基于BIM技術(shù)的應(yīng)用型本科土建類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)路徑研究

崔德芹，南錦順，朱寶英

1　引　言

1.1　BIM含義

美國(guó)國(guó)家建筑科學(xué)研究院對(duì)BIM的描述為：BIM是一個(gè)設(shè)施(建設(shè)項(xiàng)目)物理或功能特性的數(shù)字表達(dá)；是一個(gè)共享的知識(shí)資源，是一個(gè)分享有關(guān)這個(gè)設(shè)施的信息，為該設(shè)施從建設(shè)到拆除的全生命周期中的所有決策提供可靠依據(jù)的過程；在項(xiàng)目不同階段，不同利益相關(guān)方通過在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映其各自職責(zé)的協(xié)同作業(yè)[1]。由此，BIM有如下三個(gè)含義：即Building Information Modeling-建筑信息模型建模；Building Information Model-建筑信息模型；Building Information Management-建筑信息管理。進(jìn)一步拓展，建筑業(yè)所有的基于信息模型的建筑信息管理都是BIM。

1.2　BIM技術(shù)對(duì)建筑業(yè)的影響

建筑信息模型BIM技術(shù)，把傳統(tǒng)的二維平面轉(zhuǎn)換成三維建模，并進(jìn)一步拓展到4D、5D，實(shí)現(xiàn)可視化、多專業(yè)協(xié)同協(xié)調(diào)、建筑物全生命周期管理、信息共享等特點(diǎn)，給建筑業(yè)和建筑工程師帶來了一次巨大的信息技術(shù)革命。斯坦福大學(xué)綜合設(shè)施工程中心研究了32個(gè)采用BIM技術(shù)的工程得出了如下結(jié)論[2]：(1)節(jié)約了40%的預(yù)算成本；(2)成本估算精度在3%之內(nèi)；(3)減少了高達(dá)80%由于時(shí)間產(chǎn)生的成本估算；(4)通過沖突檢測(cè)節(jié)省了10%的合同價(jià)值；(5)減少了7%的項(xiàng)目時(shí)間。

1.3　BIM國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

美國(guó)在建筑信息技術(shù)應(yīng)用方面走在全球前列，國(guó)家科學(xué)研究院于2007年發(fā)布了美國(guó)國(guó)家BIM標(biāo)準(zhǔn)，工程建設(shè)行業(yè)應(yīng)用BIM技術(shù)的比例從2007年的28%增長(zhǎng)到2012年的71%[3]。新加坡建筑管理署(BCA)2011年發(fā)布了新加坡BIM發(fā)展路線規(guī)劃，要求2015年前所有建筑面積5 000 m2以上的項(xiàng)目必須使用BIM技術(shù)。日本從2008年開始，大量的設(shè)計(jì)公司、施工企業(yè)開始應(yīng)用BIM。韓國(guó)公共采購(gòu)服務(wù)中心(PPS)提出，2012-2015年，超過50億韓元大型工程項(xiàng)目都采用4D BIM技術(shù)，2016年前，全部公共工程項(xiàng)目應(yīng)用BIM技術(shù)。

1.4　BIM技術(shù)對(duì)應(yīng)用型本科土木建筑類專業(yè)人才培養(yǎng)的影響

應(yīng)用型高校工程類專業(yè)在人才培養(yǎng)中，注重學(xué)生專業(yè)實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。對(duì)于操作性很強(qiáng)的課程，理實(shí)一體化的現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)效果顯著，但往往受現(xiàn)場(chǎng)條件所限(是否有正在建設(shè)的項(xiàng)目、項(xiàng)目能容納人數(shù)、現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)的安全保障及學(xué)校是否具備完善的實(shí)踐教學(xué)基地等)有著很大的不確定性，無法使學(xué)生觀察到全面且完整的施工全過程的技術(shù)和管理內(nèi)容。同時(shí)應(yīng)用型本科的青年教師指導(dǎo)學(xué)生實(shí)踐能力缺乏。應(yīng)用BIM技術(shù)，可以直觀地模擬建筑物生命周期的全過程，使學(xué)生對(duì)專業(yè)技能知識(shí)有了直觀性認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解力和實(shí)踐操作的認(rèn)知力，更加有助于應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。同時(shí)，工程界BIM技術(shù)的應(yīng)用與推廣有力的促進(jìn)了高校信息化教學(xué)的發(fā)展，也促進(jìn)了高校實(shí)踐教學(xué)水平和教學(xué)效果的提升。

