基于BIM的工程管理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)的研究*

吳京戎 蔣 翔 吳京戎

（1.湖北工業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430068；2.湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068）

在工程管理人才培養(yǎng)中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)學(xué)生的實(shí)踐能力、工程素質(zhì)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)具有非常重要的作用。而工程管理、土木工程專業(yè)學(xué)生在開展實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)過程中，由于建設(shè)企業(yè)的安全規(guī)定，對(duì)學(xué)生直接參與現(xiàn)場(chǎng)操作較為謹(jǐn)慎，學(xué)生很難參與企業(yè)的直接生產(chǎn)過程。為了解決這一問題，就必須加強(qiáng)信息技術(shù)相關(guān)能力的培養(yǎng)[1]，這就需要高校加大精力投入高度仿真的平臺(tái)建設(shè)。早在20世紀(jì)70年代，Chuck Eastman博士就提出了建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)[2,3]。如今，各大高校已經(jīng)將BIM教學(xué)引入課程，本項(xiàng)目將工程管理BIM實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)整合、建設(shè)，逐步實(shí)現(xiàn)了工程管理與其他學(xué)科、其他專業(yè)的交叉融合與實(shí)踐，緊密地聯(lián)系到教學(xué)實(shí)踐和教育科研的工作中，把先進(jìn)科學(xué)理念、研究成果體系和研究方法有機(jī)融入三維實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)，為促進(jìn)學(xué)生的主動(dòng)探究學(xué)習(xí)、獨(dú)立動(dòng)手實(shí)踐學(xué)習(xí)和自主創(chuàng)新學(xué)習(xí)實(shí)踐活動(dòng)創(chuàng)造了條件，促使BIM 三維實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)實(shí)踐作為學(xué)生自主探究解決學(xué)科基礎(chǔ)理論問題研究的最主要手段，構(gòu)建理論課堂互動(dòng)和教學(xué)實(shí)踐研究基地有機(jī)互動(dòng)結(jié)合的科學(xué)橋梁，進(jìn)而為實(shí)現(xiàn)教育、研究理論與教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)的科學(xué)有機(jī)互動(dòng)融合而打造平臺(tái)。

1 研究的作用及意義

建設(shè)BIM 實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，能夠解決BIM 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與專業(yè)課程教學(xué)之間相融合的問題，更好地構(gòu)建教學(xué)體系和建設(shè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)；同時(shí)，BIM 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)資源的開發(fā)和建設(shè)，能夠大大提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

(1)結(jié)合現(xiàn)有CAD、BIM實(shí)驗(yàn)室，充分整合各類實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源；構(gòu)建以能力培養(yǎng)為主線，多平臺(tái)、多層次、多模塊的，與課程體系相對(duì)應(yīng)的工程管理BIM 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)教學(xué)體系。

(2)通過建設(shè)BIM 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，不斷優(yōu)化師資隊(duì)伍和管理水平，建設(shè)一支“雙師雙能型”BIM實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理與教學(xué)團(tuán)隊(duì)；利用學(xué)院實(shí)驗(yàn)室參與企業(yè)橫向課題研究。

(3)提出一套BIM實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)與實(shí)體實(shí)驗(yàn)的結(jié)合機(jī)制，發(fā)展基于專業(yè)仿真軟件和多媒體技術(shù)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，構(gòu)建BIM 建筑模型實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，使學(xué)生能夠了解在建筑施工中，任何一個(gè)環(huán)節(jié)中的信息都對(duì)整個(gè)工程產(chǎn)生著舉足輕重的影響，可以加深學(xué)生對(duì)工程管理在整個(gè)建筑生命周期作用的理解。

2 研究背景

(1)基于學(xué)校長(zhǎng)期圍繞建設(shè)特色鮮明的高水平應(yīng)用型大學(xué)為目標(biāo)，堅(jiān)持深入推進(jìn)產(chǎn)教融合，與實(shí)驗(yàn)室相關(guān)的特色建設(shè)、雙師隊(duì)伍建設(shè)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育都取得了豐碩成果，在實(shí)驗(yàn)室設(shè)備資產(chǎn)、師資隊(duì)伍、管理模式等研究條件上夯實(shí)基礎(chǔ)。

