工程管理專業(yè)BIM虛擬仿真實訓(xùn)平臺構(gòu)建研究

(1.武漢科技大學(xué)管理學(xué)院，武漢 430081； 2.華中科技大學(xué)BIM工程中心，武漢 430074)

1 引言

建筑業(yè)是我國國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，對土木和工程管理人才需求旺盛。工程管理又是一門綜合性、實踐性很強的學(xué)科，截至2017年，我國開設(shè)工程管理專業(yè)的高等學(xué)校超過400家。《高等院校工程管理本科指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范》對工程管理專業(yè)學(xué)生的素質(zhì)結(jié)構(gòu)、能力結(jié)構(gòu)、知識結(jié)構(gòu)提出了較高的要求，參照規(guī)范要求，教學(xué)中按照4個知識體系、5個知識領(lǐng)域開設(shè)了十幾門專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)方向課。但對于實踐經(jīng)驗欠缺的工程管理學(xué)生，雖然通過課堂教學(xué)能習(xí)得若干知識點，但較難形成專業(yè)知識體系。因此，實踐教學(xué)在本專業(yè)中具有舉足輕重的地位。

推行實踐教學(xué)改革，提升學(xué)生的工程實踐能力和專業(yè)綜合素質(zhì)是全面落實《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010～2020年)的重要舉措，是培養(yǎng)復(fù)合型、應(yīng)用型、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才的重要手段。但是，目前實踐教學(xué)存在深度不夠，關(guān)聯(lián)性不強等問題。普遍采用的去建筑企業(yè)或工程項目現(xiàn)場實習(xí)、實踐教學(xué)方式，又存在安全隱患且受時間和空間的限制。2013年，教育部根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011～2020年)》，決定開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作[1]。其目的是鼓勵高校采用多媒體虛擬現(xiàn)實技術(shù)和數(shù)值計算仿真技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，并進行教學(xué)方法、實驗手段等方面的改革研究與實踐探索，使實踐訓(xùn)練及時跟上相關(guān)技術(shù)的發(fā)展[2]。

BIM(Building Information Modeling)是一種創(chuàng)新的建筑設(shè)計、施工和管理方法。基于共享的信息模型，在工程項目決策、設(shè)計、建造、運營、維護全壽命周期，實現(xiàn)各參與方協(xié)同管理，消除信息斷層。如何利用BIM虛擬仿真實訓(xùn)平臺，培養(yǎng)學(xué)生的分析、研究、解決工程管理實際問題的綜合專業(yè)能力將具有一定的理論價值和重要的實踐意義。本文首先總結(jié)了BIM在國內(nèi)外教育領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀，然后提出BIM虛擬仿真實訓(xùn)平臺的構(gòu)建目標(biāo)和具體建設(shè)內(nèi)容，最后繪制了平臺的云架構(gòu)示意圖，并列舉了主要的軟硬件構(gòu)成，以供同行建立類似平臺參考。

2 BIM在工程管理專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 BIM在國外教育領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

BIM是近年來建筑業(yè)發(fā)展最有前途的技術(shù)之一。BIM在美國建筑業(yè)中的應(yīng)用率也從2007年的28%達(dá)到2012年的71%[3]。為適應(yīng)美國建筑行業(yè)對BIM人才的需求，美國已有多所高校將BIM技術(shù)融入教學(xué)改革，在建筑類或工程管理專業(yè)BIM課程設(shè)置模式主要有：單一課程模式、交互教學(xué)模式、多課程聯(lián)合模式、畢業(yè)設(shè)計模式，涵蓋了建筑設(shè)計類課程、結(jié)構(gòu)設(shè)計類課程、特殊專業(yè)課程、工程管理類課程[4]。

英國政府要求自2016年起所有公共建筑項目必須采用BIM設(shè)計過程。為了滿足建筑行業(yè)對BIM人才的需求，威斯敏斯特大學(xué)、西英格蘭大學(xué)、南威爾士大學(xué)等高等院校都開設(shè)了相關(guān)BIM課程[5]。

