基于BIM的應用型土木工程畢業設計全過程改革

孫明

[摘 要]畢業設計是大學生在本科階段的最后一項學習任務，其在教學體系中起著理論聯系實際的樞紐作用。針對應用型高校土木工程專業畢業設計存在的問題，提出將大四開始的畢業設計主要內容分解到大二和大三的相關專業課程與課程設計中，通過不同專業課程對BIM軟件的運用，以畢業設計為導向，讓教學內容具有連貫性和繼承性，從而提升日常教學質量和畢業設計水平。

[關鍵詞]畢業設計；BIM；應用型；土木工程

[中圖分類號] G451.2 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）09-0048-03

在國家教育部貫徹落實《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》和《國家中長期人才發展規劃綱要（2010-2020年）》，提出“卓越工程師教育培養計劃”之后，各高校都對人才培養方案和專業教學體系進行了大刀闊斧的改革。畢業設計是高校本科人才培養計劃中的最后一個環節，也是重要的實踐教學環節。[1]對于工程應用性和工程實踐性很強的專業而言，畢業設計的質量體現了學校的教學水平、教學質量和人才培養的能力[2][3]，直接展示了各高校“卓越工程師教育培養計劃”的培養成果，是專業建設中不可忽視的重要環節。

一、土木工程專業畢業設計現存問題

畢業設計作為高等學校培養本科生的最后一個關鍵階段，是高校理工科各專業實現其培養目標的重要實踐教學環節，對強化學生專業知識、科學研究的基本訓練、提高學生科研和工程實踐能力具有不可替代的作用。[4]應用型高校土木工程專業學生在本科畢業后大都會走向工程一線，畢業設計作為他們在大學的最后一項學習任務，是總結、提高自身理論素養，訓練工程素質，理論聯系實際的樞紐。但是目前在應用型高校的土木工程畢業設計中還存在一些問題。

（一）設計題目與工程實踐脫節

土木工程本科畢業設計選題一般分為房屋建筑、道路橋梁、巖土工程三個方向，內容以結構設計為主。而應用型高校學生本科畢業后多數都在施工、監理、勘測、造價單位擔任施工管理、測繪勘察、造價計算等一線工作，工作內容與畢業設計關聯性小，學生缺乏學習積極性。大多數學生的畢業設計選題相同或者類似，這無法發揮學生獨立思考的優勢，不利于學生創新能力的培養。[5]

（二）學生基礎薄弱

由于應用型高校的學生在入校時基礎較差，其就業導向和心理預期的就業崗位都是施工和造價崗位，他們對日常課程中設計類專業課和理論性強的課程重視程度不夠。由于土木工程專業課程數量多、內容雜，學生對所學知識點的掌握比較分散、模糊，學生僅憑在課堂上所學的知識很難對工程設計有整體把握。[6]這導致學生在畢業設計過程中抄襲和造假，很多學生從網上下載他人的畢業設計，或者在設計過程中編造數據，沒有用心進行結構設計和計算，這使得畢業設計失去鍛煉意義。

（三）畢業設計安排不合理

土木工程專業畢業設計安排在大學第四年，學生在大四第一個學期要學習專業課，剩余的時間需要找工作，很難安心做設計。在大四第二學期，找到工作的學生需要去單位實習，沒有找到工作的學生也要參加畢業實習。土木工程項目的特點就是持續時間長，不論房屋建筑還是道路橋梁項目，工期都是按年計算，用人單位接納學生實習的目的要么是培養學生以后為自己所用，要么是直接讓學生從事基礎工作，彌補低級技術人員的空缺，學生在企業的實習期往往不低于六個月。學生為了獲取就業優勢，也愿意前往企業實習。但是由于應用型高校的學生很難進入設計單位，無法自主選題，畢業設計題目多為各指導教師模仿工程實際問題簡化而來，并非來源于已完工的實體工程。加之學生的認知還停留在理論層面，對系統的設計思路不熟悉，因此，這樣的畢業設計選題很難與工程實際緊密結合。[7]由于學生長期不在學校，教師無法進行有效指導，這導致很多學生都是畢業答辯前從單位請幾個星期的假回到學校趕做畢業設計，這樣的畢業設計質量沒有保障。

二、基于BIM的畢業設計全過程改革

隨著BIM（建筑信息模型）技術在建筑業的興起，各高校土木工程專業課程體系圍繞BIM開展了新一輪課程體系改革，這為解決畢業設計現存問題，進行畢業設計改革提供了新的思路。

（一）BIM概述

BIM是以三維數字技術為基礎，集成建筑工程項目各種相關信息的工程數據模型，是對工程項目相關信息的詳盡表達。[8]BIM技術直接建立三維立體模型，再根據立體模型生成平面圖，軟件使用者在交互界面的每一個操作都能同時影響二維圖形與三維模型。模型建立后再引入時間的概念，構成4D模型可以模擬施工進度與施工過程，實現對工程的綜合管理。[9]