(2)利用學(xué)?，F(xiàn)有教育部產(chǎn)教融合協(xié)同育人平臺(tái)、省級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)、湖北省荊楚卓越工程師建設(shè)平臺(tái)以及與湖北省住建廳的科研課題、與企業(yè)正在進(jìn)行的橫向課題。校企合作深入，師資力量雄厚、科研層次豐富。

(3)此項(xiàng)目所在學(xué)校近三年年均實(shí)驗(yàn)建設(shè)經(jīng)費(fèi)逾千萬元，建立有BIM實(shí)驗(yàn)室、CAD機(jī)房、土木實(shí)訓(xùn)車間，還有BIM協(xié)會(huì)、建筑設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)、工程成圖協(xié)會(huì)等數(shù)量眾多的特色實(shí)驗(yàn)室和學(xué)生興趣協(xié)會(huì)，還與湖北省地質(zhì)工程院、海波重工、中誠(chéng)信達(dá)咨詢公司、北京柏慕進(jìn)業(yè)等建立有產(chǎn)教融合基地。

(4)學(xué)校老師指導(dǎo)學(xué)生連續(xù)在眾多國(guó)家級(jí)競(jìng)賽中取得佳績(jī)。近三年，在全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)競(jìng)賽、全國(guó)大學(xué)生成圖競(jìng)賽、天正杯BIM 競(jìng)賽、湖北省工程訓(xùn)練競(jìng)賽、挑戰(zhàn)杯大賽、斯維爾BIM全國(guó)賽上均取得了好成績(jī)，體現(xiàn)了教師團(tuán)隊(duì)和學(xué)生的綜合能力。

(5)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)教師重視實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)改革，學(xué)校設(shè)立有寒暑假教師下企業(yè)鍛煉制度，目前雙師型比例超過50%；團(tuán)隊(duì)教師積極開展教學(xué)研討活動(dòng)，互相交流教學(xué)過程中遇到的問題以及改進(jìn)措施，多次選派教師外出培訓(xùn)學(xué)習(xí)、到兄弟院校進(jìn)行調(diào)研交流，為教學(xué)水平的提高、學(xué)科建設(shè)和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)奠定了很好的基礎(chǔ)。

3 研究?jī)?nèi)容

(1)BIM系統(tǒng)主要包括建模軟件(建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備)、綠色建筑分析軟件、工程造價(jià)計(jì)算分析軟件和施工組織設(shè)計(jì)軟件。整合網(wǎng)上及學(xué)院教學(xué)資源，完成工程管理BIM實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和資源的框架建設(shè)。

(2)基于廣聯(lián)達(dá)、BIM 5D、REVIT、PKPM的建筑設(shè)計(jì)及施工、算量軟件，使學(xué)生掌握應(yīng)用軟件進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)與建模，所建模型可以供下游綠色建筑分析軟件、造價(jià)計(jì)算與分析軟件直接使用，后者無須重復(fù)建模。并進(jìn)一步推廣到實(shí)際工程應(yīng)用中，提高學(xué)生的專業(yè)技能，為之后的畢業(yè)設(shè)計(jì)和工作奠定基礎(chǔ)。

(3)實(shí)現(xiàn)一鍵將一個(gè)已開發(fā)完成項(xiàng)目中的二維的BIM設(shè)計(jì)量模型自動(dòng)轉(zhuǎn)化成三維的設(shè)計(jì)算量模型、安裝的設(shè)計(jì)算量模型等的模塊，涵蓋了3D Max、Navisworks、Revit、建筑設(shè)計(jì)、MEP、綠化和環(huán)保工程模型以及多個(gè)專有的應(yīng)用軟件所支持到的數(shù)據(jù)格式。