澳大利亞一些技術(shù)和繼續(xù)教育(Technical and Further Education)機構(gòu)提供BIM類課程，這些課程一般面向?qū)ｉT的BIM軟件使用培訓(xùn)，而很少考慮BIM管理和協(xié)作環(huán)境下的工作過程[6]。

巴基斯坦僅41%的建筑類大學(xué)在開設(shè)或探討B(tài)IM課程，預(yù)計花費5年時間才能將BIM納入現(xiàn)有課程體系，最大的困難是缺乏訓(xùn)練有素的教師[7]。

2.2 BIM在國內(nèi)教育領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

國內(nèi)部分高校也開展了與BIM相關(guān)的研究。如2005年，華南理工大學(xué)建筑學(xué)院與歐特克聯(lián)合創(chuàng)辦了建筑物生命周期管理BIM實驗室[8]； 2010年，清華大學(xué)參考NBIMS并結(jié)合調(diào)研，提出了中國建筑信息模型標(biāo)準(zhǔn)框架， 2013年清華大學(xué)與廣聯(lián)達(dá)公司共同成立BIM研究中心； 2011年華中科技大學(xué)BIM工程中心成立。國內(nèi)僅有少數(shù)高校已經(jīng)開設(shè)了BIM軟件課程，例如清華大學(xué)、同濟大學(xué)、天津大學(xué)、華中科技大學(xué)等在本科領(lǐng)域開設(shè)了BIM軟件課程。另外，少量高校以選修課的形式開設(shè)了BIM課程，例如山東建筑大學(xué)、西安建筑科技大學(xué)、沈陽建筑大學(xué)等。

建筑類高職院校(如：四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院、浙江廣廈建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院)在BIM人才培養(yǎng)方面提出專業(yè)課程教學(xué)內(nèi)容改革、基于BIM虛擬仿真教學(xué)、創(chuàng)新校企合作等對策，探索BIM技術(shù)人才的培養(yǎng)模式[9]。部分高校教師將BIM技術(shù)應(yīng)用于《建筑識圖與構(gòu)造》[10]、《鋼結(jié)構(gòu)》[11]、《工程項目管理》[12]等課程。中國礦業(yè)大學(xué)將BIM技術(shù)應(yīng)用于土建類本科生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃、建筑結(jié)構(gòu)競賽、畢業(yè)設(shè)計等環(huán)節(jié)[13]。

皖西學(xué)院涂勁松提出基于BIM技術(shù)構(gòu)建土木類專業(yè)綜合實訓(xùn)平臺，涵蓋建筑設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、設(shè)備設(shè)計、計量計價、施工模擬等內(nèi)容[14]。南昌工程學(xué)院陳麗萍簡要論述了BIM技術(shù)在工程管理教學(xué)中的意義和基于BIM的工程管理專業(yè)教學(xué)實訓(xùn)平臺的構(gòu)建要求，未涉及具體的構(gòu)建方法[15]。張金玉在論述高職院校工程造價專業(yè)BIM人才培養(yǎng)模式改革中，也提出建立BIM技術(shù)實訓(xùn)基地建設(shè)的設(shè)想和依托技能大賽提升學(xué)生BIM技能的途徑[16]。白泉等總結(jié)了沈陽工業(yè)大學(xué)土木工程專業(yè)BIM教學(xué)改革研究與實踐情況，著重介紹了基于BIM 的課程體系設(shè)置和各項教改實踐舉措[17]。

綜上所述，BIM技術(shù)在國內(nèi)外教育領(lǐng)域的應(yīng)用將愈加廣泛，特別是將BIM納入現(xiàn)有課程體系取得較好地進展。國內(nèi)關(guān)于建立BIM實訓(xùn)平臺/實驗室方面的研究也取得了一定成果，但詳細(xì)論述如何構(gòu)建BIM虛擬仿真實訓(xùn)平臺的文獻還較少。

