次教學研究利用吉林建筑大學BIM實驗室，內部被隔斷分隔成三個相對獨立的空間，每個項目組分配5臺電腦，其中一臺為工作站服務器，用來上傳BIM中心文件；一臺筆記本與一臺投影儀，用來階段性項目討論；一臺打印機用來階段性項目成果輸出。

在前期分析總結建設方主要訴求的基礎上，確定建筑設計任務，完成平面空間的布局與基本建筑外觀的形式。3組中建筑設計專業(yè)的同學在統(tǒng)一軸網與標高的Revit Arch文件中分別開始設計制作該項目的平面與立面。在規(guī)定時間內完成了設計內容，并進行了基本的設計總結與論證。將生成的三維建筑模型與傳統(tǒng)教學模式下的二維圖紙進行比較分析，發(fā)現(xiàn)明顯改善并提高了學生對建筑設計節(jié)點詳圖與建筑構造的基本認知，充分體現(xiàn)了BIM教學的深入性和直觀性。階段性成果如圖2～4所示。

(4) 中期BIM模型結構分析。案例采用BIM的“進程管理與網絡多專業(yè)協(xié)同”制作模式。首先由A組設計完成建筑模型，而后以該模型為中心文件，項目進入下一環(huán)節(jié)由土木工程專業(yè)教師對該建筑的結構選型為A、B、C 3組同學做具體分析講解。確定鋼筋混凝土框架結構樣式與主要梁、柱部分的配筋信息，并協(xié)助B組同學將Revit Arch文件通過網絡同步更新在Revit Structure中進行該建筑的結構模型創(chuàng)建。在此過程中引入多專業(yè)協(xié)同設計的教學模式，有效提升了設計教學效率與質量。中期成果如圖及建筑結構集中式講解過程如圖5所示。

(5) 后期BIM模型的碰撞檢測。項目后半程，在完成主體結構模型基礎上，將BIM文件同步更新到Revit MEP中進行水暖管線的綜合設計。3個組水暖專業(yè)的同學區(qū)分為供暖的回路設計與自來水的給水和排水設計?？⒐つＰ陀扇客瑢W參與進行管線結構的“交圈”碰撞檢測，發(fā)現(xiàn)整理錯漏問題30處，在老師的指導下，對設計進行完善，最終由建設單位與設計單位鑒定并驗收項目完成，項目數據信息總結歸檔。項目設備系統(tǒng)設計成果如圖6所示。

(6) 課題設計項目成果匯總。歷時3個月，從建筑裝飾物，到建筑風格細化后的門窗構件。3個項目組共完成BIM圖元及模型族文件56個，材質信息文件50個，大禹褐石公園8#樓建筑方案3套，相關BIM模型文件3個，輸出建筑施工深化A1圖紙110頁，結構施工深化 A1圖紙80頁，水暖及電氣施工深化 A1圖紙150頁。3個項目組在規(guī)定的時間進度內均完成了設計任務。借助BIM軟件的幫助，使施工圖的節(jié)點深度達到施工指導水準。3個方案在網絡協(xié)同設計的幫助下，有效規(guī)避掉前期初步設計96%的交圈碰撞問題。借BIM軟件的虛擬現(xiàn)實技術，3個項目組在項目結尾均完成了1 min 30 s的建筑施工模擬及應用動畫，全面直觀地再現(xiàn)了建筑的內外空間結構。

(7) BIM模型施工應用。2015年6月，大禹褐石公園8號樓如期開工建設，3個項目組的BIM成果文件得到了施工單位、設計單位以及建設單位的鑒定認可。通過BIM系列軟件中的Navisworks以及二次開發(fā)軟件，最終將定稿實施方案被載入移動設備IPad中，利用云服務器BIM GLUE的瀏覽功能在施工現(xiàn)場即時與施工進度比對，工期歷時4個月，專業(yè)負責教師及12名學生參與了8號樓建造全過程。整個觀摩學習過程強化了學生們的設計實踐成果轉換意識，使他們更加系統(tǒng)直觀地掌握了從方案設計到深化設計再到施工建造的全流程。

