曹 兵 楊 麗 楊一振 徐達奇
(安徽工程大學(xué) 建筑工程學(xué)院,安徽 蕪湖 241000)
“十三五規(guī)劃”指出我國要進一步加快新型城鎮(zhèn)化建設(shè)步伐,中央在此背景下再次重申要加強發(fā)展“住宅產(chǎn)業(yè)化”,即住宅采用工業(yè)化預(yù)制部件裝配而成。國務(wù)院也指出要大力發(fā)展裝配式建筑并發(fā)布了指導(dǎo)意見,意味著未來建筑行業(yè)發(fā)展的方向是裝配式建筑。發(fā)展裝配式建筑是建筑建造方式的重大變革,有利于促進建筑業(yè)與信息化工業(yè)化深度融合[1]。近年來,我國也在不斷探索裝配式建筑發(fā)展與應(yīng)用,裝配式建筑是各土建專業(yè)的集成,需要從全產(chǎn)業(yè)鏈的角度去統(tǒng)籌考慮設(shè)計、生產(chǎn)、運輸、施工、安裝、維護,需要各專業(yè)之間協(xié)同工作,但目前我國裝配式建筑基本處于發(fā)展的初級階段,主要面臨著標準化不足、信息化不足、專業(yè)化不足等問題。裝配式建筑的核心在于“集成”,實現(xiàn)“集成”的關(guān)鍵在于信息協(xié)同。BIM技術(shù)的出現(xiàn)為建筑產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級提供了堅實的技術(shù)支撐,能夠真正實現(xiàn)建筑工業(yè)化與信息化的深度融合。BIM技術(shù)能夠為裝配式建筑提供最佳的協(xié)同設(shè)計與信息管理平臺,并通過項目信息整合實現(xiàn)實時的三維協(xié)調(diào)設(shè)計、生產(chǎn)、施工、運維等全生命周期的控制與管理,減少傳統(tǒng)設(shè)計易出現(xiàn)的錯、漏、碰、缺等問題,大大提高了設(shè)計、生產(chǎn)及施工效率,有效促進裝配式建筑的集約式發(fā)展[2]。因此,培養(yǎng)掌握BIM技術(shù)的高素質(zhì)土木工程專業(yè)人才對推動裝配式建筑的發(fā)展與應(yīng)用具有重要的作用和意義。為了適應(yīng)建筑行業(yè)的發(fā)展,國內(nèi)開設(shè)土木工程專業(yè)的部分高校也積極開展了專業(yè)教學(xué)改革和探索,加強培養(yǎng)掌握BIM技術(shù)的土木工程專業(yè)人才[3]。以培養(yǎng)具有創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)和實踐能力的應(yīng)用型人才為培養(yǎng)目標的安徽工程大學(xué)土木工程專業(yè),在培養(yǎng)掌握BIM技術(shù)的土木工程專業(yè)人才方面必須搶抓機遇。目前,安徽工程大學(xué)土木工程專業(yè)具有建筑工程和城市地下空間工程兩個方向,要想培養(yǎng)真正掌握BIM技術(shù)的土木工程專業(yè)人才,必須要構(gòu)建完整的基于BIM技術(shù)的土木工程專業(yè)人才知識體系,筆者在梳理了BIM技術(shù)在土木行業(yè)應(yīng)用情況的基礎(chǔ)上,對土木工程專業(yè)人才的培養(yǎng)提出了一些改革思路和進行了一些嘗試,將BIM 技術(shù)融入土木工程專業(yè)建筑工程方向和城市地下空間方向的課程體系當中,加強BIM技術(shù)人才培養(yǎng)。
