BIM數字建造實踐教學探議

孫皓　鄒貽權

[摘 要]BIM數字建造實踐課程的目的是探討BIM實踐教學方法以及BIM核心技術在公共空間設計中的應用。針對BIM設計特點，結合行業BIM設計應用人才要求，實踐課題教學研究從課題選擇、實踐組織、教學方法、成果形式幾方面相應采取有效的教學對策;這是對尚處BIM運用初級階段的公共空間設計的一次有成效的嘗試，實踐成果為BIM教學與應用積累了經驗。

[關鍵詞]數字建造 實踐教學 BIM設計 族樣板 族的參數化

[中圖分類號] TU17[文獻標識碼] A[文章編號] 2095-3437（2015）06-0107-03

引言

當前，國內計算機輔助設計正轉向數字信息化模型（Building Information Modeling，以下簡稱BIM）技術，國內的一些高校建筑學專業計算機輔助設計課程的教學改革，取得了一些較好的經驗，值得我們認真學習。例如：華南理工大學計算機輔助設計已經全面展開BIM技術教學，形成完整的教學體系和教學模式，在專業教學上突出BIM技術的教學應用;同濟大學建筑學在計算機輔助設計這方面，加強了“可生成性”在教學板塊的權重，相關教學團隊已經將教學從計算機輔助設計的工具應用，轉向整個設計過程的數字全息化呈現過渡。

西方各大建筑學院中經歷了多年的BIM技術教育的實踐，已形成了各自的教學特色。例如：美國加州理工大學建筑和環境設計學院的計算機輔助設計，將BIM納入課程中，并于2007年起開始在核心課程中采用BIM軟件;亞琛工業大學開設計算機輔助設計課程分為BIM基礎選修課（建筑學專業學士學位）和BIM專業選修課（建筑學專業碩士學位）兩大類。基礎類課程面向設計，高級類課程注重實踐。

湖北工業大學的BIM設計教學最先在土木工程與建筑學院建筑學專業開展，由于起步較早，積累了豐富的教學與項目設計經驗，BIM在建筑設計中的應用處在較為前沿的水平。

就目前建筑行業的發展來看，BIM在建筑設計應用發展較為迅速，在一些專業應用相對成熟，如水電、暖通設計以及碰撞檢查。建筑設計BIM應用也帶動了與之密切相關的專業設計，如室內設計。因此，以建筑為主導的BIM設計對于人才的需求呈現一種增長趨勢。普及和提高BIM整體應用水平是大學計算機輔助設計教學改革的一個新方向。何關培的研究表明，BIM應用分為三個層級，即個人應用、企業應用、行業應用，其中個人應用的普及是提高BIM整體水平的基礎。

在室內設計領域對高級BIM設計人才需求的缺口很大，許多大型的公共建筑在項目設計全面應用BIM技術，室內設計時也要求使用BIM技術。由于目前BIM在室內設計應用研究方面處在初級階段，公共建筑室內設計往往缺少BIM合作團隊的支持，因此，從提高行業水平和拓寬應用范圍角度講，BIM設計教育前景很廣。鑒于此，本次實踐課題定位于公共建筑的室內空間設計研究，以BIM技術應用為核心，從課題的選擇、實踐的組織、實踐教學方法、實踐教學成果等方面進行一些教學嘗試，具體內容如下所述。

一、課題的選擇

實踐教學要做好選題工作。選題好壞直接影響最后的實踐成果質量。

選題方向依據湖北工業大學本科“721人才培養模式改革的基本原則”為指導思想，基本原則中的第二條提到“主動適應國家重大戰略需求、學科專業相關的行業需求、區域經濟需求和緊缺急需人才需求，具有一定的前瞻性”，初步確定數字建造實踐教學選題定位在BIM技術還未涉及的室內設計領域，尤其是公共空間設計。

