面向應(yīng)用型人才培養(yǎng)的交通BIM課程教學(xué)方案研究與實踐

(貴州師范大學(xué)材料與建筑工程學(xué)院，貴陽 550001)

引言

近年來，隨著計算機硬件與軟件技術(shù)發(fā)生質(zhì)的飛躍，工程領(lǐng)域計算機輔助設(shè)計正逐漸由傳統(tǒng)的CAD階段向BIM階段過渡。BIM 技術(shù)除了具備CAD 的各項功能，包含各類建筑和結(jié)構(gòu)信息外，還包含涉及整個項目生命周期的經(jīng)濟和管理信息[1]。國外相關(guān)實踐表明，將BIM 技術(shù)應(yīng)用于工程設(shè)計、施工、運營維護等階段，能夠顯著提高工程建造效率，大量減少工程風(fēng)險[2]。

為迅速培養(yǎng)一批符合BIM技術(shù)發(fā)展需求的應(yīng)用型人才，不少高校開始啟動BIM技術(shù)教育工作。如張靜曉等[3]以結(jié)果導(dǎo)向教育(OBE)為教學(xué)理念，基于結(jié)果鏈構(gòu)建了建筑工程專業(yè)學(xué)生BIM 工程能力培養(yǎng)邏輯框架，建立了結(jié)果導(dǎo)向的BIM 工程能力培養(yǎng)路徑模型。黃劍等[4]分析了工程造價專業(yè)BIM人才培養(yǎng)目標(biāo)、崗位需求及所需的BIM能力特征，在課程體系與實踐教學(xué)上提出具體可行的改革措施。陸海燕等[5]結(jié)合我國土木工程類專業(yè)人才培養(yǎng)方案和教學(xué)條件，將BIM與VR技術(shù)應(yīng)用于土木工程CAD 教學(xué)，其研究表明，新的教學(xué)模式不僅使學(xué)生了解并運用BIM與VR技術(shù)，而且能提高學(xué)生的創(chuàng)新與實踐能力。何蕊等[6]將BIM 技術(shù)教學(xué)引入大學(xué)生土木工程制圖課堂，將傳統(tǒng)的土木工程制圖課程教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)榧止だL圖、計算機二維繪圖及計算機三維建模為一體的新體系。繆盾[7]基于BIM 建模探討了建筑工程制圖教學(xué)新體系構(gòu)建，將工程制圖的學(xué)習(xí)與BIM建模過程統(tǒng)一，增強學(xué)生空間思維能力。

與建筑行業(yè)相比，交通行業(yè)BIM技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r、BIM技術(shù)推廣應(yīng)用的政策環(huán)境以及BIM軟件的適用情況都并不相同。因此，交通類專業(yè)BIM人才的培養(yǎng)與教學(xué)模式并不能完全照搬建筑行業(yè)。本文的研究目的，就是基于交通行業(yè)BIM技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢以及交通專業(yè)計算機應(yīng)用課程的開設(shè)現(xiàn)狀等實際情況出發(fā)，研究培養(yǎng)交通類專業(yè)學(xué)生BIM應(yīng)用能力的途徑，探討交通類專業(yè)BIM技術(shù)教學(xué)的實施路徑。

1 交通BIM應(yīng)用能力培養(yǎng)的教學(xué)模式構(gòu)建

與傳統(tǒng)的二維道路CAD設(shè)計系統(tǒng)不同，基于BIM技術(shù)的道路建模過程主要包含兩個部分，即“路線BIM建模”和“結(jié)構(gòu)物BIM建模”[8]。其中“路線BIM建模”是根據(jù)道路的平、縱、橫幾何設(shè)計數(shù)據(jù)構(gòu)建路線三維模型，“結(jié)構(gòu)物BIM建模”是構(gòu)建道路沿線的橋梁、涵洞、隧道及交通安全設(shè)施等構(gòu)造物三維模型，二者組裝后即形成完整的道路三維信息模型。路線三維模型是整個道路模型的主體和基礎(chǔ)，也是其他構(gòu)造物模型組裝的參照系統(tǒng)，這一點是線狀分布的交通BIM模型與建筑BIM模型的主要不同之處。