3 BIM虛擬仿真實訓(xùn)平臺的建設(shè)目標(biāo)及建設(shè)內(nèi)容

3.1 BIM虛擬仿真實訓(xùn)平臺的建設(shè)目標(biāo)

從學(xué)生能力培養(yǎng)、平臺功能規(guī)劃、師資培養(yǎng)三方面規(guī)劃BIM虛擬仿真實訓(xùn)平臺的建設(shè)目標(biāo)如下：

(1)工程管理專業(yè)BIM虛擬仿真實訓(xùn)平臺建設(shè)能促進學(xué)生職業(yè)能力培養(yǎng)體系與專業(yè)實踐教學(xué)體系改革，從而提升學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)和工程實踐能力，在學(xué)生的動手能力、溝通、協(xié)作能力、思辨能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神培養(yǎng)方面也起到重要的作用；

(2)實現(xiàn)基于BIM的工程項目全生命周期管理模擬，涵蓋工程項目決策、設(shè)計、建造、運營、維護全壽命周期工程管理的主要業(yè)務(wù)過程，全面培養(yǎng)學(xué)生的工程項目基本策劃、組織、實施、優(yōu)化的能力，從而增強職業(yè)競爭力；

表1 BIM虛擬仿真實訓(xùn)平臺與學(xué)生綜合能力培養(yǎng)的支撐關(guān)系

圖1 BIM虛擬仿真實訓(xùn)平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(3)培養(yǎng)一批熟悉BIM技術(shù)的“雙師型“師資隊伍，借助本項目構(gòu)建的BIM虛擬仿真實訓(xùn)平臺將工程管理的知識體系和教學(xué)模式進行優(yōu)化，滿足社會發(fā)展對高素質(zhì)BIM人才培養(yǎng)的新需求。

3.2 BIM虛擬仿真實訓(xùn)平臺的建設(shè)內(nèi)容

通過教學(xué)研究和多個建設(shè)用人單位需求調(diào)研，將工程管理BIM虛擬仿真實訓(xùn)平臺按專業(yè)培養(yǎng)方案和學(xué)生的基本職業(yè)能力分為若干子平臺，其平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。以培養(yǎng)具有較高專業(yè)素質(zhì)和創(chuàng)新精神，具有國際視野的高級專門工程管理人才，同時，對提升教師的教學(xué)科研能力，建設(shè)一支"雙師型”教師隊伍也具有較大貢獻。

BIM虛擬仿真實訓(xùn)平臺分為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計子平臺、建筑施工過程仿真子平臺、BIM工程造價子平臺、BIM一體化工程項目管理子平臺等，在滿足實踐教學(xué)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了專業(yè)賽事平臺(支持BIM應(yīng)用技能大賽等)與企業(yè)實際項目實戰(zhàn)平臺，支持學(xué)生的動手能力，溝通能力，職業(yè)能力以及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神的培養(yǎng)。BIM虛擬仿真實訓(xùn)平臺與學(xué)生綜合能力培養(yǎng)的支撐關(guān)系如表1所示。

BIM虛擬仿真實訓(xùn)平臺根據(jù)各類高校對工程管理專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)不同，在設(shè)計內(nèi)容上有所側(cè)重。對于科研教學(xué)型高校，宜加強學(xué)生的設(shè)計能力，特別重視信息技術(shù)在工程管理中的應(yīng)用，因此，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計子平臺和一體化項目管理子平臺的內(nèi)容應(yīng)豐富； 對于教學(xué)科研型高校，宜注重學(xué)生專業(yè)知識的掌握，因此，加大BIM工程造價子平臺和一體化項目管理子平臺的訓(xùn)練內(nèi)容； 對于應(yīng)用型高校，特別強調(diào)學(xué)生的實戰(zhàn)能力，因此，重點關(guān)注建筑施工虛擬仿真實訓(xùn)平臺、賽事訓(xùn)練平臺和企業(yè)項目實戰(zhàn)平臺。

3.2.1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計實訓(xùn)子平臺

(1)建筑設(shè)計建模實訓(xùn)