從以往的實踐教學經驗總結來看，控制好實踐課題的難度是一個關鍵問題，課題的難度與施工技術有很大關聯，施工技術是選題要考慮的首要因素之一。其次，選題充分考慮參加實踐的學生人數、專業方向和學年層次;再次，考慮假期實踐教學周期和實踐設備的安排等綜合因素;最后，考慮課題的代表性、典型性和相對的完整性，保證學生在較短的實踐周期內在BIM建造層面和建造裝飾構造層面得到有效的訓練。指導教師根據以上四點原則確定實踐課題為某公共空間的衛生間數字化建造。公共空間的衛生間作為BIM數字建造課題，具體考慮如下：首先，公共空間的衛生間的裝飾構造技術標準性強，技術成熟，普及率高，相關技術學生在“建筑裝飾材料構造”課程中有所接觸，學生能很快掌握數字建造對應的構造技術，可以把更多精力投入到BIM數字建造技術上，以確保利用教學周期的時限出成果。其次從面積上考慮，公共空間的衛生間面積比廳堂類空間小，學生在數字建造時易于控制模型，其模型數據運算也是現有硬件條件的極限。從最后的實踐成果來看，這次實踐活動選題難度適中，達到了預期效果。

二、實踐的組織

團隊的組織。本次實踐活動團隊成員來自建筑學、室內設計、景觀設計三類專業，團隊按照設計院項目組的模式組織，團隊成員共4人，其中1人為團隊負責人。團隊負責人的選拔主要從兩方面考慮：一是具有扎實的專業知識，二是已經具備一定的經驗，熟悉BIM數字技術，且由一位高年級的同學擔任。負責人主要組織日常的工作，如給小組成員安排任務、制訂實踐進度、協調設備使用等;模塊任務分配也由負責人與成員一起協商確定。此外，負責人還有一項重要的工作，即組合各子系統的模塊，形成完整的模型體系。模擬設計院項目組的機制能最大限度地實現學生的自我管理，有效保障課題任務的順利實施;同時模擬設計院工作模式也利于發揮團隊成員各自的專業優勢，使學生熟悉BIM協同作業的工作流程。

實踐內容的組織。為使學生在較短的實踐時間內完成數字模型的建造，教師一定要有針對性地擬出本次數字建造使用的重點技術提綱，學生圍繞提綱展開研習，少走一些彎路。技術提綱主要包括兩方面：施工技術方面，體現為節點構造，如天棚龍骨構造、墻體圍護構造等;BIM在本次課題中的核心技術，如族模型技術、參數化設計技術等。合理的實踐內容組織，有利于學生掌握數字建造中必備的專業知識。

三、實踐教學方法

實踐注重能力的培養，展開研究性學習。指導教師在實踐教學中扮演引路人的角色，不宜采用灌輸性質的教學，也不應采用師傅帶徒弟的傳統方式。實踐教學活動不能停留在認知和學技術層面，而應注重培養學生研究問題、解決問題的能力。以下是在BIM數字建造實踐教學實施中采取的幾點措施：

（一）案例分析

案例教學以BIM設計思維為切入點。由于BIM突破了傳統設計工作中的重復勞動過程（人腦思考空間關系通過透視及正投影來描述）。BIM設計思考過程的邏輯是，直接在三維環境下進行設計推敲，能更加有效提高本職工作的價值，提高工作質量。因此，首先比較BIM設計案例與傳統數字化設計中設計狀態的差異，剖析傳統技術思維更多的是一種“畫設計”，設計多半是在二維圖紙狀態下完成，而BIM則不同，BIM的設計狀態處在三維虛擬建造狀態，三維狀態下的設計成果以直觀方式即時呈現。其次展開案例分析，案例分析的目的并不是要學生“照”著做，而是要讓學生樹立正確的技術思維觀念，案例分析教學以采用BIM設計的實際項目為基礎，一是分析建筑室內空間圍護系統的組成，以及不同的系統采用的不同結構技術，如天棚系統的龍骨分布方式、龍骨組合方式、飾面材料安裝方式;二是結合項目結構層面的內容與BIM設計層面的內容對應分析，明確BIM設計中的技術思路，引導學生從系統建造角度應用BIM技術;三是明確數字建造策略。實際項目設計有漸進性特點，設計不可能一開始就達到詳細設計的深度，因此要求學生在數字建造過程中遵循從總體數字模型建造、子系統數字模塊建造、數字化模塊組合的設計流程，并根據數字建造流程采用不同的數字建造策略。

