基于BIM技術(shù)的建筑工程虛擬仿真實訓(xùn)中心的建設(shè)研究

戴曉燕, 劉 超

(1. 湖北第二師范學(xué)院 建筑與材料工程學(xué)院, 湖北 武漢 430205；2. 武漢大學(xué) 紀委、監(jiān)察部, 湖北 武漢 430072)

包括虛擬現(xiàn)實在內(nèi)的第四次工業(yè)革命是一次全新技術(shù)革命,已悄然到來到我們所處的社會。這也是一場全新的綠色工業(yè)革命,其技術(shù)突破的總體方向是數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、綠色化。隨之而來的便是支撐工業(yè)發(fā)展的工程教育,將面臨應(yīng)對我國新經(jīng)濟與新產(chǎn)業(yè)對新工科人才戰(zhàn)略需求的新機遇、新挑戰(zhàn)。因此,教育部于2017年2月提出了我國高等工程教育的新工科行動計劃?！靶鹿た啤笔且环N新型的工程教育理念,即“大工程觀”,強調(diào)培養(yǎng)跨界整合能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、應(yīng)用實踐能力的綜合、復(fù)合型工程科技人才,服務(wù)于產(chǎn)業(yè)現(xiàn)實急需和未來經(jīng)濟發(fā)展需要[1]。培養(yǎng)土木類人才的應(yīng)用型本科院校,迎來了很好的發(fā)展契機,更應(yīng)致力服務(wù)區(qū)域新經(jīng)濟的現(xiàn)實需求,創(chuàng)建基于BIM技術(shù)的建筑工程虛擬仿真實訓(xùn)中心(以下簡稱BIM虛擬仿真實訓(xùn)中心),是學(xué)?？沙掷m(xù)發(fā)展的有效舉措。

1建設(shè)BIM虛擬仿真實訓(xùn)中心的必要性

1.1 BIM技術(shù)是新工科建設(shè)中土木類專業(yè)人才所必須要熟練掌握和應(yīng)用的新技術(shù)、新工具

從CAD技術(shù)到BIM技術(shù)的需求變化,是在以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)、新模式為特點的新經(jīng)濟蓬勃發(fā)展背景下的產(chǎn)物[2]。BIM(building information modeling,建筑信息模型)是在建筑領(lǐng)域應(yīng)用信息技術(shù),實現(xiàn)對設(shè)計、施工和管理過程仿真和模擬的一種技術(shù)和管理方法[3]。推行BIM技術(shù)應(yīng)用,發(fā)揮其可視化、虛擬化、協(xié)同管理、成本和進度、質(zhì)量、安全控制優(yōu)勢,將減少返工浪費,有效縮短工期,提高工程質(zhì)量和投資效益,極大提升項目全過程精細化管理水平,從而促進綠色建筑發(fā)展、提高建筑產(chǎn)業(yè)信息化水平、推進智慧城市建設(shè)和實現(xiàn)建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級。

因此BIM技術(shù)被譽為建筑行業(yè)的第二次革命,在歐美、日本及我國香港地區(qū)的工程建設(shè)領(lǐng)域已取得了大量應(yīng)用成果,在我國建筑業(yè)的應(yīng)用推廣也進入快速發(fā)展新時期,整個建筑行業(yè)對掌握 BIM 技術(shù)的人才需求非常迫切,目前國內(nèi)面臨BIM技術(shù)人才匱乏的窘境。BIM技術(shù)人才培養(yǎng)和學(xué)校息息相關(guān),在國家政策驅(qū)動下,已成為全國院校關(guān)注、發(fā)展的新方向?！靶鹿た啤苯ㄔO(shè)中土木類專業(yè)人才更應(yīng)與時俱進,掌握社會所需的BIM技術(shù),從而提升就業(yè)核心競爭力。

1.2 建設(shè)BIM虛擬仿真實訓(xùn)中心可為土木類專業(yè)辦學(xué)在新工科建設(shè)中提供虛實并舉、互為補充的有效解決方案

虛擬仿真教學(xué)作為高等教育信息化建設(shè)和實踐教學(xué)的重要手段,是學(xué)科專業(yè)知識體系和信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物[4]。土木類專業(yè)具有實踐性強的顯著特點,需要學(xué)生在工程實踐中掌握崗位技能,但鑒于工地施工安全生產(chǎn)因素復(fù)雜的行業(yè)特點,使得學(xué)生的實踐教學(xué)往往不能落到實處,實踐環(huán)節(jié)的效果往往不盡如人意,BIM虛擬仿真實訓(xùn)中心建設(shè)恰好可以解決這個一直以來令學(xué)校棘手的難題。