2　BIM技術(shù)在國(guó)內(nèi)外高校的教學(xué)現(xiàn)狀

2.1　國(guó)外教學(xué)現(xiàn)狀

在美國(guó)，70%的高校已經(jīng)將BIM融入到課程教學(xué)中，未開設(shè)BIM課程的高校中有88%計(jì)劃增設(shè)BIM課程[4]，如加州理工大學(xué)等?？肆_拉多州大學(xué)施工管理系，在入學(xué)第一年就開設(shè)BIM建模課程，既提高了學(xué)生對(duì)工程圖的理解，又培養(yǎng)了學(xué)生BIM建模能力，同時(shí)為后續(xù)專業(yè)課程的BIM綜合應(yīng)用建立模型。

2.2　國(guó)內(nèi)教學(xué)現(xiàn)狀

在中國(guó)，高校的BIM技術(shù)研究也如火如荼。2009年，清華大學(xué)軟件學(xué)院BIM標(biāo)準(zhǔn)研究課題組正式啟動(dòng)；2011年魯班軟件與同濟(jì)大學(xué)建立了BIM技術(shù)研究等方面的合作；2012年，華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院開設(shè)國(guó)內(nèi)首個(gè)BIM工程碩士班；2013年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)在國(guó)內(nèi)高校中首次開設(shè)《BIM技術(shù)應(yīng)用》短課程[5]。全國(guó)范圍內(nèi)關(guān)于BIM方面的學(xué)生競(jìng)賽也很多，如“全國(guó)高等院校學(xué)生斯維爾杯BIM系列軟件建筑信息模型大賽”，目前已舉辦了七屆，有600多所高校參加；廣聯(lián)達(dá)、魯班、PKPM等相關(guān)BIM競(jìng)賽，也在進(jìn)行中。在建筑業(yè)BIM轉(zhuǎn)型的新時(shí)期，企業(yè)界也積極開展和參與BIM的人才培訓(xùn)。

2.3　BIM在吉林市高校應(yīng)用效果調(diào)查

筆者于2016年暑期，對(duì)吉林省北華大學(xué)、長(zhǎng)春工程學(xué)院、吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院、吉林電子信息工程學(xué)院4所院校工程類專業(yè)學(xué)生進(jìn)行了調(diào)查，如圖1。

圖1 吉林省高校學(xué)生對(duì)BIM的認(rèn)知情況

調(diào)查了解到：(1)大學(xué)低年級(jí)的學(xué)生，對(duì)BIM了解較少，進(jìn)入大三、大四的學(xué)生，對(duì)BIM的興趣大大提高。(2)學(xué)生普遍對(duì)學(xué)校BIM教學(xué)的滿意度低，僅占受訪學(xué)生的8.51%。(3)有2所院校在培養(yǎng)方案中開設(shè)了獨(dú)立的BIM課程，也僅僅是建模的部分。(4)有3所院校成立了BIM研究小組和學(xué)生的BIM協(xié)會(huì)。(5)有1所院校嘗試了將BIM技術(shù)應(yīng)用于畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。(6)有2所院校組織學(xué)生參加了關(guān)于BIM的全國(guó)競(jìng)賽并取得了較好的成績(jī)。

可見，在BIM的教學(xué)方面，吉林省的高校也取得了一定的效果，但從學(xué)生對(duì)BIM的認(rèn)知度來看，吉林省的BIM教育遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)內(nèi)南方和沿海等發(fā)達(dá)城市。同時(shí)，BIM教學(xué)開展的還不夠深入，還沒有達(dá)到BIM綜合應(yīng)用的程度。在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用型本科院校，BIM教學(xué)普遍存在著師資匱乏、教材缺少、BIM軟件的選擇困難、計(jì)算機(jī)硬件不達(dá)標(biāo)、實(shí)訓(xùn)室建設(shè)不成熟及綜合實(shí)訓(xùn)不綜合等問題。