（二）指導研究性學習

實踐教學的主體是學生，獨立性是主體性的最突出的體現，實踐教學就是要培養學生在研習中掌握BIM數字建造技術。

構造技術的學習。構造技術首先是要求小組成員熟悉國家相關的技術規范;其次了解材料的性能、尺寸（在BIM中需要對模型進行屬性的定義），熟悉各子系統具體的構造方式;再次是了解施工工藝和施工程序。本次數字建造的主要構造歸納起來有懸吊類的頂棚輕鋼龍骨構造、貼面類的墻地面構造、門窗構造等。指導教師提出指導性學習策略：總體了解，分系統深入學習。即小組成員都需要了解本次課題中設計采用材料與構造，負責各模塊制作的成員必須深入學習本模塊的構造技術，一定要達到熟練的程度。成員掌握實際的構造技術程度對BIM數字模型建造、二維圖紙的深度產生很大影響，這就是前文提到的“畫設計”和數字建造的本質差別。

BIM技術的學習。由于國內室內公共空間設計應用BIM技術尚處在剛剛起步的初期階段，可借鑒的項目案例很少。因此，指導教師為團隊提供有效的學習資源是課題完成的基礎保障。具體來講，根據實踐項目的技術需要，指導教師應有針對性地為學生提供BIM外文設計案例資料。學生也發揮學習的主動性，采取了一些具體有效的做法，例如：將BIM案例資料翻譯成中文以便于小組成員學習交流、歸納案例中使用的BIM技術、總結案例的設計流程等。經過初步的案例學習后，學生們結合實踐課題展開討論，并運用所學知識做了一些小型的建模實驗，檢驗前期的討論總結出建模方法。這種邊學邊練的方式大大提高了BIM建模技術的學習效率，學生的建模思路逐步清晰，為后續的數字模型建造打下良好的基礎。

（三）問題討論與解決

通過討論集思廣益，通過試驗解決問題。在數字建造的每個階段都會產生一些問題阻滯課題的進度。為了突破瓶頸，指導教師與小組成員共同選擇階段的核心的、共性的問題展開小組討論。在討論中教師從不同方向展開引導，小組成員集思廣益，不斷發散思維，各抒己見，找出產生問題的各種可能，梳理解決問題的切入點，通過大量試驗找出解決問題的關鍵技術。下面舉例說明。

問題一：模型沒有傳達建造中必要的數據和信息，只用Revit技術來建立粗糙的建筑模型。這屬于認識層面的問題，一般產生于實踐操作的初級階段。問題根源在于對BIM信息模型認識粗淺。針對這一問題，指導教師加強構造知識的學習，提出“建立模型主體框架，逐步層層深化”的建模思路。從最終成果看，BIM研究小組建立的模型達到了施工圖要求的深度。

問題二：“基于天花板的常規模型”的族文件無法載入項目文件。這個問題看似為一個子系統的問題，但實際上會影響到模型整體數據的運算。小組成員經討論和大量的操作性實驗終于找出問題的關鍵：建模過程中沒有合理運用“族”樣板。雖然建立的模型體積不大，但模型中存在許多的連接細小構建，這使得單個模型的面數量急劇增加，導致模型雖小運算量仍然十分巨大的結果，造成族文件導入項目文件中無法生成模型。找到問題根源后，小組成員提出了優化解決方案：先將一個模型復制到剪切板上，然后新建一個“基于面的常規模型”的族，并從剪貼板上將模型粘貼到“基于面的常規模型”族樣板中。將作為“基于面的常規模型”的一整個族導入此模型所在的系統。調整好位置后，再將“基于天花板的常規模型”導入項目，正常地生成模型。通過問題的解決，小組成員對BIM中“族與族之間的層級關系”的重要性有了更深刻的理解。

