土木工程BIM教育“四位一體” 全過程融合教學(xué)體系研究

車偉 崔玥

摘要：根據(jù)企業(yè)對BIM人才的層次化需求，以土木工程專業(yè)為例，在不改變現(xiàn)有教學(xué)體系的條件下，將BIM技術(shù)多階段、梯度式融入本科人才培養(yǎng)的全過程，構(gòu)建了“四位一體”的BIM教學(xué)課程體系。該體系依據(jù)課程特點，將BIM主要知識點融入專業(yè)課程的教學(xué)中。學(xué)生可依據(jù)自身能力、興趣點和未來職業(yè)規(guī)劃，找到適合自己的BIM能力需求層次培養(yǎng)方案，完成BIM工程項目的綜合實踐能力考核及畢業(yè)追蹤調(diào)查，實現(xiàn)了BIM技術(shù)教育、實踐和服務(wù)的融合創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：土木工程;BIM教育;四位一體;教學(xué)體系

中圖分類號：TU71;G6420?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?文章編號：1005?2909（2019）03?0126?08

建筑信息化模型（BIM）技術(shù)是繼計算機輔助制圖（CAD）技術(shù)后在工程建設(shè)領(lǐng)域的又一次革命性技術(shù)創(chuàng)新。該技術(shù)具有三維動態(tài)可視化、專業(yè)內(nèi)及專業(yè)間的有效協(xié)同、全面數(shù)字信息化等特點，對優(yōu)化設(shè)計、可持續(xù)性綠色設(shè)計、模擬施工、減少后期工程變更起到強有力的促進作用[1-2]。必須進一步強調(diào)，BIM不是CAD軟件的簡單升級，而是一種高效的項目管理思維模式，是實現(xiàn)項目精細(xì)化、信息化、高效化管理的重要手段。國家“十三五”信息化發(fā)展規(guī)劃已明確要求建筑相關(guān)企業(yè)強化BIM技術(shù)的推廣應(yīng)用[3]。近些年，BIM技術(shù)在國內(nèi)許多大型建設(shè)項目中進行了實踐應(yīng)用，例如，北京“中國尊”大廈是最全面應(yīng)用BIM的典型代表。

目前，BIM推廣應(yīng)用的最大短板是層次化BIM專門人才的嚴(yán)重不足[1]，因此，提供專業(yè)、系統(tǒng)的BIM教育與實踐是建筑行業(yè)未來的持續(xù)需求。中國BIM應(yīng)用正在蓬勃發(fā)展，大規(guī)模培養(yǎng)相關(guān)專業(yè)人才日益迫切。學(xué)生是未來BIM技術(shù)推廣應(yīng)用的主要儲備力量，針對建筑、土木工程、暖通及工程管理等與BIM相關(guān)專業(yè)，系統(tǒng)講授BIM技術(shù)理念及應(yīng)用才能快速實現(xiàn)BIM專業(yè)應(yīng)用人才的量級提升。

BIM教育是一個復(fù)雜的綜合系統(tǒng)工程，也是一種高效思維管理模式的培養(yǎng)，不能僅通過增設(shè)一門或兩門BIM課程來解決，需要系統(tǒng)地將BIM技術(shù)主要知識點與專業(yè)課程體系進行深度融合[4-6]。以土木工程專業(yè)為例，在不改變現(xiàn)有教學(xué)課程體系

的情況下，將BIM技術(shù)知識分階段、梯度式融入本科人才培養(yǎng)的全過程，構(gòu)建“四位一體”的BIM教學(xué)體系。

一、BIM能力的層次需求

BIM專業(yè)應(yīng)用人才是運用BIM技術(shù)支持和完成建設(shè)項目的規(guī)劃、設(shè)計、施工、經(jīng)營管理等全生命周期中各種專業(yè)任務(wù)的專業(yè)人員。

社會對BIM人才的需求具有多層次、多類型的特點。不同類型、不同科技含量的單位對BIM人才有不同的要求與側(cè)重。根據(jù)職位設(shè)置和能力水平的不同，主要分為初級型、標(biāo)準(zhǔn)型、中端型、高端型，如圖1所示。

（一）BIM初級型人才的能力要求

初級型人才主要完成專業(yè)的翻模工作，是BIM應(yīng)用的初級階段。

工作職責(zé)：獨立完成建筑、結(jié)構(gòu)、暖通等各專業(yè)圖紙的翻模工作，協(xié)助專業(yè)工程師完成初步方案設(shè)計及施工圖繪圖等工作。