圖5 基于Revit Structure設計制作的結構模型與專業(yè)教師的集中式講解過程

3 創(chuàng)新意義

有別于同類院校的BIM教學模式：如果僅將BIM作為一門單純的軟件課程，加載在原有建筑設計教學體系中，期待學生在學習BIM知識、BIM技能、BIM理念的同時自己完成多專業(yè)知識的整合——這種片面的教學方式，不僅不利于專業(yè)知識的傳授，更無法體現(xiàn)多專業(yè)協(xié)同的BIM理念[15]。筆者對于BIM實驗室教學研究，以項目實例為載體，深入直觀的解析三維BIM建筑模型設計制作的全過程，有效消除了抽象描述與實際建筑設計的距離，有效培養(yǎng)學生三維空間感知與節(jié)點構造關系的理解能力。針對項目設計與模擬建造過程中的多專業(yè)交圈問題，實施相關專業(yè)理論知識傳授與協(xié)同設計輔導，旨在塑造一整套圍繞著BIM理念，循序漸進、關注建筑全生命周期的數字化建筑設計人才培養(yǎng)的實驗室教學模式，打破傳統(tǒng)課堂講授式建筑設計教學節(jié)點深度不足、知識難于整合以及表達效果乏力的桎梏[16]。

4 結 語

近年來BIM技術在行業(yè)內的推進對人才需求提出了新的定義，基于BIM理念培養(yǎng)下的建筑設計人才又同時促進著行業(yè)內高、新技術的應用以及建筑設計施工行業(yè)的升級與轉型，兩者互補齊進形成了良性循環(huán)，為中國城鎮(zhèn)化建設的深入以及綠色智能建筑的推廣起到了積極的促進作用。通過本次BIM實驗室教學模式的探索與全新教學方法實施過程的嘗試，為數字信息時代的建筑設計積累了多樣化的教學經驗。借助實際建筑工程案例作為載體，在各專業(yè)協(xié)同的基礎上加以深化。建造過程的各個環(huán)節(jié)實施針對性的分析講解，使學生加深綜合設計的理念并拓展相關專業(yè)知識的積累。在項目完成后，各項目組分別對設計過程中的頻發(fā)問題進行整理總結加以討論，尤其在項目后半程安排的碰撞分析檢測，真實模擬再現(xiàn)了民用建筑設計中普遍存在易被忽視的“交圈”碰撞問題，提升了學生的設計大局觀,并加深臨場設計經驗的積累。本次BIM實驗室教學研究的順利完成可看作是高等建筑設計類院校課堂教學方法革新的一次積極探索，為培養(yǎng)未來知識結構體系健全，綜合能力突出的規(guī)劃類、建筑設計類高級人才奠定了“全專業(yè)、全過程”的大局觀以及寶貴的實踐設計經驗。

[1] 盧琬玫. BIM技術及其在建筑設計中的應用研究[D].天津：天津大學，2014：9-27.

[2] 朱紅光，易 成，王 鵲．BIM技術在土建專業(yè)教學中的應用現(xiàn)狀及建議[J]. 教育教學論壇，2015(11)：184-185.

[3] Porter S, Tanb T, Tanc T,etal. Breaking-into BIM: Performing static and dynamic security analysis with the aid of BIM[J]. Automation in Construction，2014(40):84-95.

[4] 趙雪鋒，李炎鋒，王慧琛．建筑工程專業(yè)BIM技術人才培養(yǎng)模式研究[J].中國電力教育，2014(2)：53-54.

[5] 何 蕊，曲焱炎，高 岱，等. 高等院校BIM拔尖人才培養(yǎng)模式探索[J].時代教育，2015(23)：21-24.