BIM概念的推出引發了全球建筑業的技術革命，同時也引起了我國對建筑行業的重視。2015年6月住房和城鄉建設部印發了推進建筑信息模型應用指導意見的通知（建質函[2015]159號）[10]，要求到2020年末勘察設計、施工、運營維護集成應用BIM的項目在國有資金投資為主的大中型建筑和申報綠色建筑的公共建筑及綠色生態示范小區中比率達到90%。

我國高等院校都在積極探索將BIM技術融入課程的教學改革?，F在教學中最常用的方法就是將課程中的書面文字轉換為生動立體的可交互式施工現場模擬場景[11]，在實踐教學中讓學生通過可視化的三維立體建筑信息模型，對建筑設計過程及施工現場環境產生直接深刻的感性認識。[12]

（二）畢業設計與教學體系的融合

土木工程專業房屋建筑方向畢業設計內容包括建筑設計和結構設計兩部分。建筑設計的內容包括總平面圖和建筑施工圖，結構設計的內容包括結構施工圖和計算書。計算書中需有建筑設計的概述和手算一榀框架的詳細內容，包括梁、柱、樓板、樓梯、基礎等承重構件的設計，以及手工計算結果與計算機計算結果的對比分析。畢業設計任務分解后，可以在畢業設計中添加更多與學生未來工作相關的內容。endprint

在BIM技術全面應用于土木工程專業課程的背景下，考慮到畢業設計安排在大四導致的時間沖突問題，可以將畢業設計任務分解到相關的專業課程中，以畢業設計為驅動，將學生一步步引入到未來的就業方向中?，F以房屋建筑方向為例，通過圖1展示畢業設計任務分解后的流程圖。

原有教學體系各專業課因為BIM技術的引入需要進行全面改革，為畢業設計任務分解布置到各學期專業課程中提供有利條件。在BIM技術融入課程體系的同時，將畢業設計分解為多個任務添加到學生的日常學習任務中，這與傳統畢業設計模式大相徑庭，因此需要通過教學實踐進行驗證與完善?，F以湖南科技學院土木工程專業房屋建筑方向2012級為例，探索畢業設計結合BIM技術融入教學體系的實施途徑。

（三）改革實踐探索

湖南科技學院作為一所應用型公辦地方本科高校，從2013年開始將BIM技術引入土木工程專業教學體系中。考慮到教學進度與學生的能力，我們將2012級學生劃分專業方向，對房屋建筑方向的學生，在他們進入大學二年級之后布置畢業設計任務。

畢業設計任務書在大二第一學期的房屋建筑學課程上分發，學生先選擇自己設計的題目，并分組確定指導教師。為了保證設計與未來工作可以有效銜接并具備技術含量，設計題目分為住宅、教學樓、辦公樓、醫院、圖書館、商住樓等類型，設計要求均為多層框架結構。

由于土木工程學生在大二還沒有系統學習結構設計的內容，因此設計初始階段的建筑方案需要指導教師評估結構的合理性。當房屋建筑學課程中平面設計內容講授完后，任課教師指導學生使用BIM建模軟件Revit繪制平面建筑方案。在指導教師認可建筑方案的合理性與可行性后，學生結合房屋建筑學課程上剖面和立面設計的知識，建立三維的建筑模型，在三維建筑模型周邊添加樹木、道路和周邊建筑簡易模型，再以此為基礎繪制總平面圖，并生成建筑圖紙。

軟件自動生成的圖紙往往存在大量錯誤，不符合我國制圖規范要求，而學生雖然學習過制圖課程，但由于經驗欠缺，難以做到理論聯系實際。所以，首先房屋建筑學授課教師要在課程設計上向各班學生講解自動生成圖紙的常見錯誤和工程實踐中建筑施工圖的要求。然后由學生將圖紙修改后先交給畢業設計指導教師審閱，再把根據指導教師意見修改后的圖紙作為房屋建筑學課程設計作業交給任課教師批改。與傳統的房屋建筑學課程設計中教師收作業、判定成績后就結束課程的模式不同，任課教師在批改后還需將最終意見反饋給學生和指導教師，由指導教師監督學生在最后的畢業設計中將建筑施工圖中存在的問題改正。這樣學生在大學二就基本完成了畢業設計的建筑設計部分。建筑設計確定后，在大二其他專業課程的學習中，學生會主動思考課程與當前設計的聯系。

學生進入大學三上學期后，可以以房屋建筑學設計的建筑模型為基礎，隨著結構設計課程的進展，檢查自己的建筑設計是否合理。同時授課教師要教學生根據建筑施工圖和建筑模型，使用結構分析軟件PKPM建立結構模型并進行計算分析，根據結構計算結果，繼續使用Revit調整BIM模型中的梁、柱、板尺寸數據，使其與結構計算一致，并添加鋼筋和混凝土數據進入模型，并繪制結構施工圖。

