基于“頂石課程”理念的BIM課程建設

張挺　許莉　范冰輝　王志濱　鐘旭盼

摘 ?要：目前，BIM課程建設中存在許多問題，如模型的案例項目較為簡易且與實際相差較大;項目之間銜接不完善，對項目的模型未成體系;BIM課程培養(yǎng)方案主要目的是讓學生學會相關軟件，往往忽略了學生的興趣培養(yǎng)等;目前這類課程的開設重點集中在一流院校，并把對BIM應用的研究重點放在研究生上;課程設計相互間聯(lián)系不夠緊密，課程設計一般不考慮工程的復雜多變等問題?；陧斒n程理念，在實踐教學環(huán)節(jié)引入BIM技術、在畢業(yè)設計方面對BIM技術做要求以及基于頂石課程的BIM課程設置，把BIM技術融入到實踐教學中，練習BIM的實際操作，在畢業(yè)設計開設BIM方向，既可以讓學生了解關于BIM的理論技術，掌握BIM技術的基本應用，在以后就業(yè)中使學生更能滿足用人單位的需求，也可以提高實踐教學質(zhì)量，實踐教學中存在的一些不足能夠得到解決。

關鍵詞：頂石課程;BIM課程建設;實踐教學;畢業(yè)設計;多學科學習;工學結(jié)合

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2021）01-0070-04

Abstract： There are many problems in the construction of BIM courses： the simple case project of the model; the imperfect connection between the projects， the unsystematic model of the project， the ignorance of the cultivation of students' interests， etc.; at present， the opening of such courses focuses on first-class colleges and universities and focus on the research of BIM application to graduate students; curriculum design is not closely related to each other， and generally does not consider the complexity of engineering and other issues. Based on the concept of top stone course， BIM Technology is introduced into practice teaching， the requirements for BIM Technology in graduation design and the BIM curriculum based on top stone course. BIM Technology is integrated into practice teaching， practice the actual operation of BIM， and the direction of BIM in graduation design can not only let students understand the theory and technology of BIM， but also master the basic application of BIM Technology. In the future， In the future employment， students can better meet the needs of employers and improve the quality of practical teaching. Some shortcomings in practical teaching can be solved.

Keywords： Capstone course; BIM course construction; practical teaching; graduation project; multidisciplinary learning; work-integrated learning

一、頂石課程的內(nèi)涵

“頂石”是指在建造拱橋、拱廊等建筑物時而在建筑物頂端架設的石頭，能夠增強整體結(jié)構，所以頂石的搭建意味著工程的順利完成。頂石課程，是建筑的“頂石”術語與心理學“頂峰體驗”概念的巧妙結(jié)合?！绊斒n程”引申到本科的教育領域中，相當于為了讓本科畢業(yè)生培養(yǎng)整合、分析和總結(jié)本科所學知識的能力而專門開設的相關課程，增強了學生對本科知識的整體表達。

頂石課程的四個主要功能有：1. 完結(jié)：頂石課程的教育對象是畢業(yè)生，這是他們本科階段的最后部分課程。2. 整合：頂石課程要求學生把本科學習的知識整合成一個整體，理清楚課程之間的脈絡及聯(lián)系，明白課程學習不是完成學習任務，而是為了一個有意義的整體而累積。3. 反思：對以前學習過的課程進行回顧和應用，既能加深對學科知識和技能的深刻認識，又能反思自己在現(xiàn)階段的不足和學習過程中存在的問題。4. 過渡：頂石課程是把知識轉(zhuǎn)化到實際應用，設計和完成自己的學習成果，這為畢業(yè)生以后步入社會、進入職場鍛煉能力。

頂石課程既貫穿于基礎課程和核心課程，又是基于他們的基礎之上，本科教育的課程體系是由基礎課程、核心課程和頂石課程共同構成，因此頂石課程在課程體系的尖端位置毋庸置疑。頂石課程的尖端地位要求學生的整體能力和自信心水平處于一個新的高度，完成新高度頂石課程的成就感，稱之為本科教育的“頂峰體驗”。

二、BIM技術及課程現(xiàn)狀

建筑信息化模型（BIM）技術，能夠?qū)θ蚪ㄖ袠I(yè)產(chǎn)生巨大影響和改變土木工程的構建方式，是學習建筑學、土木工程及其他工程學科的行之有效工具。BIM技術能夠?qū)⒔ㄖ锏恼鎸嵭畔⒂脭?shù)字技術模擬出來，它能夠反映出工程全壽命周期中的全部信息，包括各階段的工程信息、資源信息等。BIM技術連續(xù)、即時高效地提供高品質(zhì)、可靠度高的有關項目設計草案、設計成型方案、施工進度、質(zhì)量、成本控制信息的特點讓它具有降低工程成本、實現(xiàn)項目的精細化管理、確保工程高效有序完成的優(yōu)勢。BIM技術經(jīng)常被用在施工前期，以無死角、全方位模擬施工現(xiàn)場的方式，來預測后期施工時的潛在問題，這樣能夠采取合理的措施進行規(guī)避。