BIM(Building Information Model)即為建筑信息模型,是基于計算機技術(shù)和信息技術(shù)融合而成的建筑信息應(yīng)用技術(shù),其核心為存放工程幾何、非幾何數(shù)據(jù)的唯一數(shù)據(jù)庫,工程規(guī)劃、設(shè)計、施工、管理等人員都能從該數(shù)據(jù)庫中獲取所需數(shù)據(jù),同時,以三維模式直觀表達建筑工程項目,為工程項目全生命周期提供可信賴協(xié)同和信息共享資源[2]。BIM技術(shù)具有多維化、集成化、可視化、協(xié)同性、模擬性等特點,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于土木工程各領(lǐng)域,可謂建筑行業(yè)的二次革命[3]。以下簡要介紹BIM技術(shù)目前在土木工程各領(lǐng)域的應(yīng)用情況。徐義洪等將BIM技術(shù)應(yīng)用于工程進度、成本工程和質(zhì)量管理中,BIM平臺可有效提高施工進度、減少工程材料資源浪費和節(jié)約工程成本[4]。陳旭元等將BIM技術(shù)應(yīng)用于超高層建筑機電安裝工程中,采用BIM進行虛擬建模和機電管線綜合優(yōu)化分析,有效提升了機電安裝水平、保證質(zhì)量和節(jié)約成本[5]。歐佳佳等將BIM技術(shù)應(yīng)用于公路工程的設(shè)計階段,有效提高了設(shè)計質(zhì)量和效率[6]。李張斌將BIM技術(shù)應(yīng)用于軌道交通工程設(shè)計中,BIM技術(shù)對軌道交通的質(zhì)量化發(fā)展具有重要意義[7]。卞友艷將BIM技術(shù)應(yīng)用于滬通鐵路站場路基設(shè)計中,探索出了站場路基多專業(yè)協(xié)同設(shè)計的解決方案[8]。陳辰將BIM技術(shù)應(yīng)用于建筑電氣設(shè)計中,有效提高了建筑電氣系統(tǒng)的整體質(zhì)量和水平[9]。李軒等將BIM技術(shù)應(yīng)用于上海吳淞口國際郵輪碼頭船舶交通管理中心項目的管理中,主要對該項目的設(shè)計、施工進行了輔助管理,有效提高了項目管理效率和降低了項目成本[10]。楊建峰等將BIM技術(shù)應(yīng)用于水利工程運維管理中,有效解決了工作效率低下、維修養(yǎng)護難等問題[11]。周寧等將BIM技術(shù)應(yīng)用于蘇州萬潤財富中心建筑全生命周期中,BIM技術(shù)對該項目方案設(shè)計、施工圖優(yōu)化、工程進度控制、項目運營管理等環(huán)節(jié)中均發(fā)揮了不可估量的作用和價值[12]。程希奇等將BIM技術(shù)應(yīng)用于襄陽東站幕墻項目的設(shè)計與施工階段中,有效提升了幕墻的設(shè)計與施工水平,解決了設(shè)計外觀效果與施工技術(shù)難題[13]。林懿等將BIM技術(shù)應(yīng)用于住宅建筑設(shè)計中,利用BIM技術(shù)對空間規(guī)劃、前期模擬、動態(tài)控制、節(jié)能與能源利用、設(shè)備選型與管道敷設(shè)、模型構(gòu)件制作等設(shè)計環(huán)節(jié)進行了優(yōu)化[14]。趙偉佳等將BIM技術(shù)應(yīng)用于湖北省科技館新館建設(shè)項目的設(shè)計與施工階段中,有效解決了大空間聲學(xué)問題和提高了施工生產(chǎn)效率[15]。嚴同博將BIM技術(shù)應(yīng)用于裝配式鋼筋混凝土建筑中,采用BIM技術(shù)能夠有效提高項目質(zhì)量和縮短項目工期[16]。楊威等將BIM技術(shù)應(yīng)用于清華園隧道施工管理中,有效解決了隧道地質(zhì)復(fù)雜、接觸面多、風(fēng)險大和環(huán)境保護要求高等施工管理難題,有效提升了隧道施工數(shù)字化、信息化與精益化管理水平[17]。孫艷崇將BIM技術(shù)應(yīng)用于基坑監(jiān)測項目中,直觀展現(xiàn)了項目安全狀態(tài)全貌,有效加強了基坑施工安全性[18]。趙亞寧等將BIM技術(shù)應(yīng)用于高鐵連續(xù)梁施工應(yīng)力監(jiān)控方案設(shè)計中,直觀展示了監(jiān)測儀器布設(shè)和輔助決策線纜排布,有效提升了施工監(jiān)控的效率[19]。除了上述實際工程外,上海中心大廈、北京水立方工程、上海浦東國際機場T1 航站樓、上海金虹橋國際中心、墨爾本Eureka大廈等大型工程中也均采用了BIM技術(shù)。