因此，為培養(yǎng)學(xué)生的交通BIM應(yīng)用能力，需要分別講授“路線BIM建模”技術(shù)和“結(jié)構(gòu)物BIM建模”技術(shù)。其中“路線BIM建模”技術(shù)可理解為傳統(tǒng)二維道路設(shè)計技術(shù)融入BIM理念的升級階段，如國內(nèi)老牌的道路CAD軟件緯地、EICAD、鴻業(yè)等近年都推出了基于BIM技術(shù)的新版本； “結(jié)構(gòu)物BIM建模”技術(shù)則是全新的領(lǐng)域，以往的CAD課程中尚未涉及，需要開設(shè)新的課程進行教學(xué)。

圖1 交通BIM應(yīng)用能力培養(yǎng)的“1+1”教學(xué)模式

根據(jù)上述分析，提出了交通BIM應(yīng)用能力培養(yǎng)的“1+1”教學(xué)模式(圖1)。一方面，在道橋、交通工程等專業(yè)開設(shè)的《道路工程CAD》課程中增設(shè)路線BIM建模的教學(xué)內(nèi)容，在學(xué)生學(xué)好傳統(tǒng)路線CAD基本技能的基礎(chǔ)上，進一步講授路線BIM的基本概念和建模技術(shù)； 另一方面，新開設(shè)《交通結(jié)構(gòu)物BIM建模》課程，選用常用的結(jié)構(gòu)物BIM建模軟件，講授交通結(jié)構(gòu)物BIM建模的基本原理和實現(xiàn)技術(shù)，供道橋、橋梁、隧道等專業(yè)學(xué)生選修。“1+1”教學(xué)模式與BIM技術(shù)實際應(yīng)用狀況相一致，進入BIM階段后，由于道路三維模型包含的信息量大，建模工作量大，一般更強調(diào)的是多專業(yè)協(xié)同工作，即由路線專業(yè)人員完成路線建模，由橋梁、隧道等其他專業(yè)人員分別完成各類結(jié)構(gòu)物建模。因此，交通BIM教學(xué)中，沒必要要求每個學(xué)生掌握所有的建模技術(shù)，如我校道橋?qū)I(yè)BIM教學(xué)中以路線建模技術(shù)講授為主，在畢業(yè)設(shè)計、科技競賽等環(huán)節(jié)中再指導(dǎo)部分學(xué)有余力的學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)物建模技術(shù)。

2 交通BIM教學(xué)軟件選擇和教學(xué)方案設(shè)計

2.1 教學(xué)軟件選擇

目前國內(nèi)交通行業(yè)開始應(yīng)用的BIM軟件主要分為國外和國內(nèi)兩大類。國外軟件主要來源于Autodesk公司(A平臺)和Bentley公司(B平臺)，如表1所示，均包含相應(yīng)的路線建模軟件和結(jié)構(gòu)物建模軟件，支持工程項目全生命周期BIM應(yīng)用。國內(nèi)交通BIM軟件則來源于幾家道路CAD軟件商在原來CAD軟件基礎(chǔ)上的升級，如EICAD 3.0軟件、鴻業(yè)路立得Roadleader軟件，其主要特點是目前只具備路線建模功能，應(yīng)用階段僅限于設(shè)計階段。國內(nèi)外交通BIM軟件平臺的主要優(yōu)缺點如表2所示。

表1 國外主要的交通BIM軟件平臺

Autodesk平臺Bentley平臺路線建模軟件Civil 3DPowerCivil結(jié)構(gòu)物建模軟件Revit、Dynamo,等OpenBridgeModeler、Civilstation、ProStructural、AECOsimBuilding Designer,等

表2 國內(nèi)、外交通BIM軟件平臺優(yōu)缺點比較

優(yōu)點缺點國外軟件具有完整的路線建模和結(jié)構(gòu)物建模功能,支持工程項目全生命周期BIM應(yīng)用對國內(nèi)規(guī)范和出圖標(biāo)準(zhǔn)支持性差,應(yīng)用中定制工作量大國內(nèi)軟件支持國內(nèi)技術(shù)規(guī)范,支持符合國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的二維施工圖紙輸出僅具備路線建模功能,尚未推出結(jié)構(gòu)物建模軟件,對全生命周期BIM應(yīng)用支持性差

