建設BIM研究與實踐創新基地的探索

馬良棟　張吉禮　梁若冰　王寶民

摘要：基于BIM技術的虛擬仿真實驗是建筑與土木工程專業實踐教學的發展趨勢，文章以實現BIM教學、BIM虛擬產品開發、BIM工程應用實踐三個層次的功能需求為目標，提出了大連理工大學BIM研究與實踐創新云服務平臺的建設思路，并從硬件平臺建設、軟件平臺建設、師資隊伍建設、BIM課程建設、運行管理機制建設、合作與交流6個方面總結BIM研究與實踐創新云服務平臺的建設方案，為BIM技術納入建筑與土木工程專業的課程體系提供借鑒。

關鍵詞：建筑與土木工程；建筑信息模型；虛擬仿真；實踐創新基地

中圖分類號：TU17；G642-0 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2016）01-00150-05

目前建筑行業正在經歷從2D-CAD到基于建筑信息模型（BIM）的三維數字模型技術應用的變革。在國外，設計與建設工程公司使用BIM的比率已達到77%以上，并且70%以上的高校已將BIM融入學生培養課程體系[1]。但在國內，BIM應用仍處于發展階段，在我國上千家甲級設計與施工企業中，除極少數設計院和施工單位外，大部分企業僅購買了BIM軟件，由于缺乏BIM設計人員，導致BIM軟件的利用率不高[2-3]。在高校人才培養方面，與國外高等院校積極將BIM技術引入課程體系，并進行一系列的課程改革和研究相比[4-5]，我國絕大多數院校并沒有將BIM技術理念納入課程體系，土木工程專業尚無關于BIM的成熟教材[6]。為進一步促進、落實教育部《教育信息化十年發展規劃（2011—2020）》要求[7]，推動信息技術與高等教育深度融合，創新人才培養模式，在建筑與土木工程領域培養具有創新能力，適應經濟社會發展需要的高質量工程技術人才，實現土木工程專業交叉人才培養模式，我校依托土木工程與水利工程學科相關專業，包括結構工程、建筑環境與能源應用工程、土木工程管理、橋梁工程、水電工程，聯合國內知名科研機構、建筑設計研究院、施工企業、軟件公司，以BIM技術為支撐，以科學研究和創新教學為目標，在遼寧省普通高等學校虛擬仿真實驗教學中心建設項目中，建設“BIM研究與實踐教學”相結合的“大連理工大學BIM研究與實踐創新云服務平臺”。該平臺為我校土木工程、水利工程相關專業人才培養提供強有力的虛擬實踐環境，對面向社會需求培養人才，全面提高工程教育人才培養質量具有十分重要的作用。

一、總體建設目標和建設思路

（一）建設目標

依托土木工程與水利工程整體學科實力，將學科專業與信息技術相融合，建成開放式的BIM研究與實踐創新基地，實現BIM基礎課程學習、各專業課程的BIM應用與分析、跨專業BIM協同畢業設計、專業課程BIM虛擬實驗產品開發及BIM工程應用實踐等本科專業人才培養教學和服務環節。通過教學資源的信息化，探索新型人才培養模式。

（二）建設思路

（1）BIM研究與實踐創新云服務平臺建設堅持“虛實結合、以實促需”的建設原則。“實”體現為BIM研究與實踐創新云服務平臺的硬件環境和軟件環境建設，學生利用該平臺動手實踐完成BIM基礎課程學習、各專業課程BIM應用與分析、跨專業BIM協同畢業設計等教學環節，并且結合實際工程完成BIM工程應用能力培養，從而以“實”來提高學生解決工程實際問題的能力。“虛”體現在專業課程BIM虛擬實驗產品開發方面，土木工程專業實驗綜合性強，通常與實際工程結合緊密的實驗無法在實驗室內讓學生直接深入參與，在認識實習和生產實習環節，學生也只能觀看構筑物但無法通過實際操作了解建筑過程的整體工藝，且一些隱蔽工程在現場也無法展示[8]，因此，構建高度仿真的虛擬實驗或虛擬工藝過程，是解決實踐教學不足的一個重要途徑，從而以“虛”來加強課程理論知識與實際工程應用的聯系。“以實促需”則是通過“實”的建設，確定“虛”的任務目標，以學生應用為中心，在BIM課程的學習和實踐過程中，逐漸實現專業課程BIM虛擬實驗產品開發的任務目標，一方面，在虛擬產品的開發過程中，提高了學生解決工程問題的能力，同時也豐富了專業課程虛擬產品庫，為課程教學提供豐富的虛擬教學資源，實現虛擬實驗過程。