3　基于BIM技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)路徑

BIM技術(shù)具有交互性、信息協(xié)作共享性和集成性等特點(diǎn)，利用這一特點(diǎn)，以BIM技術(shù)為依托，將課程教學(xué)、專業(yè)實(shí)踐、綜合實(shí)訓(xùn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、互聯(lián)網(wǎng)+、學(xué)科競(jìng)賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、技能考證等有機(jī)的融合起來，形成基于BIM實(shí)踐能力培養(yǎng)的土木建筑類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)路徑。

SI4133芯片可以通過三線串行總線配置各分頻系數(shù)。三線串行總線的時(shí)鐘不能大于25 MHz，因此控制器通過通用IO模擬三線串行總線，設(shè)置三線串行總線的時(shí)鐘為80 kHz，非工作狀態(tài)電平為高電平，時(shí)鐘線在上升邊沿進(jìn)行采樣。SI4133芯片每次被選中，可以配置一個(gè)配置寄存器；其可配置空間為9個(gè)寄存器。三線串行總線發(fā)送的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖10所示，發(fā)送數(shù)據(jù)為22 bit，由18 bit數(shù)據(jù)域與4 bit地址域組成，地址域存放配置數(shù)據(jù)，地址域存放配置空間的地址。發(fā)送配置信息時(shí)，數(shù)據(jù)采用大端模式發(fā)送。

3.1　建立基于BIM實(shí)踐能力培養(yǎng)的土木建筑類專業(yè)課程體系

BIM的可視化信息技術(shù)包括3D、4D和5D三種[6]。3D主要是通過三維空間的方式表述建筑構(gòu)件模型，實(shí)現(xiàn)建筑三維的可視化、構(gòu)件材料信息的數(shù)字化、三維碰撞檢測(cè)。同時(shí)，3D模型也可以直接轉(zhuǎn)換成2D圖紙并打印出來，而且當(dāng)3D模型修改時(shí)，2D圖紙隨之自動(dòng)更新。4D技術(shù)是在3D技術(shù)基礎(chǔ)上增加了時(shí)間維度，能夠模擬工程項(xiàng)目的施工過程，5D是在4D的基礎(chǔ)上加上成本的維度，能夠進(jìn)行建筑工程的預(yù)算和成本管理。

3.1.1開設(shè)獨(dú)立的BIM課程在一年級(jí)開設(shè)基礎(chǔ)的BIM建模課程，為BIM的基礎(chǔ)教學(xué)，在專業(yè)認(rèn)知實(shí)習(xí)后并先于專業(yè)課開設(shè)。主要講授BIM相關(guān)軟件的操作方法，使學(xué)生掌握BIM3D的建模技術(shù)，并通過三維建模的過程練習(xí)，更好的理解工程制圖的理論知識(shí)和更快捷地讀懂工程圖紙。在四年級(jí)以項(xiàng)目教學(xué)為主開設(shè)獨(dú)立的BIM綜合實(shí)訓(xùn)課程，即4D、5D，為BIM建模的延伸教學(xué)，讓學(xué)生利用BIM技術(shù)將所學(xué)各門專業(yè)知識(shí)集成整合起來。

3.1.2在現(xiàn)有的專業(yè)課程中引入BIM技術(shù)根據(jù)人才培養(yǎng)方案，將BIM技術(shù)融入到土木建筑類專業(yè)的相關(guān)專業(yè)方向課程中，使每個(gè)學(xué)期的相關(guān)課程都安排BIM的教學(xué)內(nèi)容，使各門課程在BIM平臺(tái)下做到充分融合。

