建筑電氣與智能化專業(yè)虛實一體化實踐教學探索

謝陳磊 汪明月 蔣婷婷

摘要：建筑電氣與智能化專業(yè)的傳統(tǒng)實踐環(huán)節(jié)中，學生通常只能掌握部分系統(tǒng)或施工環(huán)節(jié)，很難理解建筑電氣各個系統(tǒng)組成、施工及運行全過程。該文將BIM技術與現(xiàn)有實驗設備結合，提出一種虛實一體化實踐教學系統(tǒng)，與傳統(tǒng)實驗教學平臺進行有效結合，拓展相關實驗與實踐內容。通過創(chuàng)新教學方式，充分調動學生的主觀能動性，增強學生對建筑電氣與智能化系統(tǒng)與工程的全面理解，培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識，提高學生的專業(yè)實踐能力和終身學習的能力。

關鍵詞：建筑電氣與智能化;BIM技術;虛實一體化;實踐教學

中圖分類號：G642.0? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）13-0021-03

1 背景

建筑信息模型（Building Information Modeling， BIM）技術是建筑行業(yè)廣泛運用的一種新技術，國外很多高校將其作為輔助手段引入到教學當中并取得成果。美國亞利桑那州立大學將BIM技術引入到實驗教學中，培養(yǎng)學生的實踐動手能力[1];賓夕法尼亞州立大學也在教學中應用BIM技術取得了富有成效的結果[2]。在國內已經有部分高校將BIM技術引入到教學研究中。清華大學、同濟大學、天津理工大學、深圳大學等高校率先將BIM技術應用到專業(yè)教學中[3]。在建筑電氣與智能化專業(yè)課程中引入BIM技術相關的工程實踐課程，可提高學生的學習效率，并讓學生提高綜合能力更加契合就業(yè)市場需要。

建筑電氣與智能化專業(yè)是將信息技術應用于建筑領域所形成的新型交叉學科[4]，所涉及的系統(tǒng)繁多，系統(tǒng)結構復雜。同時，受到專業(yè)實驗室空間和經費的限制，建筑電氣與智能化專業(yè)的實驗室無法展示各個實際完整系統(tǒng)，傳統(tǒng)的實驗與實踐教學系統(tǒng)一般只是展示各系統(tǒng)運行基本原理，學生在實驗過程中也只能看到各個系統(tǒng)的某些局部特性，仍需要學生具有一定的空間想象能力。這給學生掌握實際工程知識帶來很多的困難，部分同學在做實驗過程學習興趣不高、缺乏主動性，最終造成學生學習效率低，實踐教學效果不明顯。本文構建基于BIM技術結合現(xiàn)有實驗設備的虛實一體化實踐教學系統(tǒng)。在分析相關建筑電氣與智能化系統(tǒng)的系統(tǒng)組成基礎上利用BIM技術建立不同建筑空間的3D模型與相關設備3D運行模型，并將部分設備模型與現(xiàn)有實驗設備建立連接關系，對于部分缺少的實驗設備利用BIM技術進行仿真模擬，進而組成完整的建筑電氣與智能化系統(tǒng)。通過分析系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，制定相應控制策略，完成實際與虛擬設備展示與控制，虛實一體化更全面形象地模擬建筑電氣與智能化系統(tǒng)實時運行狀況。利用BIM強大的信息處理和動態(tài)仿真能力，將實踐教學內容轉換為形象生動、可交互式的工程現(xiàn)場模擬場景，提高學生的學習興趣和實際操作能力。

2 建筑電氣與智能化實踐教學現(xiàn)狀

建筑電氣與智能化專業(yè)以培養(yǎng)建筑電氣與智能化及其相關領域應用型人才為目標，對學生工程實踐能力培養(yǎng)尤為重要。目前，專業(yè)實踐教學內容陳舊、教學模式與教學方法單一，無法調動學生的主觀能動性，學生的專業(yè)實踐能力已無法滿足建筑電氣與智能化行業(yè)的需求。主要存在以下問題：