（2）BIM研究與實踐創新云服務平臺建設堅持將學科建設平臺、科研項目成果轉化為虛擬教學實驗項目。BIM研究與實踐創新云服務平臺建設依托學科結構工程、建筑環境與能源應用工程、土木工程管理、橋梁工程、水電工程現有師資力量，將高層次的學科建設平臺、高水平的科研和工程項目成果融入云服務平臺的建設過程中，提升服務平臺的建設水平，提高教學實踐環節硬件和軟件環境質量，擴大專業課程BIM虛擬實驗教學規模。

（3）推進專業BIM課程建設，積極開展實踐教學體系改革。圍繞建筑設計、施工過程和運行管理全壽命周期，結合各專業課程，推進服務于專業課程教學的BIM課程建設，將BIM教學融于專業過程的教學內容中，提高學生應用BIM模型進行專業應用分析的能力。在此基礎上，推進專業課程教學和實踐教學改革，更新實踐教學內容，并進行教學模式和實驗手段的探索，以實現高素質工程技術人才培養目的。

二、BIM研究與實踐創新云服務平臺建設方案

大連理工大學BIM研究與實踐創新云服務平臺屬于虛擬仿真實驗教學中心的一部分，總體建設方案如圖1所示。依托結構工程、建筑環境與能源應用工程、土木工程管理、橋梁工程、水電工程等相關專業現有BIM軟硬件平臺，規劃建設大連理工大學BIM研究與實踐創新云服務平臺，滿足BIM教學、產品開發、工程應用實踐三個層次的功能需求，其建設內容包括硬件平臺、軟件平臺、師資隊伍、課程建設、運行管理與合作交流等6個方面。

（一）硬件平臺建設

良好的平臺系統構架不僅可以確保BIM研究與實踐創新云服務平臺的可靠性和穩定性，而且在將來對系統進行升級時具有良好的可擴展性[9]。圖2為大連理工大學BIM研究與實踐創新云服務平臺系統架構，包括實驗教學中心硬件環境建設和各專業BIM工作站硬件環境建設。實驗教學中心硬件環境包括服務器區、學生工作區相關硬件環境，其中BIM服務器用于BIM課程教學，數據服務器用于BIM虛擬產品開發及工程項目實踐等。專業BIM工作站用于各專業BIM教學、產品開發及工程項目實踐等，包括網絡服務器、學生工作區網絡化終端工位、多媒體系統及配套設施等。各專業BIM工作站的學生工作區網絡化終端與實驗教學中心學生工作區網絡化終端通過網路與實驗教學中心服務器和專業BIM工作站服務器聯結，網絡終端可通過遠程桌面和直接訪問的形式實現遠程訪問[9]。

（二）軟件平臺建設

為滿足BIM教學、產品開發、工程應用實踐三個層次的功能需求，選擇目前最先進的BIM軟件，通過數據交互軟件和二次開發，解決不同專業、不同功能軟件的數據交換，增強其兼容性、擴展性[10]。軟件平臺建設包括實驗教學中心BIM軟件建設和各專業BIM工作站軟件建設。實驗教學中心BIM軟件包括核心建模軟件Revit、各專業分析軟件（Ecotect、PKPM等）、模型綜合碰撞檢查軟件Navisworks、造價管理軟件、運營管理軟件等。各專業BIM工作站軟件建設包括各專業BIM設計軟件和專業應用分析軟件。