能力要求：熟悉建筑、土木、暖通、工程管理等專業(yè)基礎(chǔ)知識，具備基本讀圖、識圖能力，了解BIM的基本建模流程框架，熟練操作BIM建模軟件和相關(guān)二維繪圖軟件，能依據(jù)各專業(yè)的設(shè)計圖紙進行三維翻模。

（二）BIM標(biāo)準(zhǔn)型人才的能力要求

標(biāo)準(zhǔn)型人才是在搭建BIM模型的基礎(chǔ)上，進行BIM專業(yè)分析，完成BIM分析報告。

工作職責(zé)：系統(tǒng)理解各專業(yè)的施工圖紙，負(fù)責(zé)專業(yè)協(xié)同的BIM三維模型搭建?；贐IM信息模型，進行專業(yè)間的碰撞檢查分析，對綠色建筑設(shè)計過程提出優(yōu)化建議，完成BIM虛擬漫游、虛擬施工模擬等三維可視化工作。

能力要求：熟悉項目全生命周期的BIM應(yīng)用框架流程，具備扎實的專業(yè)知識和BIM應(yīng)用實踐經(jīng)驗，熟悉BIM應(yīng)用技術(shù)相關(guān)規(guī)范，熟練使用BIM軟件及各類設(shè)定信息參數(shù)的含義。

（三）BIM中端型人才的能力要求

中端型人才主要進行專業(yè)之間的綜合協(xié)調(diào)，具體負(fù)責(zé)BIM項目的團隊組建、工作計劃等全方面工作。

工作職責(zé)：作為BIM建設(shè)項目的第一負(fù)責(zé)人，全面負(fù)責(zé)BIM執(zhí)行全過程，負(fù)責(zé)組建BIM項目團隊，確定人員組成及角色職責(zé)，負(fù)責(zé)模型創(chuàng)建、計算分析、圖紙繪制等專業(yè)間及設(shè)計環(huán)節(jié)間的綜合協(xié)調(diào)工作，負(fù)責(zé)BIM項目工作進度的管理與監(jiān)控及相關(guān)技術(shù)指導(dǎo)。

能力要求：具備深厚的建筑、土木、暖通和工程管理等相關(guān)專業(yè)背景，具有建筑行業(yè)實際項目的設(shè)計與管理經(jīng)驗，具有獨立負(fù)責(zé)大型BIM建筑工程項目的團隊管理經(jīng)驗，熟悉BIM專業(yè)軟件操作并深刻理解構(gòu)件信息參數(shù)的設(shè)定與選擇，具有良好的組織、協(xié)調(diào)、溝通和領(lǐng)導(dǎo)能力。

（四）BIM高端型人才的能力要求

高端型人才要求具備更強的BIM應(yīng)用能力，對BIM理論有更深層次的理解，可依據(jù)企業(yè)的不同實際需求進行BIM的二次開發(fā)。

工作職責(zé)：依據(jù)特定企業(yè)的業(yè)務(wù)需求，制定合理的BIM技術(shù)實施方案，并測試BIM軟硬件系統(tǒng)應(yīng)用的可行性與高效性。針對不同企業(yè)的實際業(yè)務(wù)需求，負(fù)責(zé)BIM軟件的二次高級研發(fā)工作。

能力要求：具備計算機應(yīng)用、軟件開發(fā)和建筑工程類專業(yè)等專業(yè)級知識背景，能熟練掌握ASP.Net等高級開發(fā)環(huán)境，熟悉企業(yè)所用BIM軟件的開發(fā)接口，具備一定的軟件開發(fā)經(jīng)驗。

面對企業(yè)的層次化BIM人才需求，高校要與時俱進，深化BIM相關(guān)專業(yè)的教學(xué)體系改革，培養(yǎng)符合行業(yè)未來發(fā)展需要的高素質(zhì)BIM人才。

二、“四位一體”BIM教學(xué)體系

依據(jù)BIM人才需求的層次化與技能教育的特點，在整個專業(yè)培養(yǎng)過程中建立一個分階段、層次化、梯度式的BIM人才培養(yǎng)框架是可行且必要的。學(xué)習(xí)過程中，每個學(xué)生可依據(jù)自身能力、興趣點和未來的職業(yè)規(guī)劃，精確定位自己的適合層次，實現(xiàn) “以學(xué)生為主”的教學(xué)體系。