目前，雖然我國交通行業(yè)部分項目開始嘗試BIM技術(shù)應(yīng)用，但由于相關(guān)的BIM模型、BIM成果交付標(biāo)準(zhǔn)等規(guī)范性文件尚未出臺，目前交通項目總體上還是以傳統(tǒng)的二維設(shè)計為主。從表2可以看出，現(xiàn)今不管是國外軟件還是國內(nèi)軟件都無法完全滿足交通行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀，需要結(jié)合起來使用。

根據(jù)這一現(xiàn)狀，交通BIM教學(xué)中宜采用“國內(nèi)+國外”的軟件配置模式。國內(nèi)軟件主要選用EICAD 3.0軟件和Roadleader軟件，這兩款軟件在路線CAD教學(xué)階段會講授其二維設(shè)計階段的版本，也是國內(nèi)公路、城市道路設(shè)計院廣泛使用的設(shè)計軟件。國外軟件則以講授Bentley平臺的系列軟件為主，這主要是由于Bentley軟件對交通行業(yè)的專業(yè)化定制更深入，在國內(nèi)的應(yīng)用面和推廣力度也較大。除此之外，還選用Autodesk公司的Civil 3D軟件作為CAD-BIM技術(shù)的銜接教學(xué)軟件，幫助學(xué)生理解從CAD到BIM的過渡特征。

圖2 交通BIM課程教學(xué)實施方案

2.2 教學(xué)方案設(shè)計

交通BIM課程教學(xué)實施方案如圖2所示，整個教學(xué)過程大致分為四個階段。第一階段為路線CAD教學(xué)階段，此階段講授傳統(tǒng)的道路CAD課程內(nèi)容，主要培養(yǎng)學(xué)生運用計算機工具輔助工程設(shè)計的基本能力。這部分內(nèi)容既是學(xué)生學(xué)習(xí)BIM技術(shù)的基礎(chǔ)，也能培養(yǎng)學(xué)生畢業(yè)后從事交通設(shè)計項目必備的技能。第二階段為CAD-BIM銜接性教學(xué)，主要讓學(xué)生了解BIM的基本概念，熟悉道路BIM軟件較道路CAD軟件的主要升級特征。第三階段為交通BIM建模教學(xué)的主體部分，分為“路線BIM建模”和“結(jié)構(gòu)物BIM建模”兩部分，我校道橋?qū)I(yè)課堂教學(xué)主要講授“路線BIM建模”部分，“結(jié)構(gòu)物BIM建模”安排在科技競賽或畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)，供學(xué)有余力的學(xué)生選修學(xué)習(xí)。第四階段為BIM綜合實踐階段，通過在科技競賽或畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)安排BIM實訓(xùn)項目，培養(yǎng)學(xué)生綜合運用BIM技術(shù)的實操能力。

2.3 教學(xué)課時安排

上述四個教學(xué)階段的課時安排如表3所示。其中實踐環(huán)節(jié)的課時主要包含在課下實踐作業(yè)、科技競賽、畢業(yè)設(shè)計等環(huán)節(jié)中。

表3 交通BIM課程教學(xué)課時安排

教學(xué)階段課堂教學(xué)課時實踐環(huán)節(jié)課時備注路線CAD教學(xué)2020課下實踐作業(yè)CAD-BIM銜接性教學(xué)66課下實踐作業(yè)BIM建模教學(xué)2244課下實踐作業(yè)、科技競賽、畢業(yè)設(shè)計BIM綜合實踐20科技競賽、畢業(yè)設(shè)計

3 關(guān)鍵教學(xué)環(huán)節(jié)與教學(xué)方法簡介

交通BIM教學(xué)是一門全新的課程，沒有可以直接借鑒的教學(xué)方法。經(jīng)過我校2014級、2015級交通BIM課程教學(xué)實踐的摸索，總結(jié)出一些提高教學(xué)效果的教學(xué)方法，現(xiàn)將其中主要幾點分述如下。

3.1 重視CAD-BIM技術(shù)銜接教學(xué)