（三）師資隊伍建設

師資隊伍建設是BIM研究與實踐創新云服務平臺建設的關鍵，為滿足全專業BIM課程教學和專業畢業設計指導等需要，一方面教師必須掌握BIM相關理論和標準，同時需具備較強BIM工程實踐能力，如BIM模型建造、BIM模型應用分析和BIM項目業務集成等。依托建筑學、結構工程、建筑環境與能源應用工程、土木工程管理、橋梁工程、水電工程現有師資力量，以年輕教師為主，通過參加全國大學教師BIM技術培訓會、BIM技術專題講座、BIM競賽等方式，有計劃、有目標地重點培養BIM實踐教學指導教師，逐漸提升BIM實踐教學師資隊伍水平。

（四）BIM課程建設

BIM課程的目的是為各專業課程服務，圍繞建筑設計、施工和運行管理等內容，將BIM教學融合于專業課程的教學內容中，從而提高學生BIM應用分析能力。BIM課程包含三個方面，即BIM設計軟件課程，包括基礎性和通用性軟件課程；專業課程BIM應用分析軟件課程，包括物理環境性能分析軟件、機電設備分析軟件和結構分析軟件等；跨專業BIM協同畢業設計指導課程。BIM課程建設的重點主要圍繞專業課程BIM應用分析軟件課程和跨專業BIM協同畢業設計指導課程，共計6門課程，分別為BIM結構分析、BIM綠色建筑分析、建筑能耗模擬與分析、工程造價與管理、建筑工程施工模擬、跨專業BIM協同設計。

（五）運行管理機制建設

在教學組織方面，通過本科生創新創業項目和本科生畢業設計組織BIM學習班，在大二階段完成BIM概論及相關核心建模軟件教學以培養學生的BIM軟件操作及模型建造能力。大三階段通過科技創新計劃實踐教學環節培養學生BIM后期模型應用分析能力。大四階段通過畢業設計環節培養學生解決實際工程項目的BIM實踐能力，在產品開發和工程應用方面，依托結構工程、暖通、土木工程管理、橋梁工程等相關學科實力，與教師科研工作相結合，開展專業課程實踐BIM產品開發及BIM工程應用實踐等工作。

（六）合作與交流

聯合國內知名科研機構、建筑設計研究院、施工企業和BIM軟件公司共同建設BIM研究與實踐創新云服務平臺的硬件環境和軟件環境。一方面，企業為BIM研究與實踐創新云服務平臺建設提供技術資料和軟件，參與云服務平臺軟件維護和升級管理工作，確保平臺良好的運行狀態并始終處于同類平臺的領先地位，另一方面，學校為企業人才培訓提供支持。通過人才培養這個紐帶，學校和企業結成戰略合作伙伴關系[8]。在培養學生過程中，首先，依托科研機構、建筑設計研究院和施工企業的相關工程，讓學生參與實際工程項目，培養學生的工程實踐能力。其次，邀請相關領域的知名專家，到學校為學生作BIM方面的講座，讓學生了解該領域的前沿科學和工程問題。第三，定期組織學生參加BIM競賽，以提高學生BIM工程實踐能力和水平。

三、建設成效

目前，我校已完成了各專業BIM工作站的建設，并在學校教學改革基金重點項目的支持下，通過本科生創新創業項目和畢業設計等環節，在不改變現有課程體系的條件下，將BIM技術融入本科人才培養的全過程。

（1）通過參加全國大學教師BIM技術培訓會和BIM技術專題講座，經過2年時間，BIM師資規模達到10人以上，已滿足全專業BIM課程教學、專業畢業設計指導等需要。

（2）基于Autodesk公司的數字化培訓平臺，建筑學專業在二年級上學期和短學期分別開設了BIM課程：建筑數字技術1和建筑數字技術2，共計64學時，包括BIM基本概念、BIM模型設計、建筑性能分析、參數化設計等內容，使學生掌握應用建筑數字技術進行建筑創作、分析、展示的方法和技能。