(4)主要對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算與分析，可以進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)計(jì)算、基礎(chǔ)計(jì)算、砌體計(jì)算及結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)。支持多種軟件兼容或提供接口，如Revit、PKPM、Midas、Etabs、探索者等。將建筑模型導(dǎo)入后，可以直接進(jìn)行綠色建筑設(shè)計(jì)，利用綠色設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展目標(biāo)，包括自然采光、自然通風(fēng)、建筑節(jié)地設(shè)計(jì)、節(jié)水設(shè)計(jì)和室內(nèi)外通風(fēng)等。

(5)當(dāng)導(dǎo)入建筑模型數(shù)據(jù)并在軟件系統(tǒng)內(nèi)自動(dòng)進(jìn)行三維建模計(jì)算后，即可自動(dòng)完成對(duì)工期進(jìn)度的精確測(cè)算控制和綜合分析，利用施工進(jìn)度管理的系統(tǒng)功能，對(duì)施工過程實(shí)現(xiàn)了4D、5D 的實(shí)時(shí)施工和進(jìn)度跟蹤管控，把模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入安裝計(jì)算量軟件模塊中，即可自動(dòng)完成全面和專業(yè)級(jí)別的施工碰撞和檢測(cè)，完成地下管線綜合設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)流程優(yōu)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化施工管理方案設(shè)計(jì)等。

(6)導(dǎo)入建筑模型后完成項(xiàng)目施工及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的初步設(shè)計(jì)規(guī)劃和現(xiàn)場(chǎng)布置，制定施工項(xiàng)目進(jìn)度計(jì)劃，供建筑模型完成4D、5D 建筑的現(xiàn)場(chǎng)模擬，提供項(xiàng)目招標(biāo)文件范本，對(duì)接招標(biāo)計(jì)價(jià)軟件系統(tǒng)，導(dǎo)入項(xiàng)目工程量清單編制和投標(biāo)報(bào)價(jià)，制定投標(biāo)文件并開展項(xiàng)目招投標(biāo)[4]。

4 研究方法

(1)文獻(xiàn)收集與調(diào)查法。查閱收集與本項(xiàng)目相關(guān)的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)及案例，對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的共同點(diǎn)和不同點(diǎn)。有目的、有計(jì)劃收集實(shí)驗(yàn)資料，并對(duì)這些資料進(jìn)行分析、比較和歸納，揭示BIM實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)總體框架和運(yùn)行的最優(yōu)設(shè)計(jì)。

(2)實(shí)驗(yàn)法。根據(jù)研究需要，通過小型項(xiàng)目試運(yùn)行，借助一些方法和技術(shù)消除一些可能影響最終結(jié)果的因素，從而重新認(rèn)識(shí)研究對(duì)象；通過上述方法確定研究對(duì)象之間的因果關(guān)系。

(3)實(shí)際案例法。將BIM 平臺(tái)與實(shí)際實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，根據(jù)BIM 類項(xiàng)目橫向課題，選定一個(gè)特定對(duì)象進(jìn)行調(diào)查和分析，并與實(shí)體實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，弄清楚其特點(diǎn)和主要的形成過程，通過實(shí)際項(xiàng)目的推行完善平臺(tái)建設(shè)，并引導(dǎo)學(xué)生參與實(shí)際項(xiàng)目，建立創(chuàng)新性人才培養(yǎng)機(jī)制。

(4)模擬實(shí)訓(xùn)和交流學(xué)習(xí)法。模擬實(shí)際實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，開展BIM 仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)，著重培養(yǎng)學(xué)生理論結(jié)合實(shí)踐的能力和創(chuàng)新能力，組織相關(guān)教師到國(guó)內(nèi)外相關(guān)院校觀摩學(xué)習(xí)，組織參加高校BIM 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)與發(fā)展研討會(huì)，組織學(xué)生參加全國(guó)性的BIM類競(jìng)賽，增進(jìn)與其他院校的交流與聯(lián)系。

