基于BIM技术的土木工程专业实践教学体系设计与探索

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　　摘 要：BIM技术具有信息的集成性、共享性、可视化、模拟性、优化性等特点，其在建筑业的推广和应用，为土木工程专业向应用型转型提供了一个强有力的外部工具支撑。洛阳理工学院土木工程专业（建筑工程方向）以BIM技術为切入点，建立新的实践教学体系，不断创新教学内容、教学环节、教学方法和教学手段。以BIM技术为依托，学院建立以工程项目为主线的多课程、连续化、数据共享的实践教学体系，能全面提升教师教学水平，培养出更多的具有较强社会适应能力和竞争力的高素质应用型人才。
　　关键词：BIM技术;土木工程专业;专业软件
　　洛阳理工学院土木工程专业（建筑工程方向）的目标是培养适应社会主义建设和社会发展需求，能从事房屋建筑工程结构设计、施工组织、工程监理、工程预算和管理工作的，具有较强的计算机应用能力的应用型工程技术人才。在新的形势下，应用型本科教育重在“应用”二字。在当前应用型本科教育和建筑信息技术快速发展的推动下，BIM技术在建筑业的推广和应用，为土木工程专业（建筑工程方向）向应用型转型提供了一个强有力的外部工具支撑。洛阳理工学院土木工程专业（建筑工程方向）以BIM技术为切入点，建立新的实践教学体系，不断创新教学内容、教学环节、教学方法和教学手段，全面提升教学水平，培养出更多的具有较强社会适应能力和竞争力的高素质应用型人才。
　　一、BIM技术的优势特点
　　BIM是建筑信息模型（Building Information Modeling）的英文缩写，指的是在建设工程及设施全生命期内，对其物理和功能特性进行数字化表达，并依此设计、施工、运营的过程和结果的总称。BIM技术是一种多维建筑信息模型集成技术，在设计阶段，基于建筑、结构、设备完成的3D模型可解决专业之间的碰撞问题，减少因“错、缺、漏、碰”导致的设计变更，促进设计效率和设计质量的提升;在招、投标和施工阶段，基于“3D模型+时间工序”的四维模型可以模拟实际施工，支撑工业化建造和绿色施工，优化施工方案，促进工程项目实现精细化管理，同时提高工程质量、降低成本和安全风险;基于“3D实体+时间工序+成本”的5D关系数据库，可应用于工程项目决策、建造施工、运维管理、改建拆除，有助于提升对整个项目的掌控能力和科学管理水平。BIM技术具有信息的集成性、共享性、可视化、模拟性、优化性等特点，其中，可视化、模拟性、优化性在教学环节具有明显的优势。
　　第一，可视化。基于BIM建筑信息模型的建筑工程全程可视化，学生可以直观地看到建筑工程中各构件的三维模型，全面观察各组件的相互关系。可视化的成果既可以用效果图进行展示或生成报表，还可以进行动画演示。丰富的项目展示方式使沟通、讨论、决策等都能在可视化的状态下进行。第二，模拟性。在设计阶段，BIM技术可以对一些项目进行模拟实验，如节能模拟、紧急疏散模拟、日照模拟、热能传导模拟等。在施工阶段，BIM技术可以进行施工方案、施工进度可视化动态模拟，直观呈现项目整体部署及配套资源的投入状态，充分展现施工组织设计的可行性。第三，优化性。建筑工程的设计、施工、运营的全过程是一个不断优化的过程。通过BIM相关专业软件支持，设计者可以在建筑方案、结构体系选型和布置、设备管网布局、施工工序和施工组织流程、成本造价等方面进行更好地优化，达到优化设计方案、减少施工变更、缩短工期、控制成本、提升质量的目的，从而实现项目精细化管理和企业集约化经营。
　　二、土木工程专业软件模块框架设计
　　土木工程专业（建筑工程方向）的主干专业课程有房屋建筑学、混凝土结构、钢结构、基础工程、建筑施工技术与组织、建筑工程造价、建筑设备等课程。根据课程特点及建筑工程的全过程解析，我们可将专业课程归纳为建筑结构设计、施工、造价三个核心模块。下图是三个核心模块的工程专业软件配置，是按照“夯实基础、专注专业”的标准进行配置的。
　　（一）基础软件AutoCAD和Revit