[6] 黃黎敏，李 薇. BIM技術在建筑工程專業(yè)教學中的推廣研究[J]. 時代教育，2015(11)：155-156.

[7] 曲翠萃，許 蓁.基于數字化技術的建筑設計教學方式改革探討[J].高等建筑教育，2014(5)：150-153.

[8] 邵 丹，王紹強. 面向工程人才的創(chuàng)新能力培養(yǎng)研究與實踐 ——以網絡工程專業(yè)為例[J].長春大學學報,2015 (12)：85-87.

[9] 潘海生，王世斌，余建星．新時期中國工程教育體系及其構建[J]．高等工程教育研究，2010(6)：39-43．

[10] 馬桂榮,田立華,畢海鵬．土木專業(yè)實踐教學研究[J].科技創(chuàng)新導報，2015(12)：90-92.

[11] 劉芳芳,展長虹,康 健,等.寒區(qū)屋頂太陽能設備調查與集成設計分析[J].哈爾濱工業(yè)大學學報,2016,48(2):163-166.

[12] 劉紅勇，何維濤，黃秋爽．普通高等院校BIM實踐教學路徑探索[J].土木建筑工程信息技術，2013(10)：98-101.

[13] 厲旭云，梅汝煥，葉治國．高校實驗教學研究的發(fā)展及趨勢[J].實驗室研究與探索，2014(3)：131-135.

[14] 李炎鋒，杜修力，紀金豹.土木類專業(yè)建設虛擬仿真實驗教學中心的探索與實踐[J].中國大學教學，2014(9)：82-85.

[15] 孫 皓，鄒貽權．BIM數字建造實踐教學探議[J].大學教育，2015(6)：107-109.

[16] 李 坤，史永宏．創(chuàng)新型人才培養(yǎng)實驗室開放體系探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2015(1)：258-261.

Research on the Teaching Mode of Multi Professional Collaboration Architectural Design Based on BIM

HANRui1,2,LIUDaping1，SHAODan3，WANGLihua4

(1. Heilongjiang Cold Region Architectural Science Key Laboratory, School of Architecture, Harbin Institute of Technology；Harbin 150006, China; 2. College of Art and Design, Jilin Jianzhu University, Changchun 130118, China; 3. College of Computer Science and Technology, Changchun University, Changchun 130022, China; 4. Department of Information, Osaka Electro-Communication University, Osaka 564-0061, Japan)

In recent years, BIM has been widely used in various fields of construction engineering, it is adding fuel to the transformation of China's construction industry and technology upgrade. In order to adapt the needs of the personnel training in new market situation, most colleges of civil engineering and architecture are actively exploring the improvement of the teaching mode and method in courses. The purpose is to make up and improve the deficiency of the traditional classroom teaching method. We have tried to do centralized teaching based on BIM in the laboratory, and integrated the multi-professional collaborative design organically. Finally we enhanced the students' control ability of professional skills, coordination ability, ability of organization and the whole design process of management, through the progressive design of the construction project example. The students made great progress in the design theory and comprehensive analysis ability, through the comparison of technical indexes between BIM design results and traditional design results. This research will accumulate valuable experience for the innovation of architectural design teaching mode and method.

building information modeling (BIM)； architectural design； project examples； collaborative design

2016-08-01

2016年度吉林省教育科學規(guī)劃課題(項目編號：GH16291)；吉林省教育廳“十三五”社會科學研究規(guī)劃重點項目(項目編號：吉教科文合字[2016]第120號)；中華人民共和國教育部“春暉計劃”科研項目

韓 銳(1981-)，男，遼寧金縣人。博士生，講師，主要從事數字化建筑設計教學及應用研究。

Tel.：18643199988; E-mail:archanrui@sina.com

劉大平(1955-)，男，哈爾濱人，教授，研究方向：現(xiàn)代建筑史與保護利用研究。

Tel.：13804518268; E-mail: ldp_abc@sina.com

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1006-7167(2017)04-0174-05