BIM技術(shù)被視為繼CAD技術(shù)之后，工程領(lǐng)域又一項技術(shù)革命[9]。學(xué)生剛接觸BIM的時候，對這項新技術(shù)既好奇又充滿疑惑，既想了解BIM技術(shù)到底新在什么地方，又想了解BIM技術(shù)相對CAD技術(shù)的改進點體現(xiàn)在哪些方面。為讓學(xué)生盡快熟悉道路BIM技術(shù)的特點，在教學(xué)中設(shè)計了一個CAD-BIM技術(shù)銜接性教學(xué)環(huán)節(jié)，這個銜接教學(xué)環(huán)節(jié)主要講授三個方面的內(nèi)容：

(1)BIM的基本概念以及國內(nèi)外發(fā)展態(tài)勢；

圖3 Civil 3D道路裝配示例 圖4 EICAD 3.0邊坡模板示例

(2)道路CAD技術(shù)升級到BIM階段的主要技術(shù)變化特點。從工作流程、設(shè)計對象組織模式、自動化和智能化水平、協(xié)同工作機制、成果交付方式等五個方面歸納了道路CAD系統(tǒng)升級到BIM階段的主要技術(shù)變化特點，如表4所示；

(3)Autodesk Civil 3D軟件路線建模技術(shù)講解。Civil 3D是Autodesk公司較早推出的路線BIM建模軟件，選用其作為銜接階段教學(xué)軟件，一方面是由于其與國內(nèi)廣泛使用的道路CAD軟件均基于AutoCAD平臺，學(xué)生對該軟件的界面和基本操作均不存在陌生感； 另一方面，國內(nèi)目前主要的路線BIM建模軟件EICAD 3.0和Roadleader均基于Civil 3D的軟件思想，理解了Civil 3D的建模思路，能夠很快掌握EICAD 3.0軟件和路立得Roadleader軟件的使用。

表4 道路CAD系統(tǒng)升級到BIM階段的 主要技術(shù)變化特點

道路CAD系統(tǒng)道路BIM系統(tǒng)工作流程平、縱、橫依次設(shè)計的“順序式”流程以構(gòu)建道路三維信息模型為主線,平、縱、橫三維協(xié)同優(yōu)化設(shè)計設(shè)計對象組織模式基于數(shù)據(jù)文件的組織模式,設(shè)計對象可由數(shù)據(jù)文件生成,設(shè)計對象間不存在關(guān)聯(lián)關(guān)系采用面向?qū)ο蟮乃枷?設(shè)計對象間存在動態(tài)關(guān)聯(lián)關(guān)系自動化和智能化水平橫斷面設(shè)計采用“邊坡模板+人機交互”的模式,橫斷面設(shè)計效率低采用裝配和部件技術(shù),大大提高橫斷面設(shè)計的自動化、智能化水平協(xié)同工作機制“單機”工作模式,主要是設(shè)計單位使用,專業(yè)間銜接工作量大通過統(tǒng)一的協(xié)同工作平臺,實現(xiàn)項目建設(shè)全壽命周期各階段、各參建方、各專業(yè)間的銜接與協(xié)作成果交付方式二維平、縱、橫設(shè)計圖紙數(shù)字化的道路三維信息模型

3.2 廣泛采用對比教學(xué)法

交通BIM教學(xué)中，涉及到的教學(xué)軟件比較多，既有作為先導(dǎo)課程的道路CAD軟件，也有國內(nèi)、國外的道路BIM軟件，為讓學(xué)生在有限的課時里能掌握好各類軟件的使用方法，教學(xué)中廣泛采用了對比教學(xué)法，從道路CAD軟件與BIM軟件之間、國外BIM軟件與國內(nèi)BIM軟件之間、國內(nèi)BIM軟件之間等幾個方面歸納不同軟件之間的相似點和差異點。例如在“道路裝配”這一較難知識點的教學(xué)中，將Civil 3D軟件和EICAD 3.0軟件進行對比，如圖3、圖4所示。Civil 3D軟件中通過“條件挖方”、“條件填方”這兩部件自動判別邊坡填、挖方及其分級。EICAD 3.0軟件則通過“交地點判斷”、“終止點判斷”、“部件跳轉(zhuǎn)點判斷”、“裝配跳轉(zhuǎn)點判斷”等邏輯部件，來自動選擇合適的邊坡模板。對比教學(xué)法的使用，讓學(xué)生在學(xué)完Civil 3D軟件的基礎(chǔ)上，能夠很快掌握EICAD 3.0軟件和Roadleader軟件，顯著提高了道路BIM課程的教學(xué)效率。