BIM技術(shù)作為土木工程領(lǐng)域一項新型的信息技術(shù)手段,未來還必將有更廣泛地應(yīng)用,也必將成為我國工程項目全生命周期中規(guī)劃、設(shè)計、施工、運營維護、管理的主要趨勢和方向。尤其是對于裝配式建筑而言,各專業(yè)設(shè)計人員可以通過專業(yè)軟件對BIM數(shù)據(jù)庫中的建筑信息模型進行設(shè)計、計算、修改等操作,同時可被其他設(shè)計人員使用和共享,進而把裝配式建筑標準、設(shè)計、施工、運營維護等作為統(tǒng)一整體,使裝配式建筑全生命周期中的建筑信息變得有序,實現(xiàn)真正的協(xié)同化設(shè)計新模式,最終實現(xiàn)裝配式建筑的高效協(xié)同工作,為了適應(yīng)社會的發(fā)展,作為土木工程專業(yè)的學(xué)生也必須要掌握BIM技術(shù)。
構(gòu)建一套完整的基于BIM技術(shù)的土木工程專業(yè)人才知識體系是讓學(xué)生扎實掌握BIM技術(shù)的前提。筆者認為架構(gòu)系統(tǒng)性的BIM課程體系是構(gòu)建基于BIM技術(shù)的土木工程專業(yè)人才知識體系的重要切入點。對于BIM課程體系的架構(gòu)主要包含理論課程和實踐課程兩個方面。在BIM課程體系的架構(gòu)過程中,既要重視BIM基礎(chǔ)理論知識及相關(guān)軟件的學(xué)習(xí),還要進一步將BIM技術(shù)與專業(yè)課程融合,建立不同類型的BIM工程案例。通過設(shè)置科學(xué)合理的BIM課程體系,循序漸進,讓學(xué)生真正受到理論知識與實踐能力相結(jié)合的強化訓(xùn)練,使學(xué)生對自身專業(yè)中所涉及的BIM技術(shù)知識和操作技能達到更深層次的掌握,最終成為真正掌握BIM技術(shù)的專業(yè)性人才。
基于上述分析,筆者擬對目前的土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)課程體系進行適當調(diào)整,將BIM技術(shù)充分融入到土木工程專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的過程中,主要體現(xiàn)在以下幾個方面:
在理論課程中可新開設(shè)《BIM技術(shù)基礎(chǔ)》《BIM技術(shù)應(yīng)用》等理論課程。在《BIM技術(shù)基礎(chǔ)》課程中主要講授BIM的基本概念、信息模型、協(xié)同技術(shù)、集成技術(shù)、可視化及模擬技術(shù)等理論知識。在《BIM技術(shù)應(yīng)用》課程中主要通過實際工程案例講授支持BIM的各類專業(yè)軟件在建筑工程方向和城市地下空間方向中的具體應(yīng)用,例如,Revit 設(shè)計軟件、AECOsim Building Designer 軟件、廣聯(lián)達系列軟件、Tekla Structures鋼結(jié)構(gòu)軟件、品茗系列軟件等。通過上述新開設(shè)BIM課程的教學(xué),首先,讓學(xué)生真正理解BIM是一種多維數(shù)據(jù)信息模型,具有3D、4D、5D和nD功能;是一種協(xié)同工作過程,覆蓋工程的全生命周期過程;是一種信息模型集成工具,能實現(xiàn)不同專業(yè)不同階段信息的交換和共享;是一種可視化設(shè)計和模擬分析技術(shù),可清晰分析不同階段可能出現(xiàn)的問題。其次,讓學(xué)生深刻理解BIM技術(shù)和傳統(tǒng)CAD技術(shù)的主要區(qū)別。