　　目前，建筑工程软件市场上有两个平台：传统的AutoCAD平台和基于BIM技术的Revit平台。基于点、线、面投影关系的AutoCAD平台，在建筑、水利、道桥、机械等工科专业具有普遍性和通用性。基于BIM技术的Revit平台是针对建筑工程专业量身定制的三维建模开发平台，并不适用于其他工业领域。因此，基于AutoCAD的基础性和通用性，在基础教学中，CAD软件作为工程制图的入门基础平台是不可替代的，并且CAD软件的操作历练为Revit软件的快速上手打下了坚实的基础。目前，国内各专业软件公司均是以Revit为平台进行二次开发的，以推出各自专业的BIM软件产品，如天正TR、PKPM-BIM、BIM5D等。因此，Revit软件是初学者掌握BIM技术的入门软件。
　　（二）专业软件模块
　　一个完整的建筑工程要由建筑、结构、水电暖设备、施工、预算等各个专业工种协同支持，每个专业有各自的专业体系和专业特点。学习过CAD平台的天正建筑软件的学生，明显能体会到天正建筑软件的专业性，这种专业性使操作者的建筑设计效率成倍地提高。教师要引入专业软件的学习，使学生更好地接近工程应用，从而达到应用型教学的目的。因此，洛阳理工学院土木工程专业（建筑工程方向）引入了PKPM、广联达、BIM5D三个基于结构设计、造价、施工的BIM类专业软件。
　　三、课程体系改革
　　课程体系建设的重要环节是实践教学。传统教学体系采用“专业理论课+课程设计”模式，各门课程设计选取的案例彼此独立，缺乏连贯性。而作为完成系统整合的毕业设计，由于时间限制，学生的选题只能从设计、施工、预算三个方向中选择一个作为题目，致使学生很难形成完整的建筑工程知识体系。BIM技术贯穿从概念设计、施工运营直到拆除的建设项目的全生命周期。教师仅在一门课程中应用BIM技术，会使其优势得不到有效地发挥。因此，教师要在整个课程体系中应用BIM技术。 　　（一）建立以项目为主线的课程设计体系
　　建筑工程分为民用建筑和工业建筑两大类。民用建筑又分为公共建筑、居住建筑两类，以混凝土结构为主，结构体系采用多层的框架结构和高层的框架-剪力墙结构。工业建筑以鋼结构为主，结构形式以门式刚架、排架结构为主。因此，课程设计的选题要以此为切入点，形成以两个项目为主的课程设计主线：一栋多层公共建筑、一座单层工业厂房。工业建筑的单层工业厂房由钢结构课程设计承担。民用建筑的多层公共建筑由房屋建筑学、混凝土设计和基础设计、工程造价四门课程设计承担。学生将房屋建筑学课程的建筑设计成果作为混凝土课程设计的题目，并完成基础设计和最后的工程预算。
　　（二）BIM技术在房屋建筑学课程中的应用
　　房屋建筑学课程设计是本专业学生的第一个专业设计，此时的学生专业知识储备不够，无工程经验，只具备平面功能空间布局的表达能力。由于建筑空间的抽象表达能力还没有开发，直接用二维图形表达抽象的三维建筑物，对学生来说是很困难的。教师采用Revit操作建模，直接布置墙体、门窗、楼梯等三维构件，使各单体构件和整楼模型均可视，避免了学生的错误空间想象。学生也可以通过模型进行反复推敲，同时也可以进行紧急疏散模拟，从而否定不合理的方案。BIM技术在房屋建筑学课程应用使学生的课程设计质量有所提高。
　　（三）结构设计软件的应用
　　Revit软件的优势是建模，其弱项是结构分析设计。PKPM是国内目前主流的结构设计及结构施工图输出软件，混凝土结构的SATWE和钢结构的STS是两个主要模块。学生使用PKPM建模和分析，可以将学生从枯燥、难懂的手算中解放出来，有利于学生大胆尝试各种结构布置，并最终选择受力合理的结构方案。笔者在PKPM的教学中，经常会提出一些特殊的问题，比如将原来的7度设防调整为8度设防，此时柱子的轴压比、梁端的配筋超筋等结果就分别在计算结果中显示出来。学生在解决相关问题的同时，对轴压比以及抗震设防等概念就有了更加深入的理解。问题解决后的成就感也激励着学生去尝试更复杂的结构方案。课程中形成的BIM结构配筋信息，以三维形式呈现，使学生对结构板、梁柱的配筋形式有直观的了解，促进了学生对平法施工图表达的理解。
　　（四）BIM技术在建设工程造价管理课程设计中的应用
　　教师将已形成的建筑和结构信息的Revit模型，通过广联达软件的插件，导入广联达土建GCL算量软件，能有效地完成工程量清单中的算量任务。学生可以从成本的角度，评判自己的设计是否经济、是否科学。为了提高模型导入对接中构件识别的准确度，该设计对Revit模型有一定的要求，这可以让学生形成良好的建模习惯。