5 仿真實(shí)例

5.1 BIM建筑建模實(shí)訓(xùn)

學(xué)生將通過使用Revit、Navisworks、BIM 5D、Lumion、3D Max、AutoCAD 等專業(yè)軟件，實(shí)現(xiàn)三維全流程專業(yè)的BIM 施工模式系統(tǒng)的快速構(gòu)建設(shè)計(jì)和集成運(yùn)用，借助專業(yè)軟件的碰撞點(diǎn)檢測(cè)等檢測(cè)功能，快速檢測(cè)導(dǎo)出碰撞點(diǎn)模型的設(shè)計(jì)優(yōu)化，反復(fù)多次測(cè)試和調(diào)整優(yōu)化后最終獲得施工模型。整個(gè)BIM建筑技術(shù)系統(tǒng)的使用操作流程圖如圖1所示。

圖1 BIM技術(shù)應(yīng)用流程圖

5.2 碰撞檢測(cè)

對(duì)管線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使用BIM可進(jìn)行管線碰撞檢測(cè)，降低管線返工風(fēng)險(xiǎn)。運(yùn)用Navisworks對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行碰撞檢測(cè)，按照吊頂高度、安裝與操作、運(yùn)行與功能、養(yǎng)護(hù)與檢測(cè)設(shè)備等技術(shù)條件，全面地做出相應(yīng)的技術(shù)調(diào)整，達(dá)到國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定[5]。碰撞點(diǎn)示例如圖2所示。

圖2 碰撞點(diǎn)示例

5.3 優(yōu)化管線綜合排布

在三維環(huán)境下，可以查看模型中任意角度，特別對(duì)于管線布置縱橫交錯(cuò)、設(shè)備復(fù)雜位置的項(xiàng)目來說，通過Revit Mep深化后出施工圖紙，能提高施工效率。

在盡量確保管線符合地下建筑設(shè)計(jì)要求與地下利用空間功能要求的前提下，管道、管線應(yīng)盡量暗埋在地下管井、電井筒和吊頂內(nèi)，運(yùn)用BIM技術(shù)才能最好地實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

利用Lumion軟件制作三維動(dòng)畫，機(jī)械停車庫(kù)、車道視頻漫游等全面展示設(shè)備、管線、建筑結(jié)構(gòu)的位置、軸線標(biāo)高關(guān)系，有助于項(xiàng)目管理人員掌握整個(gè)工程的空間關(guān)系，如圖3所示。

圖3 虛擬動(dòng)畫漫游圖

最后進(jìn)行成果圖輸出，包括三維圖、局部大樣圖和剖面圖、支吊架、安裝順序和工程量清單等，如圖4所示。

圖4 施工成果圖

5.4 全過程一體化管理

運(yùn)用現(xiàn)代BIM建筑技術(shù)，通過對(duì)地下管線進(jìn)行綜合分析的信息系統(tǒng)整合，導(dǎo)出地下管道構(gòu)件的分項(xiàng)工程量清單統(tǒng)計(jì)，見表1。并可同招標(biāo)投資和監(jiān)理部門統(tǒng)計(jì)出的分項(xiàng)工程量清單數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向比較和修正，為編制招標(biāo)投資預(yù)算文件提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。對(duì)管道結(jié)構(gòu)工程實(shí)施精細(xì)化管理與流程規(guī)范化管理，在結(jié)合了RFID技術(shù)應(yīng)用與GPS定位技術(shù)應(yīng)用銜接點(diǎn)后實(shí)施的安全生產(chǎn)與施工管理階段，進(jìn)行了全生命周期過程的統(tǒng)一管控。

表1 管道明細(xì)表

5.5 實(shí)訓(xùn)小結(jié)

通過BIM 技術(shù)的滲透學(xué)習(xí)，從建模到最后的BIM 5D綜合應(yīng)用管理，引導(dǎo)學(xué)生參與分析、討論、表達(dá)等，使學(xué)生在具體的問題情境中積極思考、主動(dòng)探索，以培養(yǎng)學(xué)生綜合能力，使學(xué)生快速參與項(xiàng)目實(shí)施全過程，掌握BIM虛擬仿真應(yīng)用技能。