1）實踐教學課時比例較少，實踐教學環(huán)節(jié)內容更新較慢，與行業(yè)發(fā)展脫節(jié)。學生在實驗室的實驗臺上只能看到建筑電氣與智能化的部分系統(tǒng)和部分施工環(huán)節(jié)，甚至只能看到一些現(xiàn)場照片或視頻。這對學生難理解建筑電氣各個系統(tǒng)組成及施工造成極大困擾。

2）實踐教學中教師往往通過二維施工圖紙或者實驗臺展示一些建筑電氣與智能化系統(tǒng)，需要學生具有一定的空間想象能力才能理解系統(tǒng)知識。對于沒有現(xiàn)場施工經驗在校學生來講，單一的教學手段給學生掌握實際工程知識帶來了很多的困難。

3）實驗與實踐內容以演示型和理論型為主，缺乏綜合型、設計型和創(chuàng)新型實驗。學生按照實驗指導書的步驟，被動完成實驗操作，缺乏積極主動思考，教學效果差。即使有綜合型、設計型和創(chuàng)新型實驗，但也缺乏相應的實際設備支撐，學生很難發(fā)揮積極主動性，不能滿足學生自主創(chuàng)新實踐的需求。

4）建筑電氣與智能化專業(yè)涉及多個學科專業(yè)，搭建完整的實驗與實踐教學系統(tǒng)有一定的難度，不僅對環(huán)境、場地要求高，且所需的實驗設備花費大。另外，本專業(yè)所用的實驗設備往往單體龐大，操作要求高，這些情況勢必制約了實驗設備臺套數(shù)。從實際角度來看，某些實驗設備不宜進行現(xiàn)場教學，很難讓每個學生都能夠熟悉和實際操作相關實驗設備。

5）部分實踐環(huán)節(jié)內容多以參觀實際的工程項目，由于校外實習基地建設薄弱，學生缺乏現(xiàn)場操作機會，無法調動學生的主觀能動性，并且學生并未得到實質性專業(yè)實踐能力鍛煉。

6）目前部分高校將BIM技術的應用列入建筑電氣與智能化專業(yè)培養(yǎng)的方案中，其目的為讓學生能夠熟悉BIM軟件及操作方法，并不是通過BIM技術更深入了解建筑電氣與智能化系統(tǒng)。

目前急需將BIM技術應用到實驗與實踐教學中，運用其強大的信息處理和動態(tài)仿真能力，通過BIM相關軟件的可視化功能，將實驗與實踐內容轉換為形象生動、可交互式的工程現(xiàn)場模擬場景，讓學生看到一個全面立體的虛擬設計效果，激發(fā)學生的學習興趣，加深學生對建筑電氣與智能化系統(tǒng)的理解，提高學生的實際操作能力。

3 構建虛實一體化實踐教學系統(tǒng)

3.1 建筑智能化系統(tǒng)集成實驗平臺

為解決實驗裝置緊缺問題，我校自主設計與研發(fā)了建筑智能化系統(tǒng)集成實驗平臺，如圖1所示。實驗平臺由不同廠家且技術類別不同的網(wǎng)絡管理控制器、直接數(shù)字控制器（Direct Digit Controller ， DDC）、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller， PLC）、溫/濕度傳感器、變頻器、風扇、燈帶、電源開關等產品構成，利用圖形化編程軟件進行數(shù)據(jù)采集及設備控制，是集設計、安裝、調試、集成一體化的實驗平臺?？芍С侄嚅T課程實驗與課程設計，并支持多門課程相結合的綜合實驗，服務以學生為主的創(chuàng)新性實驗及本專業(yè)的畢業(yè)設計。