BIM能力培養(yǎng)不是簡單的軟件學(xué)習(xí)過程，而是BIM思維的綜合建構(gòu)。BIM課程體系的設(shè)計，應(yīng)以BIM理論為基礎(chǔ)，BIM軟件平臺為手段，強調(diào)工程建設(shè)項目全生命周期，構(gòu)建包含理論知識、軟件操作、教學(xué)實踐和綜合實踐的“四位一體”BIM人才培養(yǎng)教學(xué)體系，見圖2。

結(jié)合“四位一體”的理念和現(xiàn)有教學(xué)體系的特點，將BIM學(xué)習(xí)過程分為四個階段：認(rèn)知學(xué)習(xí)期、集中教學(xué)期、綜合實踐期和追蹤反饋期。針對不同階段的教學(xué)計劃，將BIM相關(guān)內(nèi)容嵌入到現(xiàn)有課程或開設(shè)獨立的BIM新課程。

（一）認(rèn)知學(xué)習(xí)期

認(rèn)知學(xué)習(xí)期是BIM學(xué)習(xí)的初級階段，主要在大一、大二開設(shè)的專業(yè)導(dǎo)論課和專業(yè)認(rèn)識實習(xí)中進行融合。在此期間，通過多媒體、動畫視頻、行業(yè)專家講座、BIM工程案例等直觀的可視化手段，使學(xué)生對BIM理念產(chǎn)生基本的感性認(rèn)識。明確BIM是什么，為什么學(xué)BIM，如何學(xué)BIM，逐步激發(fā)學(xué)生的BIM學(xué)習(xí)興趣，促進學(xué)習(xí)BIM的主觀意識。圍繞以上3個基本問題，建立了如表1所示的認(rèn)知學(xué)習(xí)期相關(guān)課程BIM學(xué)習(xí)內(nèi)容和教學(xué)要求。

（二）集中教學(xué)期

集中教學(xué)期貫穿大三、大四的整個專業(yè)課學(xué)習(xí)階段，是BIM知識掌握的重要時期。此階段主要學(xué)習(xí)BIM的理論方法和具體實踐應(yīng)用，每個BIM知識點都配套設(shè)置相應(yīng)的實踐操作教學(xué)環(huán)節(jié)，加強學(xué)生的BIM操作運用能力，達(dá)到理論與實踐融合理解?，F(xiàn)有的土木工程專業(yè)課程體系依據(jù)建設(shè)階段主要包含三大類課程：設(shè)計類課程、施工類課程和建造管理類課程。各階段的BIM運用側(cè)重點不同，下面針對不同的側(cè)重，設(shè)置相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容和能力培養(yǎng)方案。

1.設(shè)計類課程

在設(shè)計類課程的BIM教學(xué)中，重點幫助學(xué)生從2D到3D的設(shè)計理念轉(zhuǎn)換，使學(xué)生理解建筑設(shè)計中的材料性能、構(gòu)件空間關(guān)系、專業(yè)內(nèi)及專業(yè)間圖紙的碰撞分析等問題，能進行主體結(jié)構(gòu)、管線系統(tǒng)的綜合沖突分析，達(dá)到優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，減少施工變更的效果。

根據(jù)《高等學(xué)校土木工程本科指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范》[7]，將設(shè)計類相關(guān)課程進行BIM一體化融合。打通房屋建筑學(xué)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等設(shè)計專業(yè)課，實現(xiàn)建筑建模、結(jié)構(gòu)建模和模型應(yīng)用的一體化教學(xué)，優(yōu)化各設(shè)計課程及相應(yīng)課程設(shè)計實踐的關(guān)系。

2.工程施工類課程

在施工類課程的學(xué)習(xí)和課程設(shè)計階段，學(xué)生可將時間進度數(shù)據(jù)集成到BIM 3D設(shè)計模型中，實現(xiàn)4D模擬。

主要學(xué)習(xí)三方面內(nèi)容：

（1）施工現(xiàn)場布置模擬。基于BIM技術(shù)動態(tài)展現(xiàn)施工現(xiàn)場的場地劃分、施工路線，確定塔吊、材料堆放區(qū)、材料加工區(qū)和生活區(qū)等合理位置和最優(yōu)施工路線。

（2）施工過程模擬。引入時間維度，按照施工工序進行動態(tài)施工方案模擬，展示重要施工環(huán)節(jié)動畫，分析不同施工方案的優(yōu)劣，并確定最佳施工方案，優(yōu)化設(shè)備材料進場、勞動力配置、機械排班等各項工作，發(fā)現(xiàn)可能的施工隱患。