　　（五）BIM技术在施工技术和施工组织课程中的应用
　　教师指导学生使用BIM5D软件，可进行工程量快速测算，可快速按照施工部位和施工时间以及进度计划等条件提取物资量，完成劳动力计划、物资投入计划的编制。利用BIM技术对施工方案、施工进度计划进行可视化动态模拟，能直观呈现项目整体部署及配套资源的投入状态，充分展现施工组织设计的可行性，使平时书面的、抽象的讲解，变成生动的、形象的动态演示，从而提升学生的学习兴趣和学习效率。
　　四、教学过程和教学评价改革
　　传统的课程设计实践教学采取的是“集中设计、手绘图纸、一次评定成绩”的模式，其有三大弊端：一是课程设计时间十分紧张，教师在选择题目时会减小工程题目的规模和难度，同时学生为了在短时间内完成设计，采取机械性操作，不经推敲，避难就易，不求甚解;二是单纯的手绘图纸过程枯燥，学生绘制潦草，计算机操作水平没有得到充分的训练;三是课程设计题目类型固定，学生有互相抄袭的便利条件，单凭纸面成果一次性评分，无法准确把握学生的实际掌握情况。因此，本专业对教学方法、教学过程、教学评价进行了改革。
　　第一，教学方法的改革。教师利用BIM技术建立基于项目的教学主线，让理论为实践服务。在BIM技术的支持下，学生可以在可视化、易修改、可优化的环境中学习，在建模中对所学内容有初步的了解，在修改和优化中对知识体系有更深入、更全面的掌握。第二，教学过程的改革。教师争取最大限度地强化实践教学的课时比重、课程结构，并引入全过程的实践教学，将实践教学在理论课开始之初进行切入，随着深入开展实践过程，让实践过程伴随着课程全过程。具体实施方法是：在课程开始时，教师利用两个课时的时间进行课程项目的任务说明、相关支持软件简要说明等，课程设计的全过程由学生在课外完成。课程中期，学生通过PPT进行两次题目汇报，指导教师针对学生的设计给出建议和技术指导。课程后期，学生完成项目设计，提交BIM模型和相关的纸质设计成果，并进行项目答辩。期末考试是对课程的理论知识点的评价。第三，教学评价体系的改革。基于上述“理论+实践”的全过程教学，本专业采用全过程的评价体系。课程总成绩由平时成绩（20%）、项目成绩（30%）、期末考试成绩（50%）三部分组成。其中的项目成绩来自两次题目汇报。
　　五、方案实施中需要解决的问题
　　第一，教师教学理念的转变。教师是应用型教学的主导者，应用型转型的关键是教师。高校作为推动者，除了在课程体系中加强实践教学量的设置，还应该在教师实践教学工作量的计算方面进行积极的支持和引导，促使教师提升实践教学工作绩效，增强教师实践化转型的积极性。第二，教师的BIM技术实践能力培养。核心专业课的任课教师均是任教多年的老教师，BIM技术对他们来说是一门全新的技术。高校要举办系统的BIM技术教学培训，更新老教师的知识结构。第三，BIM平台的软、硬件的建设投入。BIM软件对计算机的硬件要求较高，专业化的BIM软件也是不可忽视的重要一环。高校在进行硬件投入的同时，也应做好专业软件的配套计划，提高投入效率。
　　在应用型本科教育的推进和转型中，洛阳理工学院土木工程专业（建筑工程方向）引入基于BIM专业软件技术平台支持实践教学，既提升了学生的应用型技能，又培养了社会急需的BIM技术应用人才。洛阳理工学院土木工程专业（建筑工程方向）建立以工程项目为主线的多课程、连续化、数据共享的实践教学体系，贯通建筑信息模型的全流程，连接并理顺了核心专业的衔接，能将BIM技术的优势发挥到最大化，从而实现优化教学效果的目的。
　　参考文献：
　　[1]彭亚萍，王国林，丁文胜.土木工程应用型人才检测评估能力培养的研究与实践[J].高等建筑教育，2017，（2）.
　　[2]杨国平，黄平，高雪.BIM时代下的建筑CAD课程教学改革[J].山西建筑，2018，（34）.
　　[3]孙庆巍，李博，王珏.基于BIM技术的土木工程专业实践教学探究[J].高等教育，2018，（12）.
　　责编：清 欢
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