問題三：無法構建可以編輯成為體系的自定義族。這屬于典型的參數建模問題，即“族的參數化”建模。由于現有的資料還不足以支持對問題的解決，小組成員先從“族參數”著手摸索流程的設置，在“添加參數”這一環節遇到瓶頸，模型設計總是無法正確設定參數。在陸續試驗中大家發現參數設置與參照平面有著密切的聯系，于是從“參照平面”的屬性設置著手，但也沒成功。雖然采用上述方法沒有達到目的，但試驗的范圍在縮小，最終得出“族的參數化”與標注有著密切的聯系的結論。經過大量試驗的累積，小組成員得出了族參數化設置的主要流程：先對已建模型的參照平面進行標注，然后設置標注的性質，選擇“添加參數”對族的參數進行設置，設置完族的參數后導入項目，便可以對模型展開自定義編輯。至此問題得到解決，小組成員掌握了“族的參數化”建模技術要點，提高了建模工作效率。問題的研討有利于深入展開研究性學習，不斷試驗的工作方法，一方面促使學生們掌握并應用BIM核心技術;另一方面，極大提高了學生們實踐的研究能力。

（四）實踐教學成果的形式

三維信息化模型是這次BIM數字建造實踐核心教學成果，為更好地驗證實踐活動的效果，更好地促進實踐教學和實際應用，我們以三維信息化模型基礎出版了電子圖紙，編制了電子教程。

出版電子圖紙。電子圖紙涉及信息模型的圖紙轉換。室內公共空間無論采用何種方式設計，設計的結果最終要以規范的圖紙形式用于指導項目施工，所以二維的施工圖是本次數字建造的重要成果之一，即是否能將數字信息模型轉換為二維圖紙，這也是檢驗實踐水平的一個重要標準。從圖紙轉換新情況看，平面圖、立面圖、剖面圖反映的信息完善，節點大樣圖詳細深入，如填充材料的圖示準確，詳細結構的組合關系層次清晰，文字、尺寸標注信息完整等，在一些細節上的表達都比較理想，達到了能實際應用的要求。

編制電子教程。以課題的信息模型為基礎編制應用教程。編制教程的目的是總結設計經驗、優化設計技術、推廣BIM信息技術在室內設計領域的教學和實際項目應用。基于此思路，我們采取的做法為：在設計每個環節的建模過程都做了相關圖像保存，同時配上必要的文字說明。按照BIM設計流程，將各個模塊的建模步驟、建模思路以及每個模塊使用的關鍵技術以圖文結合的方式編制成電子教程。這也為實踐教學與交流提供了實用的案例，為以后的深入研究打下良好的基礎。

四、結語

總之，建立在“學科專業相關的行業需求、區域經濟需求和緊缺急需人才需求”的BIM實踐教學活動，就是要學生通過實踐掌握“真刀實槍”的前沿的設計技術，熟練運用各種施工構造，不斷提高研究性學習的能力。同時該實踐項目也是對計算機輔助設計課程教學延展的一個有益嘗試，所采用的教學方法已初見成效。通過該實踐項目，我們將進一步探索切實可行的、符合課程特點的實踐教學方法，為BIM教學與應用走向成熟積累經驗。

[ 參 考 文 獻 ]

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[5] 段培永.應用型創新人才培養的研究性教學模式探析[J].山東建筑大學學報，2012（4）：440-443，450.

[責任編輯：覃侶冰]

[收稿時間]2014-12-26

[基金項目]本文為湖北省教育廳教研項目《校企協同下的BIM創新人才培養模式研究與實踐》研究成果之一（課題編號：省2012274）。

[作者簡介]孫皓（1969-），男，江蘇南通人，碩士，湖北工業大學土木工程與建筑學院建筑藝術系講師，研究方向：建筑學、風景園林設計基礎教學及理論研究。