現(xiàn)有的土木工程專業(yè)課程體系中主要涉及到工程基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)課、專業(yè)方向課四大類課程。在工程基礎(chǔ)課中,如工程制圖、土木工程CAD等課程均可引入BIM技術(shù),通過BIM技術(shù)建立三維模型,讓學(xué)生直觀地理解結(jié)構(gòu)各構(gòu)件之間的空間位置關(guān)系,尤其對一些復(fù)雜結(jié)構(gòu),僅通過點、線、面等幾何元素表達學(xué)生不易理解,引入BIM技術(shù)能夠更好地培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力。在專業(yè)基礎(chǔ)課中,如混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理等課程均可引入BIM技術(shù),通過BIM技術(shù)建立梁、柱及節(jié)點等三維模型,讓學(xué)生充分認識和了解不同類型構(gòu)件的構(gòu)造。在專業(yè)課中,如工程管理、工程造價等課程均可引入BIM技術(shù),可采用BIM模型進行工程成本、進度、質(zhì)量等管理以及工程量計算和預(yù)算。在專業(yè)方向課中,如建筑工程施工、地下工程施工等課程均可引入BIM技術(shù),通過BIM對工程施工過程進行模擬,讓學(xué)生更直觀地理解工程實際施工過程。在現(xiàn)有課程中引入BIM技術(shù)能夠有效調(diào)動學(xué)生聽課的積極性,提高課堂教學(xué)的質(zhì)量和效果。
學(xué)生除了掌握BIM理論知識外,還需要具備創(chuàng)新、實踐和團隊協(xié)作能力。因此,在理論課程基礎(chǔ)上設(shè)置BIM實踐環(huán)節(jié)顯得尤為重要。首先,可在課程設(shè)計、實習(xí)、綜合創(chuàng)新實驗訓(xùn)練等實踐課程中要求學(xué)生在課余時間進入BIM實訓(xùn)中心進行網(wǎng)絡(luò)建模學(xué)習(xí);同時在實習(xí)、畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)要求學(xué)生進入校外BIM實踐基地進行實踐學(xué)習(xí)。其次,在校內(nèi)舉辦BIM技術(shù)應(yīng)用大賽,要求學(xué)生根據(jù)自己的興趣組成BIM團隊,并充分利用課余時間進行BIM相關(guān)軟件學(xué)習(xí),同時鼓勵學(xué)生組隊參加更高級別的BIM技術(shù)應(yīng)用大賽,如高校建筑信息模型應(yīng)用大賽、高效BIM算量大賽、BIM畢業(yè)設(shè)計大賽等。設(shè)置BIM實踐環(huán)節(jié)能夠有效提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)的動力,同時能夠有效提高學(xué)生創(chuàng)新、實踐和團隊協(xié)作能力。
目前,土木工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計與實際工程聯(lián)系還不夠緊密,增設(shè)BIM方向的畢業(yè)設(shè)計能夠有效改變這種現(xiàn)狀。對于BIM方向畢業(yè)設(shè)計以實際工程為選題,學(xué)生根據(jù)自己的興趣可聯(lián)合其他土建類專業(yè)學(xué)生組成團隊,將畢業(yè)設(shè)計分為3個模塊,主要為設(shè)計模塊、施工模塊和招標模塊,每個模塊1名學(xué)生和1個指導(dǎo)教師。在設(shè)計模塊,學(xué)生根據(jù)工程資料利用Revit設(shè)計軟件進行建筑、結(jié)構(gòu)模型建模、分析及碰撞檢測等任務(wù),并對各專業(yè)間協(xié)調(diào)設(shè)計進行優(yōu)化,最后導(dǎo)出建筑、結(jié)構(gòu)施工圖;在施工模塊,學(xué)生通過Revit設(shè)計軟件建立施工場地,同時采用Fuzor、Navisworks等軟件制作出模擬施工的動畫,并利用BIM平臺編制施工方案、編制材料采購計劃、管理項目施工進度等;在招標模塊,學(xué)生采用BIM建立5D模型,并對工程量進行分析和統(tǒng)計,編制工程預(yù)算清單和招標文件。增設(shè)BIM方向畢業(yè)設(shè)計不僅可有效提高學(xué)生的綜合實踐能力,還能夠為后續(xù)從事BIM技術(shù)相關(guān)工作奠定基礎(chǔ)。