通過BIM技術(shù)可以運用其信息處理及動態(tài)仿真的特點,營造生動立體的可交互式施工現(xiàn)場模擬場景,模擬仿真建筑施工現(xiàn)場的各部分工作,建立立體課堂,使學(xué)生身臨其境,更加真切地了解施工工藝與工程項目管理流程,達到實踐訓(xùn)練的效果[5]。能夠擴大課堂內(nèi)涵，彌補傳統(tǒng)教學(xué)手段的不足,實現(xiàn)教學(xué)運行經(jīng)費高效利用,有助于培養(yǎng)高素質(zhì)工程應(yīng)用型創(chuàng)新人才,可以有效推動新工科人才培養(yǎng)改革。

2 BIM虛擬仿真實訓(xùn)中心建設(shè)內(nèi)容

2.1 BIM虛擬仿真實訓(xùn)中心組成

BIM虛擬仿真實訓(xùn)中心以提升BIM實踐能力為核心,按照學(xué)習(xí)流程分成4個實訓(xùn)室,具體組成如圖1所示。

圖1 BIM虛擬仿真實訓(xùn)中心組成

BIM虛擬仿真實訓(xùn)中心以BIM技術(shù)為核心,融合虛擬仿真技術(shù),將二維學(xué)習(xí)模式轉(zhuǎn)化為三維學(xué)習(xí)模式,以“教、學(xué)、練”為體系,以工程實訓(xùn)為背景,使土木類專業(yè)學(xué)生在校期間能夠完成從建筑構(gòu)造識圖、Revit三維建筑模型創(chuàng)建到BIM5D(3D+進度+成本)綜合虛擬建造管理等跨學(xué)科一體化的課程,通過實際案例學(xué)習(xí)工程建設(shè)項目全生命周期的工程項目管理,滿足學(xué)生對新經(jīng)濟下的社會需求,更好地達到新工科人才培養(yǎng)目的。

2.2 BIM虛擬仿真實訓(xùn)課程體系

BIM虛擬仿真實訓(xùn)中心以硬件環(huán)境為依托、軟件學(xué)習(xí)為載體、教學(xué)師資為保障,開設(shè)BIM一體化建筑工程虛擬仿真實訓(xùn)課程,如圖2所示。

(1) BIM虛擬仿真實訓(xùn)中心以具體工程項目為實訓(xùn)案例,根據(jù)建設(shè)周期各階段BIM業(yè)務(wù)內(nèi)容,設(shè)置實踐性更強的BIM一體化實訓(xùn)課程,有益補充理論課程。實訓(xùn)課程體系設(shè)計遵循螺旋式教學(xué),從單項技能到綜合技能,培養(yǎng)土木類專業(yè)學(xué)生BIM綜合應(yīng)用能力；實訓(xùn)課程內(nèi)容以工作中實際業(yè)務(wù)為主線,進行任務(wù)劃分,讓學(xué)生在做中學(xué)、學(xué)中做；實訓(xùn)課程學(xué)習(xí)方式以學(xué)生小組學(xué)習(xí)形式為主,在校內(nèi)提高學(xué)生的團隊協(xié)作能力,畢業(yè)后能更好地融入工作環(huán)境。

(2) BIM虛擬仿真實訓(xùn)中心綜合應(yīng)用BIM技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)VR、增強現(xiàn)實技術(shù)AR實現(xiàn)沉浸式教學(xué),在明顯降低實訓(xùn)成本的同時,可實現(xiàn)三維可視及情境仿真化,使學(xué)生能在虛擬的三維環(huán)境中,直觀地感受到建筑工程各個部位的造型、施工工藝,并可利用交互虛擬操作參與真實的建造過程,學(xué)會方案優(yōu)化、虛擬施工和碰撞檢測,如圖3所示。