目前對于BIM的深入研究和BIM技術中國化方面取得了令人滿意的成績，能夠發(fā)現(xiàn)經(jīng)過系統(tǒng)學習BIM軟件的同學在建模能力和實踐能力上都有明顯的提升。但從整個土木的課程體系上來分析，還沒有充分發(fā)揮BIM技術的優(yōu)勢能力，表現(xiàn)如下：

1. 有些高校在虛擬沙盤、協(xié)同平臺、集成化建筑設計、可視化溝通平臺和造價體系等方面付出了很多的努力，但還是存在模擬的項目單一、簡單、不真實，比如一個鋼架或一座小橋這樣一系列問題。簡單的項目沒能展現(xiàn)BIM處理大批量沖突數(shù)據(jù)時的明顯優(yōu)勢，沒有充分發(fā)揮它的強大功能，學生也沒能感受到復雜的實際工程。

2. 部分高校開設BIM課程的目的是讓學生簡單學會使用BIM軟件，而實際上軟件是起輔助作用的操作工具，寶貴的本科時間只是用來學習軟件操作太枯燥、收益也低、教學效果不明顯。

3. 目前BIM應用范圍狹窄，模擬未形成完整體系，項目間銜接程度低。學習與實際脫離會讓學生迷惘，導致學生學習目的不明確。

4. 重視BIM技術專業(yè)人才培養(yǎng)的院校集中在一些一流學校，且BIM技術對本科生的培養(yǎng)缺乏，只注重對研究生的培養(yǎng);有些高職院校重點培養(yǎng)的BIM人才只具有單一技術;多數(shù)本科院校雖然認識到重要性，但教學課程體系沒有建立、對BIM的研究少，所以BIM沒有融入到學生的培養(yǎng)計劃中。

注重BIM技術在土木工程專業(yè)中的作用，在BIM課程建設中引入“頂石課程”的理念，可以在教學過程中有效、系統(tǒng)的傳授BIM技術的理論知識和實踐技能，也能高效為土木行業(yè)培養(yǎng)高新技術BIM人才。但是如何將“頂石課程”理念引入到現(xiàn)有的BIM課程體系中，如何調(diào)整學生培養(yǎng)計劃和制定實際可行的教學方案？這是當前土木專業(yè)教育工作者需要探究的一個重要問題。

三、基于“頂石課程”理念的BIM課程設計與實施

（一）頂石課程的實施方法

1. 工學結(jié)合

頂石課程工學結(jié)合方法的主要教學手段是學生參與實踐、實習，讓學生在一個給定的或模擬的專業(yè)背景下，參與工作的日常規(guī)劃、執(zhí)行和管理，面對工作的潛在難題和挑戰(zhàn)。工學結(jié)合的頂石課程持續(xù)時間長，學生要參與到實踐中完成崗位對應的任務，承擔對應的責任。課程旨在培養(yǎng)學生的工作技能和經(jīng)驗，與社會接軌，為學生進入職業(yè)生涯做準備。課程既有利于企業(yè)進行人才選拔和創(chuàng)造商業(yè)價值，也為學生提供學習和求職平臺，學生和企業(yè)在課程結(jié)束后可以進行雙向選擇，學生與合作企業(yè)的良好互動促進了校企合作的持續(xù)發(fā)展，形成頂石課程的良性循環(huán)。

2. 多學科學習

多學科學習的方式有不同專業(yè)學生共同完成一個跨學科項目或某一專業(yè)的學生學習和運用多學科知識完成專業(yè)項目。多學科學習頂石課程通過搭建一個能夠與專業(yè)相關人士交流的平臺，把專業(yè)各環(huán)節(jié)潛在問題進行討論和總結(jié)，讓學生從全貌認識專業(yè)，這樣學生可以結(jié)合自己已經(jīng)習得的專業(yè)知識和專業(yè)之外的背景知識，得出自己的認識。多學科學習拓寬了學生掌握技能的領域和知識架構，也培養(yǎng)了學生知識遷移的能力，滿足了社會對擁有多元學科背景知識人才的需求，旨在培養(yǎng)學生理解多學科知識的能力，提升將來進入職場的就業(yè)競爭力。