在土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)過程中,如何順利實施所構(gòu)建的知識體系是BIM專業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)必須思考的關(guān)鍵問題。筆者認為,教師水平、實踐平臺、管理制度等是影響基于BIM技術(shù)的土木工程專業(yè)人才知識體系順利實施的重要因素。因此,為了保障基于BIM技術(shù)的土木工程專業(yè)人才知識體系的順利實施,必須在師資力量、實踐平臺、管理制度等方面進一步加強建設(shè)。
教師水平將直接影響課程的課堂教學(xué)質(zhì)量,因此,需要培養(yǎng)專業(yè)的BIM教學(xué)團隊。主要采取自我培養(yǎng)和外聘兩種方式來進一步提高師資水平,其中自我培養(yǎng)主要以培訓(xùn)、交流、自主學(xué)習(xí)等相互結(jié)合方式;外聘主要是直接聘任行業(yè)BIM技術(shù)專家直接擔(dān)任BIM相關(guān)課程或?qū)嵺`環(huán)節(jié)指導(dǎo)教師。根據(jù)實際教學(xué)情況,適時邀請BIM技術(shù)專業(yè)人員前來進行BIM示范授課,同時利用假期時間,對專業(yè)教師進行集中培訓(xùn),培訓(xùn)內(nèi)容循序漸進,主要分為BIM工具級初級培訓(xùn)、BIM項目實戰(zhàn)級培訓(xùn)、BIM綜合應(yīng)用和教育實踐培訓(xùn)三個層次,具體培訓(xùn)內(nèi)容如表1所示。通過示范授課和培訓(xùn),首先,讓教師掌握BIM課程的授課技巧;其次,讓教師學(xué)習(xí)BIM軟件Revit、Naviswork等基礎(chǔ)操作,可以自主完成軟件操作,并用軟件作出相應(yīng)功能,且能夠獨立完成基礎(chǔ)級教學(xué)環(huán)節(jié);最后,以實際項目為載體,讓教師學(xué)習(xí)BIM軟件高級應(yīng)用,掌握高級建模方法以及模型應(yīng)用,能夠完成課程教學(xué)環(huán)節(jié)。除了培訓(xùn)外,還可選派BIM教學(xué)團隊教師參加與BIM技術(shù)相關(guān)的交流會議,可就BIM技術(shù)問題進行交流溝通。
表1 BIM師資培訓(xùn)內(nèi)容
實踐平臺是學(xué)生學(xué)習(xí)和應(yīng)用BIM技術(shù)必不可少的條件,也是BIM教學(xué)與實踐環(huán)節(jié)順利實施的重要保障。學(xué)院與杭州品茗公司加強合作,在逐級梳理了工程項目各階段BIM應(yīng)用價值點和充分結(jié)合相關(guān)課程內(nèi)容的基礎(chǔ)上專門建立了校內(nèi)BIM協(xié)同創(chuàng)新中心和校外BIM實踐基地。圖1為工程項目各階段BIM應(yīng)用價值點示意圖。目前,BIM協(xié)同創(chuàng)新中心主要分為BIM特色教學(xué)區(qū)、VR體驗區(qū)、無人機展示+3D打印區(qū)三大功能區(qū)。在BIM特色教學(xué)區(qū),配備全套人才培養(yǎng)需要的BIM相關(guān)軟件,在相關(guān)課程中可直接引入BIM信息化技術(shù);在課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計階段,以項目案例為貫穿,訓(xùn)練BIM的綜合應(yīng)用能力。通過BIM技術(shù)的遞進式培養(yǎng),使建筑信息化人才培養(yǎng)有效落地。