此外,中心還可建立實體模型、環(huán)幕硬件系統(tǒng)等,借助實體模型與虛擬模型,通過虛擬仿真技術(shù)使“軟”“硬”結(jié)合,更加逼真地呈現(xiàn)出工程項目施工全過程,使學(xué)生身臨其境地感受現(xiàn)場施工的氛圍[6]。引導(dǎo)學(xué)生將課堂學(xué)習(xí)融入工程實踐,通過可視化教學(xué)方式培養(yǎng)學(xué)生掌握施工現(xiàn)場工藝及質(zhì)量控制方法等,解決學(xué)生空間想象力不足等具體問題,如圖4所示。

圖2 BIM虛擬仿真實訓(xùn)課程體系框架圖

圖3 通過BIM技術(shù)三維展示、虛擬建造示意圖

圖4 BIM虛擬仿真教學(xué)中的虛實結(jié)合示意圖

2.3 BIM虛擬仿真實訓(xùn)中心運行與管理

(1) BIM虛擬仿真實訓(xùn)中心成員由實訓(xùn)中心主任及相關(guān)任課教師組成,負責(zé)中心建設(shè)與實施全過程。首先應(yīng)制定各項規(guī)章制度來規(guī)范管理,從制度上保證中心的正常運行。同時為更好地完成實踐教學(xué)任務(wù),應(yīng)另設(shè)由其他有經(jīng)驗的教師組成的中心教學(xué)監(jiān)督組,制定一套完善的質(zhì)量監(jiān)督體系,并負責(zé)對中心運行效果進行監(jiān)督,包括對中心管理的意見反饋和對任課教師教學(xué)質(zhì)量的定期考評,考評結(jié)果作為教師年度工作成績考核的重要依據(jù)之一[7]。同時,也會定期組織學(xué)生座談和開展學(xué)生評教工作,使教學(xué)工作處于學(xué)生的監(jiān)督之下,促進教師不斷改進教學(xué)方法,提高教學(xué)質(zhì)量。

(2) BIM虛擬仿真實訓(xùn)中心面向?qū)W生采取全天候開放形式,中心教學(xué)資源實行對外開放制,學(xué)校師生可在需要的時候申請使用,完成教學(xué)任務(wù)及科研任務(wù)[8]。中心也鼓勵師生利用課外時間走進實訓(xùn)中心,積極利用BIM技術(shù)平臺參加相關(guān)BIM職業(yè)技能大賽,使現(xiàn)有資源最大限度地得到利用。

(3) 鼓勵有條件的企業(yè)參與BIM虛擬仿真實訓(xùn)中心建設(shè),協(xié)同育人。 企業(yè)可利用開發(fā)實力和支持服務(wù)能力,與學(xué)校信息化教學(xué)資源充分整合,同時也可為企業(yè)軟件產(chǎn)品的市場推廣、人才培訓(xùn)提供支持,做到校企戰(zhàn)略合作,培養(yǎng)應(yīng)用型人才,為地方經(jīng)濟發(fā)展提供人才服務(wù),保障中心可持續(xù)發(fā)展,最終達到共贏的效果[9]。

3 特色與創(chuàng)新

3.1 BIM技術(shù)承載信息廣,可與相關(guān)課程有機結(jié)合

BIM技術(shù)核心是通過建立建筑信息模型,使得工程建設(shè)項目全生命周期內(nèi)不同階段不同參與方均可獲得所需要的數(shù)據(jù),BIM虛擬仿真實訓(xùn)中心可幫助學(xué)生以實際項目為載體,按照建設(shè)程序,實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和信息化管理,實際體驗從設(shè)計、招投標交易、施工組織設(shè)計到施工項目管理及竣工交付各個階段的工作流程,提升項目精細化管理和控制水平,最終實現(xiàn)智慧建造。

除了單設(shè)的實訓(xùn)課程之外,還可將建筑工程制圖、建筑材料、房屋建筑學(xué)、工程項目管理、工程造價管理、畢業(yè)設(shè)計等課程體系通過嵌入相應(yīng)BIM技術(shù)元素而有機聯(lián)系起來,如圖5所示。如在建筑施工技術(shù)課程中融入BIM施工模擬,展示更加直觀可形象感知的施工過程；在工程項目管理理論課程融入BIM5D(3D+進度+成本),并通過BIM+VR技術(shù)來展示建筑安全管理類內(nèi)容；對于建筑工程制圖、房屋建筑學(xué)及建筑材料等課程可采用三維模型輕量化來講解；在畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)中,結(jié)合具體的工程項目實例,提高學(xué)生融會貫通BIM技術(shù)的綜合能力。