（二）基于“頂石課程”的BIM課程設置方面

研究發(fā)現(xiàn)在已有學生培養(yǎng)方案下設置基于“頂石課程”的BIM課程主要有如下困難：82%的高校沒有余地設置其他課程;66.7%的高校在加入額外必修課和選修課后，8學期畢業(yè)制不可能仍然實行;86.7%的高校教師面臨著開展一門新課程的時間和資源問題;53.3%的高校沒有BIM材料和課本可供學生使用。

基于“頂石課程”的BIM課程分為理論教育和實踐教育兩部分進行設置，這兩部分不是彼此獨立，可以相互搭、補充。其中實踐教育有專業(yè)課目對應的課程設計或?qū)I(yè)實習、畢業(yè)實習、畢業(yè)設計等。開展BIM教學的形式主要如表1。

結(jié)合教學形式表設置一套合理的BIM課程體系人才培養(yǎng)方案如表2所示。該課程體系重視BIM基礎知識和BIM軟件學習，也鼓勵學生將專業(yè)知識體系與BIM技術嘗試融合，讓他們能使用BIM軟件建立三維模型，掌握3D技術。

以下為一些細部要求或者輔助方法：

1. 建立BIM綜合實訓平臺相關專業(yè)的需求，就需要構建能夠融合BIM技術的綜合性的為了滿足上述BIM課程體系中相關課程開展實踐教學的實訓平臺，該平臺可實現(xiàn)建筑結(jié)構設計、施工虛擬仿真、招投標，既滿足土木工程專業(yè)如工程造價、工程管理等其標模擬、工程項目管理模擬等各類實訓。

2. 對師資力量加強BIM培訓。由于BIM相關技術涉及軟件較多，能夠在工程的全生命周期多方面應用，且側(cè)重于實踐，因此加強對現(xiàn)有教師的培養(yǎng)是很有必要的。通過邀請BIM行業(yè)的人才舉辦講座，鼓勵教師參加BIM技術探究，從而讓教師積極主動去學習BIM技術，了解BIM行業(yè)動態(tài)和前沿。其次可以開展校企合作，讓教師在企業(yè)的實際工程中鍛煉，提高BIM技術解決實際工程問題的能力，讓老師教育學生時能給到精準的指導，讓BIM技術的教學工作更有效進行，教學效果也會很顯著。

3. 鼓勵學生自行組建興趣小組去參加BIM技能大賽。如學?；蚱髽I(yè)等舉辦的BIM設計大賽、BIM軟件大賽等。

（三）頂石課程中實踐教學環(huán)節(jié)引入BIM技術

現(xiàn)有些院校設置有關BIM課程只是讓學生會使用BIM有關的軟件，學生不知這樣做的意義，教學效果很不理想。為了能夠更熟練的操作BIM相關軟件，可以將BIM融入到相關課程及實踐教學中，所以在BIM課程建設中引入實踐環(huán)節(jié)。

一個完整的工程項目包含全方面的內(nèi)容，所以實踐教學環(huán)節(jié)引入BIM技術是一個龐大的系統(tǒng)工程，具有顯著的實際意義。深入剖析目前土木工程學科的實習、設計等實踐教學環(huán)節(jié)，整合研究土木學科實踐體系，并且對教學思路有針對性地進行革新，建立聯(lián)系平臺，具體思路如下：

1. 首先，教學素材是基礎，開發(fā)關于BIM技術的教學素材，對大一新生將BIM軟件知識進行普及和將實習認知預備就緒。用BIM技術制作展現(xiàn)現(xiàn)場施工全過程的畫面，帶動學生的積極性，讓他們參與到動畫制作及分享動畫成果。這樣學生能夠身臨其境地感受土木施工，解決了“學土木有什么用？以后能夠做些什么？”這些縈繞于心的疑惑。帶著自己的感官認識，在以后的實習和工作，可以事半功倍。

2. 建立CAVE沉浸式展示系統(tǒng)和VR系統(tǒng)實驗室。CAVE沉浸式展示系統(tǒng)由投影儀和視頻融合系統(tǒng)組成，以實現(xiàn)裸眼3D的效果。激勵學生用BIM技術將二維圖紙轉(zhuǎn)化成三維實體，然后通過視頻渲染、視頻融合技術完成具有裸眼3D效果的作品。通過展示優(yōu)秀學生成果，可以讓學生更好地感受現(xiàn)場施工的實際操作流程。也可以根據(jù)教學需求，開發(fā)裝配式VR系統(tǒng)或者鋼筋拉伸等VR系統(tǒng)，然后讓學生感受VR操作流程。讓他們在學習基礎專業(yè)知識的同時，對土木能有更好的感知，激發(fā)他們的學習興趣在虛擬施工進行中和完成后，由實踐老師帶領學習小組去現(xiàn)實工地分多次勘察，讓學生不斷根據(jù)現(xiàn)實施工完善自己的虛擬施工流程，對自己存在疑問之處有深刻認識，提高學習效率、總結(jié)實際施工經(jīng)驗和技術要點。