課程體系中引入BIM技術(shù)，可在建模階段以一個(gè)完整的工程項(xiàng)目作為教學(xué)案例，將該項(xiàng)目建立BIM系統(tǒng)，各專業(yè)課程的教學(xué)均可從該BIM系統(tǒng)中獲取信息和進(jìn)行相關(guān)操作，既可以提高教學(xué)效率，又能提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。在BIM綜合實(shí)訓(xùn)階段，對(duì)該案例項(xiàng)目進(jìn)行全生命周期的BIM應(yīng)用模擬。土木建筑類專業(yè)基于BIM能力培養(yǎng)的課程體系如表1。

表1　土木建筑類專業(yè)基于BIM能力培養(yǎng)的課程體系

3.2　建設(shè)以項(xiàng)目教學(xué)為核心的BIM實(shí)踐教學(xué)體系

在當(dāng)前應(yīng)用型本科土木建筑類專業(yè)BIM教學(xué)發(fā)展的初期，在開設(shè)BIM課程及專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)基礎(chǔ)上，通過畢業(yè)設(shè)計(jì)、學(xué)科競(jìng)賽、科技創(chuàng)新、技能鑒定、組建BIM團(tuán)隊(duì)等多種方式開展BIM教學(xué)，形成多元化的實(shí)踐教學(xué)體系。

3.2.1開展BIM畢業(yè)設(shè)計(jì)在BIM課程學(xué)習(xí)和實(shí)訓(xùn)的基礎(chǔ)上，學(xué)生已掌握了相關(guān)BIM技術(shù)，而畢業(yè)設(shè)計(jì)是四年來專業(yè)技能和綜合能力的展現(xiàn)，將專業(yè)知識(shí)和BIM技能融合起來，完成畢業(yè)設(shè)計(jì)工作，將更有利于學(xué)生適應(yīng)建筑行業(yè)對(duì)能力要求。畢業(yè)設(shè)計(jì)以團(tuán)隊(duì)方式進(jìn)行，建立畢業(yè)設(shè)計(jì)小組，團(tuán)隊(duì)成員分工并協(xié)作完成一個(gè)項(xiàng)目全生命周期的BIM應(yīng)用。畢業(yè)設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)2D設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)BIM建模，同時(shí)實(shí)現(xiàn)圖紙會(huì)審模擬、碰撞檢測(cè)、施工模擬、進(jìn)度模擬、成本分析、各專業(yè)協(xié)同等工作。

3.2.2開展BIM科技創(chuàng)新和學(xué)科競(jìng)賽高等教育十分重視學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和學(xué)科競(jìng)賽水平，國(guó)家和各省、市每年都舉辦各級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)+和學(xué)科競(jìng)賽活動(dòng)。將BIM技術(shù)應(yīng)用于大學(xué)生科技創(chuàng)新和學(xué)科競(jìng)賽中，促進(jìn)學(xué)生動(dòng)手操作、動(dòng)腦思考，通過參加各級(jí)BIM競(jìng)賽的培訓(xùn)和競(jìng)賽活動(dòng)，與兄弟院校進(jìn)行交流，將極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，無疑能促進(jìn)學(xué)生對(duì)BIM技術(shù)的學(xué)習(xí)和掌握。

3.2.3開展BIM技能認(rèn)證目前中國(guó)建筑科學(xué)研究院開展的BIM技能認(rèn)證和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師認(rèn)證，有針對(duì)在校學(xué)生的級(jí)別。目前行業(yè)對(duì)BIM的人才需求很大，學(xué)生畢業(yè)前如果能取得相關(guān)BIM等級(jí)證書，對(duì)將來的就業(yè)有著很大的作用。學(xué)?？膳c社會(huì)認(rèn)證機(jī)構(gòu)合作，共同開展BIM認(rèn)證活動(dòng)。

3.3　培養(yǎng)專業(yè)的BIM技術(shù)教師隊(duì)伍

在建筑業(yè)缺少BIM人才的同時(shí)，高校的BIM師資也嚴(yán)重匱乏。高校教師缺乏項(xiàng)目建設(shè)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，缺少BIM在實(shí)際工程中的綜合應(yīng)用能力和經(jīng)驗(yàn)，而且年輕教師基本上是從校門到校門，教學(xué)經(jīng)驗(yàn)也十分不足。