6 研究重點(diǎn)、特色及創(chuàng)新

6.1 研究重點(diǎn)

通過建立虛實(shí)結(jié)合的工程管理BIM 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，形成與專業(yè)課程相對(duì)應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，完善仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)大綱，拓展實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐教學(xué)的深度和廣度，使學(xué)生能通過虛擬仿真BIM實(shí)驗(yàn)融合，學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)步驟，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)原理，掌握專業(yè)技能，鞏固理論知識(shí)，全面提升學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。

6.2 研究特色

(1)建立虛實(shí)結(jié)合、虛實(shí)互補(bǔ)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，結(jié)合構(gòu)建BIM模型虛擬仿真技術(shù)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)操作相互補(bǔ)充，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，充分啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，大大緩解實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)資源有限的矛盾，利用可視化的動(dòng)態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)使學(xué)生直觀地認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使學(xué)生更為系統(tǒng)地掌握專業(yè)理論知識(shí)，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

(2)運(yùn)用多種信息化手段，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室人工運(yùn)行模式到基于網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室智能運(yùn)行新模式轉(zhuǎn)變，整合優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，降低實(shí)驗(yàn)室維護(hù)及耗材成本，實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的有機(jī)結(jié)合，使得實(shí)驗(yàn)室管理、教學(xué)、科研與信息化技術(shù)攜手并進(jìn)。

(3)以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力為宗旨，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與信息技術(shù)，構(gòu)建具有貼近工程、高度仿真、開放共享的工程管理BIM實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。

6.3 研究創(chuàng)新

(1)工程管理專業(yè)BIM綜合實(shí)驗(yàn)與教學(xué)實(shí)踐平臺(tái)系統(tǒng)的建立，一方面能夠真正使學(xué)生系統(tǒng)地接受涉及從建筑設(shè)計(jì)、施工、算量、管理流程等的全知過程、全方位知識(shí)的專業(yè)綜合實(shí)踐理論知識(shí)，另一方面訓(xùn)練學(xué)生培養(yǎng)由專業(yè)理論應(yīng)用到工程實(shí)際、理論應(yīng)用與工程實(shí)際的交叉融合應(yīng)用的專業(yè)綜合實(shí)踐能力，達(dá)到專業(yè)知識(shí)、能力、素養(yǎng)三者協(xié)調(diào)發(fā)展的專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)。

(2)該平臺(tái)開設(shè)的試驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目與科研相結(jié)合，堅(jiān)持以最前沿的科研成果和虛擬仿真技術(shù)為先導(dǎo)，保證工程管理BIM平臺(tái)的先進(jìn)性，保證人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

(3)平臺(tái)不僅是在校生實(shí)訓(xùn)的場(chǎng)所，同時(shí)可作為社會(huì)人員繼續(xù)學(xué)習(xí)、培訓(xùn)、提升的基地，創(chuàng)新土木工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)與人才培養(yǎng)模式。

7 結(jié)語

(1)工程管理BIM 仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)，可為建筑設(shè)計(jì)、土木工程施工、工程造價(jià)管理、工程項(xiàng)目管理、橋梁結(jié)構(gòu)、BIM 技術(shù)推廣應(yīng)用等其他模塊虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)提供參考和解決方案，進(jìn)一步為土木工程、道路橋梁專業(yè)等綜合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心的建設(shè)打下基礎(chǔ)。

(2)工程管理BIM實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)項(xiàng)目成果具有可操作性、可復(fù)制性，可在各高校及職校嫁接使用。通過實(shí)例演練，學(xué)生利用BIM技術(shù)的能力得到了很好的提高，還可以參與各類課題與真實(shí)項(xiàng)目。

(3)工程管理BIM 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的運(yùn)行，給學(xué)生提供從工程認(rèn)知學(xué)習(xí)到專業(yè)實(shí)踐、綜合應(yīng)用訓(xùn)練多層次能力提升路徑，可有效提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力、專業(yè)建設(shè)和社會(huì)服務(wù)能力，促使學(xué)生更好的就業(yè)，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。