實驗平臺由多種類型的控制器及現(xiàn)場被控設備組成異構網(wǎng)絡，通過協(xié)議轉換將不同廠商及協(xié)議集成到一個控制系統(tǒng)中，解決了建筑內各樓控子系統(tǒng)相對獨立、數(shù)據(jù)無法共享與復用等問題。在一個集成系統(tǒng)中仿真展示各子系統(tǒng)的運行狀態(tài)，讓學生在實踐過程中對建筑電氣與智能化系統(tǒng)有感官的了解。但是，在使用中發(fā)現(xiàn)該實驗平臺存在以下一些缺陷：

1）受實驗設備體量和造價限制，現(xiàn)場層傳感器的種類、數(shù)量偏少，只能提供少量開關量輸入設備、模擬量輸入設備少，不能完全代表建筑設備系統(tǒng)中的傳感器設備。同時，實驗平臺不能靈活添加傳感器設備，只能從現(xiàn)場層傳感器采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型達不到實驗實踐教學的需求。

2）平臺中各設備相對分散，實驗中需要學生自行構建設備系統(tǒng)，擬定系統(tǒng)運行功能，這時需要學生具有一定的空間想象能力，增加了實驗操作難度。

3）控制層系統(tǒng)無法對數(shù)據(jù)進行分析，對現(xiàn)場設備的控制策略更改較困難，并且控制界面是二維系統(tǒng)，對學生理解建筑電氣與智能化各個系統(tǒng)運行較困難。

為解決上述問題，拓展該實驗平臺的功能，在此實驗平臺基礎上搭建虛實一體化的實踐教學系統(tǒng)，使學生更加熟練掌握書本知識，培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識，提高學生的專業(yè)實踐能力。

3.2 基于BIM技術的虛實一體化實踐教學系統(tǒng)

為滿足新工科背景下電氣與智能化專業(yè)的需求[5]，本文以BIM技術為基礎構建虛實一體化的實踐教學系統(tǒng)，促進學生的理論知識與實踐相結合，讓其能夠更加熟練掌握專業(yè)課程知識并且解決智能建筑工程項目的實際問題，以滿足今后用人市場對建筑電氣與智能化專業(yè)人才的需求。

基于BIM技術的虛實一體化實踐教學系統(tǒng)架構，如圖2所示。實踐教學系統(tǒng)由現(xiàn)場層、傳輸層及管理層構成。現(xiàn)有建筑智能化系統(tǒng)集成實驗平臺實現(xiàn)現(xiàn)場層與傳輸層功能。管理層是基于BIM技術建立系統(tǒng)運行模型、設備模型、空間3D模型及人員等模型。利用BIM技術建立不同建筑空間的3D模型與相關設備3D模型，并將相關設備3D模型與現(xiàn)場設備或虛擬設備模型對接，完成“虛實一體化”數(shù)據(jù)采集?；诂F(xiàn)場與虛擬輸入設備數(shù)據(jù)，利用系統(tǒng)運行模型進行數(shù)據(jù)分析以后制定相應控制策略，將控制指令下達到現(xiàn)場與虛擬輸出設備，并將設備運行狀態(tài)進行動態(tài)3D展示。

實驗過程中，學生利用系統(tǒng)中現(xiàn)有的BIM資源庫搭建相應的實驗系統(tǒng)。目前本系統(tǒng)中已建成BIM資源庫主要包括建筑空間模型構建庫、人員庫、設備庫、設備模型運行數(shù)據(jù)庫、控制算法庫與前端顯示界面庫等。搭建的實驗系統(tǒng)可以基本模擬實際的工程系統(tǒng)，通過形象的系統(tǒng)3D展示學生可以形象生動理解系統(tǒng)組成與運行原理，激發(fā)學生的學習興趣。學生可以根據(jù)需要自行組建實驗系統(tǒng)，制定控制策略，進一步提高學生創(chuàng)新意識，提高學生的專業(yè)實踐能力。