在結構設計的課程設計中，由授課教師指導學生在建筑模型中選取一榀框架進行手工計算，并及時反饋計算中存在的問題和錯誤，讓學生在課程設計中予以改正。在學生結束課程設計后，畢業設計指導教師再指導學生對手算和計算機分析的結果進行對比，讓學生思考結構優化的可行性，并督促學生將BIM模型與結構設計結果保持匹配。

大三下學期的專業課程與工程實踐聯系最緊密，此時畢業設計的建筑部分和結構部分都已經完成，學生可以將完整的BIM模型運用于專業課程中，并在各專業課程教師的指導下，結合個人的畢業設計進行課程設計。在土木工程施工和工程監理課程中，學生使用Navisworks模擬施工過程，安排施工進度，檢查設計模型構件是否存在碰撞沖突，進而在課程設計中編寫施工組織設計和監理實施細則。在工程經濟學課程上學生學習使用魯班、廣聯達等造價軟件，直接讀取BIM模型，這樣就可以自動生成工程量，再套入軟件中的定額，就可得出工程造價，然后在課程設計中編制施工圖預算文件。

學生進入大四后，由于設計的內容已經基本完成，這樣學生有充足的時間去找工作和實習。而且通過日常學習，學生已經掌握了畢業設計的流程與要點，指導教師可以通過網絡，根據學生就業意向和實習崗位，安排學生選擇施工組織設計、監理實施細則和施工圖預算中的一項添加到畢業設計計算書中，并對計算書進行批閱，形成一個完整的畢業設計。學生在畢業實習中根據自己的切身體會，在指導教師的引導下，反思畢業設計中存在的問題，對已經完成的內容進行整合與深化，這能使他們的畢業設計更具有工程實踐價值。

當2012級房屋建筑方向學生在2016年參與畢業答辯時，他們一個人完成的設計內容相當于往屆土木工程專業和工程管理專業兩個學生的畢業設計，包含了一棟建筑的總平面圖、建筑施工圖、結構施工圖、一榀框架手算計算書，以及施工組織設計或監理實施細則或施工圖預算，設計完成度和正確率遠高于往屆學生，整體成績良好率提升了30%。

三、結語

以畢業設計為導向，結合不同專業課程對BIM軟件的運用，將畢業設計的內容分解到相關專業課程中完成，讓教學內容具有連貫性和繼承性，能提升日常教學質量和畢業設計水平，學生的日常學習可以有的放矢。如果在進入大四之前就完成了畢業設計的主要內容，大四學年學生就可以從容安排時間，這既提高了畢業設計質量，也增加了學生日常學習的積極性。這一改革方向貼合應用型高校土木工程專業現狀，值得在未來繼續深入探索研究。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 王英，李文婷，朱美春. 土木工程專業畢業設計中學生能力培養的探索與實踐[J].大學教育，2016（9）：135-136.

[2] 張晉元，蘆燕，韓慶華. 土木工程專業本科畢業設計創新與實踐[J]. 高等建筑教育，2016（1）：162-166.

[3] 唐紅元，劉保縣.土木工程專業畢業設計教學存在的問題及對策[J].高等教育研究，2011（4）： 114-117.

[4] 饒凌平，丁堅勇，胡釙.本科畢業設計與科研和工程實踐密切結合的探索性實踐[J].大學教育，2015（11）：36-38.

[5] 易富，張二軍，趙文華.基于畢業去向的土木工程專業畢業設計改革與實踐[J].大學教育，2014（11）：19-21.

[6] 盛黎.面向施工崗位的土木工程專業畢業設計改革實踐[J].浙江樹人大學學報（自然科學版），2016（1）：66-68.

[7] 李成華，陳麗娟，趙敏.基于工程實踐的土木工程專業畢業設計教學改革探索[J].高等建筑教育，2016（2）：134-138.

[8] 齊岳，張俊華，趙文軍.結合BIM技術的房屋建筑學課程改革探討[J].高等建筑教育，2014（6）：147-149.

[9] 李久林.大型施工總承包工程BIM技術研究與引用[M].北京：中國建筑工業出版社，2014：22.

[10] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.關于推進建筑信息模型應用的指導意見[EB/OL].http：//www.mohurd.gov.cn/wjfb/201507/t20150701_222741.html.2016-06-05.

[11] 鐘煒，張馨文，姜騰騰. BIM仿真在工程項目管理課程教學改革中的應用研究[J].土木建筑工程信息技術，2013（6）：7-11，34.

[12] 王芳，張志強.融合BIM技術的應用型土木工程專業實踐教學平臺的優化與應用[J].高等建筑教育，2016（1）：155-157.

[責任編輯：陳 明]endprint