通過引進(jìn)BIM方向的復(fù)合型人才和對(duì)專業(yè)教師進(jìn)行培訓(xùn)，共同組建BIM教學(xué)團(tuán)隊(duì)；注重校企合作實(shí)踐為主的方式培養(yǎng)師資，選派教師到企業(yè)頂崗實(shí)習(xí)，積累BIM的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)；通過與軟件供應(yīng)商合作的方式，培養(yǎng)教師的BIM應(yīng)用技能；安排教師參加行業(yè)協(xié)會(huì)、科研院所組織的BIM技術(shù)培訓(xùn)和交流會(huì)議，使教師及時(shí)掌握BIM新技術(shù)和新政策，提高教師的BIM應(yīng)用能力。

3.4　組建以學(xué)生為主體的BIM興趣小組

利用課余時(shí)間，組建以學(xué)生為主體的BIM興趣小組，選派具有豐富BIM實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)教師擔(dān)任指導(dǎo)教師，時(shí)刻關(guān)注和定期進(jìn)行指導(dǎo)。也可以與企業(yè)合作設(shè)立BIM專業(yè)協(xié)會(huì)，定期開展BIM應(yīng)用、BIM最新進(jìn)展等講座或舉辦BIM競(jìng)賽活動(dòng)，幫助學(xué)生提高BIM應(yīng)用能力。同時(shí)，通過BIM協(xié)會(huì)舉辦的競(jìng)賽活動(dòng)，也為BIM的國(guó)賽和省賽進(jìn)行人員選拔。通過參加各級(jí)BIM競(jìng)賽，既可以提高學(xué)生的BIM實(shí)踐能力，又可以擴(kuò)大學(xué)校的知名度。

3.5　校企合作組建BIM實(shí)訓(xùn)中心

改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的軟硬件條件，配備高性能計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的BIM應(yīng)用軟件，成立工程仿真模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。常見的BIM軟件有Revit，Bentley，ArchiCAD，Tekla及國(guó)內(nèi)的PKPM-BIM、廣聯(lián)達(dá)-BIM、魯班-BIM、斯維爾-BIM等。應(yīng)用型本科也可以在原有校企合作的基礎(chǔ)上，以BIM技術(shù)應(yīng)用為契機(jī)，與施工企業(yè)、軟件公司、科研院所進(jìn)行合作，也可以與同類高校進(jìn)行合作，共建BIM實(shí)訓(xùn)室，為BIM技術(shù)的教與學(xué)創(chuàng)造條件，為學(xué)生BIM技能的提高提供平臺(tái)。

3.6　適時(shí)組織BIM技術(shù)專家講座

學(xué)校的教育與行業(yè)的需求是分不開的，適時(shí)了解崗位對(duì)專業(yè)能力的要求，實(shí)時(shí)調(diào)整人才培養(yǎng)的目標(biāo)和方向，是提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的有力保障。行業(yè)專家具有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)并掌握著大量的真實(shí)案例，運(yùn)用真實(shí)案例法并結(jié)合自身經(jīng)歷(驗(yàn))的教學(xué)，能極大的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和提高教學(xué)效果。通過行業(yè)專家的報(bào)告，學(xué)生也可以進(jìn)一步了解所學(xué)專業(yè)領(lǐng)域的前沿知識(shí)和先進(jìn)技術(shù)。通過工程行政管理部門的專家講座，學(xué)生能進(jìn)一步了解國(guó)家在這一領(lǐng)域的政策和法規(guī)，為畢業(yè)后更好的就業(yè)進(jìn)行指導(dǎo)。

4　結(jié)　語

BIM技術(shù)的運(yùn)用將給建筑業(yè)帶來質(zhì)的飛躍，需要大量真正掌握軟件操作和工程專業(yè)知識(shí)的BIM綜合人才。應(yīng)用型本科院校在BIM人才的培養(yǎng)中，應(yīng)通過課程實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)訓(xùn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、參加競(jìng)賽、技能鑒定、專家講座等多種途徑全面提高學(xué)生的BIM實(shí)踐應(yīng)用能力，以適應(yīng)行業(yè)的發(fā)展需求。

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