以市場占有率高的主流BIM建模軟件Revit為核心，構(gòu)建面向工程管理專業(yè)學(xué)生的建筑設(shè)計建模實訓(xùn)平臺，學(xué)生在此實訓(xùn)平臺上可完成多層學(xué)生宿舍、剪力墻結(jié)構(gòu)高層住宅、單層工業(yè)廠房的建筑設(shè)計建模，完成日照分析、碰撞檢測、疏散模擬、能耗分析等功能學(xué)習(xí)。在BIM模型漫游功能下，較深刻的認(rèn)識建筑設(shè)計原理、建筑構(gòu)造要求。

(2)基本的結(jié)構(gòu)設(shè)計實訓(xùn)

以市場占有率高的PK+PMCAD結(jié)構(gòu)建模設(shè)計軟件為核心，輔助配置結(jié)構(gòu)計算工具箱軟件，構(gòu)建面向工程管理專業(yè)學(xué)生的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計實訓(xùn)平臺，學(xué)生在此實訓(xùn)平臺上可完成多層框架結(jié)構(gòu)、多層砌體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)計算，實現(xiàn)肋形樓蓋梁板結(jié)構(gòu)課程設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計能力，同時較好的理解建筑結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計，具有較高的建模和識圖能力以及掌握基本構(gòu)件設(shè)計原理和設(shè)計方法。

3.2.2 建筑施工虛擬仿真實訓(xùn)子平臺

(1)三維建筑施工平面布置圖設(shè)計

在三維環(huán)境下進行建筑施工平面布置圖設(shè)計可以更好的解決場地功能分區(qū)、內(nèi)部道路規(guī)劃、吊運設(shè)備軌跡干涉等問題，學(xué)生在此實訓(xùn)平臺上可完成多層框架結(jié)構(gòu)、單層廠房結(jié)構(gòu)施工的平面布置圖設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生的基本建筑施工組織設(shè)計能力。

(2)施工方案編制和模擬

施工方案編制是投標(biāo)和施工實施的重要環(huán)節(jié)，工程管理專業(yè)學(xué)生由于實踐經(jīng)驗少，施工方案的編制是一個難點。借助施工方案編制系統(tǒng)，基于案例檢索的方法，推薦類似施工方案編制模板，提升施工方案的編制效率。借助BIM的施工動畫、虛擬漫游功能，施工方案模擬可完成關(guān)鍵施工環(huán)節(jié)的過程模擬，例如：吊裝過程、混凝土支模、鋼筋下料、混凝土澆筑等過程。此實訓(xùn)平臺，培養(yǎng)學(xué)生的更好地理解施工過程，提高施工方案編制能力。

3.2.3 BIM工程造價實訓(xùn)子平臺

工程造價相關(guān)課程學(xué)習(xí)和能力培養(yǎng)是我校工程管理專業(yè)的特色，配置了基于BIM的計量計價軟件，能導(dǎo)入主流BIM軟件(Revit、Tekla、MagiCAD等)構(gòu)建的模型，實現(xiàn)計價算量，能滿足建筑、安裝、市政、精裝四個工程造價專業(yè)領(lǐng)域的基本理論教學(xué)和實踐教學(xué)(課程設(shè)計)要求。作為一個整體，BIM工程造價平臺應(yīng)與建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計子平臺、建筑施工模擬子平臺等接口。

3.2.4 BIM一體化工程項目管理實訓(xùn)子平臺

基于BIM實現(xiàn)建設(shè)工程項目的一體化管理，涵蓋招投標(biāo)、合同管理、項目管理沙盤模擬、三維進度控制、成本控制、質(zhì)量管理、安全管理、信息管理等業(yè)務(wù)領(lǐng)域。學(xué)生在此實訓(xùn)平臺上可完成建設(shè)項目的標(biāo)書制作、合同文本擬定、項目管理沙盤模擬、進度計劃編制、技術(shù)經(jīng)濟方案比選和分析、建設(shè)法規(guī)案例分析等工作任務(wù)，全面培養(yǎng)學(xué)生的工程項目基本策劃、組織、實施、優(yōu)化的能力。