圖5 建筑工程虛擬仿真實訓(xùn)中心適用課程

3.2 提高學(xué)生實踐技能,提升就業(yè)競爭優(yōu)勢

BIM虛擬仿真實訓(xùn)中心為提高人才培養(yǎng)質(zhì)量提供了有力的技術(shù)手段,為學(xué)生理解BIM技術(shù)在工程項目建設(shè)中的應(yīng)用提供了信息交互的環(huán)境。一體化實訓(xùn)課程體系全面,教學(xué)模式能立足前沿而貼近實際,從而提升院校教學(xué)水平及綜合實力。中心在抓好第一課堂教學(xué)的同時,也可充分發(fā)揮第二課堂在學(xué)生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)中的重要作用[10],通過成立BIM社團等形式,為廣大BIM興趣愛好者提供交流學(xué)習(xí)平臺。鼓勵學(xué)生積極參加全國高等院校BIM應(yīng)用技能大賽等各種賽事活動,以賽促教、以賽促學(xué),實現(xiàn)高校土木類專業(yè)之間的BIM協(xié)同合作,提高學(xué)生的實踐及創(chuàng)新能力,增強選手的團隊協(xié)作能力,縮短社會適應(yīng)期,提升就業(yè)競爭力。

3.3 打造教科研團隊, 提高實踐教學(xué)水平

師資隊伍是新工科建設(shè)中人才培養(yǎng)的引擎,BIM虛擬仿真實訓(xùn)中心可以幫助教師通過BIM專業(yè)培訓(xùn)、參與企業(yè)BIM工程實踐、專題調(diào)研等方式,全面了解建筑行業(yè)人才需求,提高教師對新技術(shù)、新方法的應(yīng)用能力,適應(yīng)社會發(fā)展需要。教師在完成規(guī)定的實訓(xùn)教學(xué)任務(wù)前提下,還可利用中心搭建的平臺組建BIM項目研究團隊,充分發(fā)揮學(xué)術(shù)、技術(shù)優(yōu)勢,開展BIM相關(guān)教科研課題研究,促進學(xué)校適應(yīng)新形勢進行教學(xué)改革,增強實踐教學(xué)活力,從而打造實踐教學(xué)水平過硬的“雙師型”隊伍。

3.4 提供社會服務(wù),提高社會影響力

新工科建設(shè)倡導(dǎo)應(yīng)用型本科院校主動對接企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新需求,把握行業(yè)人才需求方向,深化產(chǎn)教融合、校企合作。BIM虛擬仿真實訓(xùn)中心可利用自身資源,充分挖掘潛力,在保證學(xué)校內(nèi)部實訓(xùn)教學(xué)任務(wù)的前提下,可面向周邊輻射開展社會服務(wù)與交流合作[11],提高中心的運行效率。如為各項BIM技能大賽提供場地及面向社會開展BIM應(yīng)用技能培訓(xùn)服務(wù),包括對行業(yè)內(nèi)企業(yè)開放共享資源學(xué)習(xí)、提供職工教學(xué)培訓(xùn)、下崗人員再就業(yè)培訓(xùn)及農(nóng)村轉(zhuǎn)移人群技能培訓(xùn)等。中心也可承接BIM工程項目,開展建筑全過程的BIM技術(shù)咨詢服務(wù),為學(xué)校帶來經(jīng)濟效益的基礎(chǔ)上,解決區(qū)域經(jīng)濟現(xiàn)實需求,促進地區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

4 結(jié)語

工程實訓(xùn)是土木類專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié),工程實訓(xùn)中心在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力和實踐能力中的地位日益重要[12]。 隨著BIM技術(shù)在建筑業(yè)的廣泛應(yīng)用,對于開辦土木類專業(yè)的應(yīng)用型本科院校,應(yīng)主動對接地方經(jīng)濟發(fā)展需要,凝練辦學(xué)特色,重視BIM人才培養(yǎng),加快BIM虛擬仿真實訓(xùn)中心建設(shè),促進學(xué)科專業(yè)與BIM信息技術(shù)的交叉融合,提升學(xué)生實踐與創(chuàng)新能力,培養(yǎng)具有較強行業(yè)背景知識、工程實踐能力、勝任行業(yè)發(fā)展需求的應(yīng)用型人才,從而推進高等教育新工科建設(shè)。