（3）重、難點關(guān)鍵部位精細(xì)化施工過程模擬。對施工的重點、難點和關(guān)鍵部位，進行動態(tài)施工及安裝模擬，提供虛擬現(xiàn)實信息，優(yōu)化關(guān)鍵工藝的施工安裝方法。例如，預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜部位的安裝、設(shè)備管線的安裝順序等。

3.建造管理類課程

建設(shè)項目的建造管理包括物料管理、成本管理、質(zhì)量管理、安全管理等。在管理類課程的教學(xué)過程中，學(xué)生通過BIM技術(shù)可實現(xiàn)對項目全生命周期的動態(tài)觀察。

（1）物料管理。通過BIM模型對構(gòu)件及材料的信息化表達(dá)，直接生成可清晰表達(dá)空間剖面關(guān)系的構(gòu)件三維加工圖、加工構(gòu)件和需求材料的數(shù)量表，實現(xiàn)物料管理的數(shù)字化，也解決了未來建造3D打印技術(shù)的數(shù)字建模問題。

（2）成本管理。學(xué)生運用BIM模型，納入時間和成本維度，建立成本的5D關(guān)系數(shù)據(jù)庫，對各個階段進行快速、多維度的動態(tài)成本核算，實現(xiàn)造價信息的不間斷追蹤管理。

（3）質(zhì)量管理。通過BIM設(shè)計模型與階段施工產(chǎn)品三維激光掃描模型的對比分析，可對現(xiàn)場材料、構(gòu)件及施工產(chǎn)品進行動態(tài)跟蹤監(jiān)控，掌握影響施工質(zhì)量的不確定性因素。

（4）安全管理。通過BIM模型的施工仿真模擬，發(fā)現(xiàn)各種不安全因素，解決和消除潛在的施工隱患。

在集中教學(xué)期，各專業(yè)課程的BIM教學(xué)內(nèi)容和具體要求如表2所示。

（三）綜合實踐期

BIM技術(shù)強調(diào)專業(yè)間的協(xié)調(diào)和建設(shè)階段間的相互配合。根據(jù)BIM教育的階段化特點，在大四本科畢業(yè)實習(xí)和畢業(yè)設(shè)計階段，通過實際BIM項目的綜合實踐應(yīng)用，提高學(xué)生的BIM實踐能力，同時注重培養(yǎng)學(xué)生的組織協(xié)調(diào)能力和BIM二次開發(fā)能力。

1.畢業(yè)實習(xí)與題目設(shè)置

與BIM企業(yè)建立“校企合作基地”，安排學(xué)生到企業(yè)進行畢業(yè)實習(xí)，使學(xué)生熟悉企業(yè)BIM項目的實施流程和實施方案。根據(jù)實際工程項目特點及企業(yè)需求，確定畢業(yè)題目，堅持“項目相同專業(yè)方向（或興趣點）不同，專業(yè)方向（或興趣點）相同項目不同” 的原則，有效解決了項目團隊制與畢業(yè)設(shè)計“一人一題”的矛盾。

2.BIM畢業(yè)設(shè)計過程

團隊小組中設(shè)置BIM項目經(jīng)理角色，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各角色成員的分工協(xié)作問題。依據(jù)進度要求，定期通過三維模型展示每位學(xué)生的進展。最終實現(xiàn)項目的設(shè)計、施工、管理整個全生命周期的信息化分析，形成BIM

分析的總報告和分報告（各自的畢業(yè)論文）。指導(dǎo)教師在過程中扮演指導(dǎo)及評審專家角色。對具有軟件開發(fā)興趣及掌握一定編程基礎(chǔ)的學(xué)生，可引導(dǎo)進行BIM產(chǎn)品定制開發(fā)的畢業(yè)設(shè)計工作。

（四）追蹤反饋期

建立“BIM校友交流微信群”，定期舉辦BIM校友沙龍，邀請畢業(yè)校友為在校學(xué)生開展BIM主題講座，分享BIM學(xué)習(xí)的樂趣和經(jīng)驗，及時獲取BIM相關(guān)企業(yè)單位的需求信息和畢業(yè)生的反饋信息。持續(xù)改進BIM應(yīng)用的教學(xué)實踐內(nèi)容，實現(xiàn)高校-畢業(yè)生-企業(yè)間的三方良性循環(huán)互動。