表2 主要的軟硬件配置

序號設(shè)備名稱規(guī)格單位數(shù)量1硬件1-1虛擬化圖像服務(wù)器DL385P Gen8 24核CPU/128G內(nèi)存/1.8T SAS硬盤/Nvida K1顯卡/920冗余電源臺41-2電腦i7-6700處理器, 16G內(nèi)存, 1T硬盤, 19.5寸WLED顯示器臺701-3顯示屏60英寸, 1920*1080分辨率, 16:9,Andriod4.2,水平視角、垂直視角160-180度 臺61-4投影儀5500流明, 1024*768,DLP,激光光源, 100000:1,光源20000小時, 360°安裝,雙畫面顯示臺12建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計子平臺軟件2-1BIM建模軟件支持IFC,兼容主流BIM建模軟件文件格式節(jié)點702-2BIM建模一致性檢查軟件支持主流BIM建模軟件文件格式轉(zhuǎn)換節(jié)點702-3PK+PMCAD+STS網(wǎng)絡(luò)版支持框架、框剪結(jié)構(gòu)計算節(jié)點703建筑施工虛擬仿真子平臺3-1施工平面圖布置軟件支持三維場地布置,內(nèi)置構(gòu)件庫節(jié)點703-2施工組織設(shè)計軟件支持多項目施工進度計劃編制及協(xié)調(diào)節(jié)點703-3BIM5D施工管理軟件支持計劃、質(zhì)量、造價等多要素聯(lián)動節(jié)點704BIM工程造價子平臺4-1BIM建筑工程計價軟件內(nèi)置多省定額庫,支持在線更新節(jié)點704-2BIM土建算量軟件符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn),支持在線更新節(jié)點704-3BIM鋼筋算量軟件符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn),支持在線更新節(jié)點704-4BIM安裝算量軟件符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn),支持在線更新節(jié)點704-5BIM市政算量軟件符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn),支持在線更新節(jié)點704-6BIM精裝算量軟件符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn),支持在線更新節(jié)點70

4 基于云技術(shù)的BIM虛擬仿真實訓(xùn)平臺配置

針對BIM虛擬仿真實訓(xùn)平臺涉及軟件系統(tǒng)多、應(yīng)用領(lǐng)域廣、升級服務(wù)頻繁的特點，需要靈活部署、及時響應(yīng)、快速搭建相應(yīng)的軟硬件資源。為此，我們從硬件設(shè)備層、軟件平臺層、基礎(chǔ)應(yīng)用層和多端接入層等四個層次來構(gòu)建統(tǒng)一的虛擬化云平臺。其中硬件設(shè)備層由文件服務(wù)器、應(yīng)用程序服務(wù)器、Web服務(wù)器等各類刀片式服務(wù)器組成； 軟件平臺提供身份認(rèn)證、數(shù)據(jù)交換、資源調(diào)度等服務(wù)； 基礎(chǔ)應(yīng)用層加載建筑建模、施工沙盤模擬、工程造價等基于BIM的虛擬仿真實訓(xùn)平臺、BIM應(yīng)用能力大賽、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計等各類賽事平臺以及企業(yè)委托的各類項目平臺； 多端接入層在防火墻的保護下，通過校園網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)完成手機、電腦、平板等多類終端的接入。

為了方便兄弟院校構(gòu)建BIM虛擬仿真實訓(xùn)平臺參考，現(xiàn)將我校構(gòu)建平臺的主要軟硬件配置進行說明，如表2所示。

5 結(jié)束語

BIM技術(shù)在建筑行業(yè)的應(yīng)用，正逐步進入深化應(yīng)用階段，社會對BIM人才需求很大，BIM虛擬仿真實訓(xùn)平臺建設(shè)正是以提升學(xué)生職業(yè)能力為目的，通過構(gòu)建建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工虛擬模擬、BIM工程造價、BIM一體化項目管理等實訓(xùn)子平臺，全面覆蓋工程管理專業(yè)主干課程，設(shè)計了基于云架構(gòu)的系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)并列舉了主要的軟硬件構(gòu)成，以供同行建立類似實訓(xùn)平臺參考。進一步的研究工作包括：更多類型的平臺實訓(xùn)課程開發(fā)，平臺實訓(xùn)評價等。