（四）BIM技術畢業(yè)設計方面

基于“頂石課程”理念的BIM課程建設，旨在整合本科知識，反思學科認識和技能認識，完成好畢業(yè)設計以更好地過渡到社會中，畢業(yè)設計是頂石課程最重要的實踐環(huán)節(jié)，在畢業(yè)設計的過程中多加錘煉，達到綜合應用及系統(tǒng)的總結(jié)學生在本科階段學到的所有專業(yè)知識的目的，高校的教學質(zhì)量可以用畢業(yè)設計成果質(zhì)量的高低來顯現(xiàn)出來，也反映了頂石課程的質(zhì)量。發(fā)現(xiàn)在畢業(yè)設計完成過程中存在如下一些問題：比如畢設選題比較簡單且重復率高，導致最終存在大量類似的設計成果，抄襲情況也比較嚴重;選擇的設計題目和工程實際差別也較大，并且不同專業(yè)的單獨確定選題，這讓學生協(xié)作交流能力被限制了，學生知識面沒有得到擴展等。

基于BIM技術，在畢業(yè)設計課題選擇時就有很大的自由空間，可以選擇綜合體項目或者大型綜合性的工程項目。工程項目一般有設計、施工、造價預算這三個進展階段。

1. 基于BIM的設計階段

一是土建初步建模。設計滿足建筑需求的模型。二是土建深化建模。設計能滿足結(jié)構需求的模型。三是機電建模，將各個樓層的各種專業(yè)設備如給排水、空調(diào)、風管等建模，綜合各層各專業(yè)的管線，完成能用三維數(shù)值變現(xiàn)效果的模型。四是BIM審圖。用BIM審圖軟件將設計的土建模型和機電模型將兩種模型合并，實現(xiàn)將各個樓層里面的真實情景在審圖軟件中表達出來。

2. 基于BIM的施工階段

一是計劃施工網(wǎng)絡建模。創(chuàng)建用于施工模擬及實時控制的網(wǎng)絡計劃技術管理模型。二是布置施工現(xiàn)場建模。應用軟件生成直觀的三維施工場地布置數(shù)值模型，并自動生成臨水、臨電方案及臨建工程量。三是管理施工過程建模。把進度、預算、資源、施工組織等信息集成到BIM模型，進行施工過程模擬，即時、高效顯示施工過程中資源消耗、成本核算、計量、進度等數(shù)據(jù)，極大提升決策和溝通效率。四是碰撞分析。在BIM審圖中導入各方面維度的三維模型，利用BIM技術檢查現(xiàn)場管線等碰撞，盡量減少返工現(xiàn)象，把參考信息給實際問題達到降本增效。

3. BIM技術應用三維模型到工程造價階段，通過建立圖形算量模型可以提高造價計算效率。

基于BIM技術的畢業(yè)設計是頂石課程設置的重要環(huán)節(jié)，也是高校推進BIM教育的重要方式，隨著BIM技術發(fā)展和人才增多，將來可作為畢業(yè)設計的一種主要形式。

四、結(jié)束語

BIM技術是實現(xiàn)建筑信息化管理的基礎，應用于工程中能夠即時提供數(shù)據(jù)、產(chǎn)生經(jīng)濟效益、提高生產(chǎn)效率等，這先進的管理技術值得推廣。高校承擔的重任是培養(yǎng)BIM人才，滿足社會對BIM人才的需求。高?；凇绊斒n程”理念的BIM課程建設，通過調(diào)整人才培養(yǎng)計劃，在BIM課程設置方面做出完善、實踐教學環(huán)節(jié)引入BIM技術并進行創(chuàng)新嘗試、在畢業(yè)設計方面對BIM技術做要求，既可以讓學生對BIM理論加深了解，掌握和應用BIM技術，讓學生在以后就業(yè)中能更好滿足用人單位的需求，也可以提高實踐教學質(zhì)量，實踐教學中存在的一些不足能夠得到解決，推動我國的建筑業(yè)發(fā)展。

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基金項目：2018年福州大學一流本科教學改革建設項目“構建本科教學水平綜合評估體系提升教師教學水平”、“土木工程多方位多層次BIM教學體系建設”（校教〔2018〕58號）

作者簡介：張挺（1977-），男，漢族，福建壽寧人，工學博士，教授，研究方向：環(huán)境水力學及河流動力學、河道防洪減災。