三、教學(xué)體系的實施及效果評價

（一）實施保障

為保障“四位一體”BIM教學(xué)體系的有效實施，中國地質(zhì)大學(xué)（北京）土木工程學(xué)科團隊在2015年制定了《中國地質(zhì)大學(xué)（北京）土木工程專業(yè)建筑信息化技術(shù)應(yīng)用教學(xué)體系實施方案》，方案給出了BIM教學(xué)實施保障體系（見圖3）。

實施方案主要從以下幾個方面保障BIM技術(shù)的課程融合教學(xué)：1）培養(yǎng)目標(biāo)上明確加入“具備一定的BIM應(yīng)用能力”的要求;2）調(diào)整或增設(shè)了部分課程的教學(xué)大綱、教學(xué)內(nèi)容及評分標(biāo)準(zhǔn)。例如，將建筑CAD調(diào)整為建筑CAD與BIM，學(xué)時由32增加到48，課程前半段講授CAD的基本知識，后半段講授Revit軟件操作。評分標(biāo)準(zhǔn)要求學(xué)生根據(jù)任務(wù)書建立Revit 3D模型并生成圖紙，在CAD中根據(jù)制圖規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進行修改，以三維模型和圖紙的準(zhǔn)確度來評分;3）成立BIM教研室，強化現(xiàn)有教師的BIM應(yīng)用技能學(xué)習(xí)，邀請BIM教育專家對相關(guān)教師定期進行系統(tǒng)培訓(xùn)和針對性訓(xùn)練;4）采購BIM實訓(xùn)平臺，建設(shè)BIM實訓(xùn)中心;5）成立“中國地質(zhì)大學(xué)（北京）BIM協(xié)會”，并舉辦“中國地質(zhì)大學(xué)（北京）BIM技能應(yīng)用大賽”。

（二）效果評價

“四位一體”BIM全過程融合教學(xué)已在土木工程專業(yè)2014級和2015級兩屆學(xué)生中進行了初步的教學(xué)實踐。通過對這兩屆學(xué)生的問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)（見表3），大部分學(xué)生對BIM技術(shù)都充滿了濃厚的興趣，并且能按照BIM教學(xué)計劃分階段掌握BIM的主要知識點，具備了基本的BIM應(yīng)用能力。

四、結(jié)語

針對企業(yè)對BIM技術(shù)的層次化需求，建立了多階段、層次化的“四位一體”土木工程專業(yè)BIM課程教學(xué)體系，課程體系的設(shè)置具有以下幾個特點：

（1）依據(jù)專業(yè)課程特點，科學(xué)、合理地將BIM技術(shù)要求的主要知識點嵌入各專業(yè)課程的教學(xué)內(nèi)容。

（2）強化不同教育階段、不同建設(shè)環(huán)節(jié)的BIM教學(xué)內(nèi)容整體融合。針對BIM知識點配套設(shè)置相應(yīng)的實踐操作環(huán)節(jié)，提升BIM教學(xué)的階段化實踐應(yīng)用能力。

（3）充分調(diào)動學(xué)生興趣，每個學(xué)生可依據(jù)自身能力、興趣點和未來職業(yè)規(guī)劃，找到適合自己的BIM能力需求層次培養(yǎng)方案。

（4）加強實踐環(huán)節(jié)和校企合作，強化實際工程BIM項目的綜合實踐能力考核，提升學(xué)生的就業(yè)競爭力。

（5）對畢業(yè)生持續(xù)追蹤調(diào)查，既為畢業(yè)生的BIM職業(yè)發(fā)展提供支持，又為在校生起到示范作用。推進BIM技術(shù)在教育、實踐和服務(wù)三方的深度融合創(chuàng)新。

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Four?in?one teaching system of BIM education in civil engineering specialty

CHE Wei，CUI Yue

（School of Engineering and Technology ，China University of

Geosciences（Beijing），Beijing 100083，P. R. China）

Abstract：

According to the hierarchical demand of BIM talents for the enterprises， the paper completes multistage and gradient integration of BIM technology into the whole process of undergraduate cultivation in civil engineering under the condition that the existing teaching course system is not changed. Four?in?one teaching curriculum system of BIM education is established. Based on the characteristics of each course， the main knowledge points of BIM technology are integrated into the teaching of each specialized course. The students can find the appropriate training plan of BIM ability according to their own abilities， interests and future career plans. The integrating innovation of education， practice and service of BIM technology is realized through strengthening the comprehensive practice ability assessment of BIM project and graduation tracking.

Key words： civil engineering; BIM education; four?in?one; teaching system