4 虛實一體化實踐教學系統(tǒng)的應用

學生基于虛實一體化實踐教學系統(tǒng)實驗流程，如圖3所示。

1）利用建筑空間模型構建庫建立建筑空間3D模型，快速搭建建筑空間模型的可視化場景。包括建筑空間的類型、面積、方位、外觀與周邊環(huán)境等。

2）基于建筑空間模型，利用設備庫搭建設備3D模型。包括實驗過程涉及的實驗臺實際設備與虛擬設備。同時，如果實驗過程中需要相關人員信息，利用人員庫構建人員模型，設置人員年齡、性別、活動代謝、服裝熱阻率和人體做功率等。

3）基于設備3D模型，設置實驗系統(tǒng)輸入、輸出設備參數(shù)及展示方式。虛擬設備與設備模型運行數(shù)據(jù)庫對接，實際設備與實驗臺實際設備進行對接，保證輸入設備的數(shù)據(jù)與管理層中的系統(tǒng)運行模型完成連接并能實時進行顯示。

4）根據(jù)相關空間、人員與設備的輸入數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)運行模型中的控制算法庫選擇相應的控制算法或自行開發(fā)控制算法，制定相應控制策略，整個構建的虛實一體化系統(tǒng)開始運行，模擬建筑電氣與智能化系統(tǒng)實時運行狀況，并將運行數(shù)據(jù)進行顯示與保存。

5）學生記錄實驗過程中觀察與記錄系統(tǒng)運行過程中的參數(shù)變化情況，并且學生可以修改相應的人體參數(shù)、設備輸入?yún)?shù)與控制算法等得到建筑電氣與智能化系統(tǒng)不同實時運行狀況，增加實驗的自主創(chuàng)新性。

以智能建筑環(huán)境學課程實驗教學為例，通過建立熱濕環(huán)境BIM模型，掌握虛實一體化實踐教學系統(tǒng)在本專業(yè)中的教學應用。根據(jù)室內工作人員的平均新陳代謝率和普遍著衣指數(shù)，利用人體熱舒適度評價方法計算得到滿足人體舒適度室內熱濕環(huán)境的要求，采集室內熱濕環(huán)境真實/虛擬數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)運行模型分析得到相應的控制策略，進而對室內空調設備智能控制，形成滿足人體舒適度的室內熱濕環(huán)境。

利用建筑空間模型構建一個室內空間的3D模型，并在空間內加入環(huán)境參數(shù)傳感器（溫濕度計、風速儀等）、若干人員與風機盤管等控制設備3D模型，快速搭建室內環(huán)境模型的可視化場景。根據(jù)構建室內空間的功能、人員活動代謝、著裝情況，設置人體與設備參數(shù)等，并根據(jù)系統(tǒng)組成建立相關設備連接關系。根據(jù)人體熱舒適度評價方法得到熱舒適曲線，選擇相應的控制算法對風機盤管等被控制設備進行控制，實時顯示與記錄室內熱濕環(huán)境變化、被控設備運行狀態(tài)與能耗數(shù)據(jù)等，實驗界面展示如圖4所示。學生可以通過實驗過程形象地掌握風機盤管系統(tǒng)的組成及建筑環(huán)境的監(jiān)控方法。

5 結束語

構建基于BIM技術結合現(xiàn)有實驗設備的虛實一體化實踐教學系統(tǒng)，完善建筑電氣與智能化專業(yè)實踐教學體系，創(chuàng)新實踐教學模式，使學生理論知識與實踐相結合，讓其能夠更加熟練掌握專業(yè)課程知識并且解決智能建筑工程項目的實際問題，滿足今后用人市場對建筑電氣與智能化專業(yè)工程應用型人才的需求，對重構實踐教學體系起到重要的支撐作用。

參考文獻：

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[3] 田晶京，鄭云水.基于BIM的軌道交通實驗平臺建設[J].教育教學論壇，2019（15）：275-276.

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[5] 張玉，鞠全勇，牟福元，等.基于“建筑電氣與智能化”專業(yè)的新工科研究與實踐[J].教育教學論壇，2019（33）：164-165.

【通聯(lián)編輯：謝媛媛】