（3）在大三和大四階段的專業課程學習中，建筑環境與能源應用專業和結構工程將BIM技術融入專業課程學習。建筑環境與能源應用專業將Revit等軟件引入建筑能耗模擬課程，實現了利用BIM技術完成模型建造和建筑能耗模擬的計算工作。結構工程開設了結構工程BIM設計方法與分析課程，實現利用PKPM進行工程結構分析等。依托本科生創新訓練項目，2014年和2015年分別組建了15人的BIM學習班，每個創新訓練項目由3～4個學生組成，其專業包括建筑學、建筑設備、結構工程或土木工程管理。通過1年時間項目成員共同完成一個建筑綠色化節能改造項目，項目內容包括建筑熱工參數及暖通空調系統運行狀況現場測試，利用Revit創建跨專業的BIM模型，進行建筑綠色性能分析和節能改造前后建筑能耗模擬、結構應力分析，在跨專業BIM模型基礎上進行項目規劃、數量估算、成本分析等。BIM專業應用分析課程學習培養了學生的BIM模型建造能力及后期模型應用能力。

（4）2015年，我校建筑環境與能源應用工程、結構工程和土木工程管理專業的部分學生，共計20余人完成了BIM畢業設計，其內容包括BIM建筑模型建立、BIM結構模型建立、結構應力分析、建筑能耗分析、空調系統BIM工程設計、建筑冷熱源BIM工程設計、工程招標估價BIM分析、建筑小區BIM展示、工程實施四維BIM演示等。參與BIM畢業設計的學生普遍取得了較好的答辯成績，全為優良以上，其中優秀率達25%。通過BIM畢業設計，培養了學生BIM工程實踐能力和BIM工程問題解決能力。

四、結語

虛擬仿真實驗教學是教育信息化的重要組成部分，基于BIM技術的虛擬仿真實驗是建筑與土木工程專業實踐教學的發展趨勢。文章總結了我校BIM研究與實踐創新云服務平臺建設目標、建設思路及建設方案。通過BIM研究與實踐創新云服務平臺實現BIM教學、產品開發、工程應用實踐三個層次的功能需求，從而實現BIM人才的大規模培養，對推進BIM以及建筑行業的發展具有至關重要的作用，同時為將BIM技術引入建筑與土木工程類高等院校的課程體系提供一定的借鑒，為其他類似虛擬仿真實驗中心的建設提供一定的參考。

參考文獻：

[1]克里斯托弗·帕韋爾科，阿蘭·D·切西. 當今大學本科課程中的BIM課程[J]. 建筑創作，2012，18（12）：20-29.

[2]趙雪鋒，李炎鋒，王慧琛. 建筑工程專業BIM技術人才培養模式研究[J]. 中國電力教育，2014，297（2）：53-54.

[3]齊寶庫，薛紅，張陽. 建筑類高校BIM高端人才培養的瓶頸與對策[J]. 中國建設教學，2014，99（1）：30-33.

[4]吳偉，Raja R A Issa， Brittany Giel. Integrated BIM and sustainability curriculum （BIM和可持續性一體化課程）[J].建筑創作，2012，18（10）：58-71.

[5]Kam-din Andy Wong， Kwan-wah Francis Wong， Abid Nadeem. Building information model for tertiary construction education inHong Kong[J]. Journal of Information Technology in Construction， 2011， 16： 467-476.

[6]劉照球，李云貴. 土木工程專業BIM技術知識體系和課程架構[J]. 建筑技術，2013，44（10）：913-916.

[7]中華人民共和國教育部. 教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）[Z]. 2012.

[8]李炎鋒，杜修力，紀金豹，等. 土木類專業建設虛擬仿真實驗教學中心的探索與實踐[J]. 中國大學教學，2014（9）：82-85.

[9]周世杰，吉家成，王華. 虛擬仿真實驗教學中心建設與實踐[J]. 計算機教育，2015（9）：5-11.

[10]王淑嬙，賀行洋，鄒貽權，等. 綠色建筑虛擬仿真實驗教學中心建設思考[J]. 高等建筑教育，2014，23（4）：134-137.

（編輯 周 沫）