3.3 推行項目驅(qū)動式綜合實踐

相較于其他專業(yè)課程，道路軟件類課程對學(xué)生的動手實踐能力要求更高。教學(xué)中，除了每次課后均要求學(xué)生完成一定數(shù)量的實踐練習(xí)之外，每年在課外科技競賽或畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)，都會從教師科研項目中選擇一兩個子項目作為學(xué)生科技競賽或畢業(yè)設(shè)計的課題，要求學(xué)生完全按照實際項目的工作內(nèi)容和成果提交標(biāo)準(zhǔn)來完成課題。來源于教師實際工程項目的實踐題目，不僅讓學(xué)生獲得將課堂所學(xué)運用于項目實踐的機會，也能進一步提升學(xué)生完成項目的系統(tǒng)性、規(guī)范性能力，培養(yǎng)學(xué)生獨立分析問題、解決問題的能力，讓其畢業(yè)后能快速勝任道路BIM設(shè)計師的崗位要求。圖5、圖6分別為2017年學(xué)生參加大學(xué)生“挑戰(zhàn)杯”比賽和“節(jié)能減排”競賽制作的市政道路BIM模型和公路BIM模型。

圖5 參加“挑戰(zhàn)杯”比賽制作的道路BIM模型

圖6 參加“節(jié)能減排”競賽制作的道路BIM模型

4 教學(xué)效果

分別選取了2013級和2014級若干名道橋?qū)I(yè)畢業(yè)生進行教學(xué)效果對比實驗。其中2013級學(xué)生理論課教學(xué)階段僅進行了傳統(tǒng)的道路CAD課程教學(xué)，學(xué)生通過在畢業(yè)設(shè)計階段補充學(xué)習(xí)了交通BIM相關(guān)知識和操作技能。2014級學(xué)生則完全按本文提出的教學(xué)方案進行了交通BIM教學(xué)與實踐。教學(xué)效果測試均安排在畢業(yè)設(shè)計階段，結(jié)合學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計課題，分別開展了交通BIM理論測試和實踐能力測試，測試結(jié)果如圖7所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)2014級學(xué)生的理論成績和實踐成績均明顯高于2013級學(xué)生。同時， 2014級畢業(yè)生因熟練掌握了BIM技能，在就業(yè)市場也廣泛受到了用人單位的歡迎，BIM方向就業(yè)率明顯高于2013級學(xué)生(圖7)。

圖7 教學(xué)效果對比圖

5 結(jié)語

隨著國家對BIM技術(shù)推廣力度的加大，交通行業(yè)對應(yīng)用型BIM人才的需求量正呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，有必要在高校交通類專業(yè)中開設(shè)BIM技術(shù)的相關(guān)課程。本文在分析交通行業(yè)BIM技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢以及交通類專業(yè)計算機應(yīng)用課程開設(shè)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了交通BIM應(yīng)用能力培養(yǎng)的“1+1”教學(xué)模式，選擇了符合實際應(yīng)用狀況的國內(nèi)外軟件作為教學(xué)軟件，將整個教學(xué)過程分為路線CAD教學(xué)、CAD-BIM銜接性教學(xué)、BIM建模教學(xué)、BIM綜合實踐等四個階段。通過CAD-BIM技術(shù)銜接教學(xué)環(huán)節(jié)、對比教學(xué)法、項目驅(qū)動式綜合實訓(xùn)等教學(xué)手段，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)道路CAD基本技能的基礎(chǔ)上，能較快了解BIM的特征、掌握BIM技術(shù)的操作技能。

由于交通BIM技術(shù)總體上還處于推廣階段，相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還尚未出臺，也還不存在統(tǒng)一的BIM應(yīng)用軟件平臺，教學(xué)中應(yīng)密切關(guān)注國內(nèi)、外交通BIM技術(shù)發(fā)展趨勢及行業(yè)資訊，并據(jù)此來動態(tài)調(diào)整每年的教學(xué)內(nèi)容，只有這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)教有所用、學(xué)有所用，能真正培養(yǎng)出符合社會需求的交通BIM人才。