在VR體驗區(qū),通過建立虛擬環(huán)境,學(xué)生可直接利用3D眼鏡和手柄可以操控虛擬世界中的各結(jié)構(gòu)構(gòu)件,讓學(xué)生直接觀看工程各個部位的結(jié)構(gòu)造型、構(gòu)件連接方式、施工工藝等,并可交互虛擬操作參與真實的建造過程。在無人機展示+3D打印區(qū),通過借助高精度的無人機設(shè)備,與現(xiàn)在BIM技術(shù)相結(jié)合,將無人機航拍的現(xiàn)場情況實時傳回,實現(xiàn)全方位、智能化、精細化掃描地形,通過品茗BIM三維策劃軟件進行三維模型的合成,從而可以在電腦上以最真實的數(shù)據(jù)和成像效果進行展示和應(yīng)用,極大的降低了地形測量的精度不夠,耗費大量資源的情況,使用BIM+無人機的技術(shù),可以讓學(xué)生不受場地限制的進行場地勘察。
圖1 工程項目各階段BIM應(yīng)用價值點示意圖
為了保障BIM教學(xué)團隊、BIM協(xié)同創(chuàng)新中心在土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)過程中充分發(fā)揮作用,學(xué)院也建立了一套管理制度,主要包括BIM師資管理、實踐平臺管理、教學(xué)質(zhì)量管理等制度。在BIM師資管理方面,建立了系列的激勵政策,如積極鼓勵教師指導(dǎo)學(xué)生參加BIM相關(guān)學(xué)科競賽,同等條件下教師培訓(xùn)、職稱晉升等優(yōu)先考慮,通過系列激勵政策,充分發(fā)揮教師在BIM相關(guān)教學(xué)與實踐環(huán)節(jié)中的引領(lǐng)作用。在實踐平臺管理方面,首先,建立了實踐平臺預(yù)約開放管理政策,除學(xué)生個人學(xué)習(xí)外,不同專業(yè)的學(xué)生也可以組隊進入BIM協(xié)同創(chuàng)新中心進行團隊實踐,為學(xué)生進行自主實踐探索提供保障;其次,建立了基于BIM協(xié)同創(chuàng)新中心的創(chuàng)新科研項目開放申報政策,通過項目立項激發(fā)教師和學(xué)生開展信息化研究的興趣。在教學(xué)質(zhì)量管理方面,進一步加大了實踐教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控和反饋力度,適時安排教學(xué)督導(dǎo)聽課,學(xué)生及時反饋教師教學(xué)及學(xué)生學(xué)習(xí)過程中存在的問題,教師持續(xù)改進以保證教學(xué)質(zhì)量,已形成了“評價—反饋—改進”的教學(xué)質(zhì)量持續(xù)改進體系。
隨著建筑信息化技術(shù)的快速發(fā)展,我國的建筑產(chǎn)業(yè)也在不斷尋求轉(zhuǎn)型升級,建筑產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷向綠色建筑和智能建筑發(fā)展,BIM技術(shù)為建筑產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級提供了機遇,建筑產(chǎn)業(yè)對掌握BIM技術(shù)的專業(yè)人才需求日益增加,傳統(tǒng)的人才培養(yǎng)模式已無法滿足社會的需求。安徽工程大學(xué)土木工程專業(yè)積極調(diào)整人才培養(yǎng)模式,構(gòu)建了基于BIM技術(shù)的土木工程專業(yè)人才知識體系,加大基于BIM技術(shù)的土木工程專業(yè)信息化人才培養(yǎng)力度;同時,為了保障基于BIM技術(shù)的土木工程專業(yè)人才知識體系順利實施,在師資力量、實踐平臺、管理制度等方面建立了系列保障措施,充分保障了基于BIM技術(shù)的土木工程專業(yè)信息化人才培養(yǎng)有效落地。在后續(xù)土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)過程中,繼續(xù)推進專業(yè)信息化建設(shè)。