基于BIM技術的土木工程專業實踐教學體系設計與探索

布欣 孫海粟 王新武

摘 要：BIM技術具有信息的集成性、共享性、可視化、模擬性、優化性等特點，其在建筑業的推廣和應用，為土木工程專業向應用型轉型提供了一個強有力的外部工具支撐。洛陽理工學院土木工程專業（建筑工程方向）以BIM技術為切入點，建立新的實踐教學體系，不斷創新教學內容、教學環節、教學方法和教學手段。以BIM技術為依托，學院建立以工程項目為主線的多課程、連續化、數據共享的實踐教學體系，能全面提升教師教學水平，培養出更多的具有較強社會適應能力和競爭力的高素質應用型人才。

關鍵詞：BIM技術;土木工程專業;專業軟件

洛陽理工學院土木工程專業（建筑工程方向）的目標是培養適應社會主義建設和社會發展需求，能從事房屋建筑工程結構設計、施工組織、工程監理、工程預算和管理工作的，具有較強的計算機應用能力的應用型工程技術人才。在新的形勢下，應用型本科教育重在“應用”二字。在當前應用型本科教育和建筑信息技術快速發展的推動下，BIM技術在建筑業的推廣和應用，為土木工程專業（建筑工程方向）向應用型轉型提供了一個強有力的外部工具支撐。洛陽理工學院土木工程專業（建筑工程方向）以BIM技術為切入點，建立新的實踐教學體系，不斷創新教學內容、教學環節、教學方法和教學手段，全面提升教學水平，培養出更多的具有較強社會適應能力和競爭力的高素質應用型人才。

一、BIM技術的優勢特點

BIM是建筑信息模型（Building Information Modeling）的英文縮寫，指的是在建設工程及設施全生命期內，對其物理和功能特性進行數字化表達，并依此設計、施工、運營的過程和結果的總稱。BIM技術是一種多維建筑信息模型集成技術，在設計階段，基于建筑、結構、設備完成的3D模型可解決專業之間的碰撞問題，減少因“錯、缺、漏、碰”導致的設計變更，促進設計效率和設計質量的提升;在招、投標和施工階段，基于“3D模型+時間工序”的四維模型可以模擬實際施工，支撐工業化建造和綠色施工，優化施工方案，促進工程項目實現精細化管理，同時提高工程質量、降低成本和安全風險;基于“3D實體+時間工序+成本”的5D關系數據庫，可應用于工程項目決策、建造施工、運維管理、改建拆除，有助于提升對整個項目的掌控能力和科學管理水平。BIM技術具有信息的集成性、共享性、可視化、模擬性、優化性等特點，其中，可視化、模擬性、優化性在教學環節具有明顯的優勢。

第一，可視化。基于BIM建筑信息模型的建筑工程全程可視化，學生可以直觀地看到建筑工程中各構件的三維模型，全面觀察各組件的相互關系。可視化的成果既可以用效果圖進行展示或生成報表，還可以進行動畫演示。豐富的項目展示方式使溝通、討論、決策等都能在可視化的狀態下進行。第二，模擬性。在設計階段，BIM技術可以對一些項目進行模擬實驗，如節能模擬、緊急疏散模擬、日照模擬、熱能傳導模擬等。在施工階段，BIM技術可以進行施工方案、施工進度可視化動態模擬，直觀呈現項目整體部署及配套資源的投入狀態，充分展現施工組織設計的可行性。第三，優化性。建筑工程的設計、施工、運營的全過程是一個不斷優化的過程。通過BIM相關專業軟件支持，設計者可以在建筑方案、結構體系選型和布置、設備管網布局、施工工序和施工組織流程、成本造價等方面進行更好地優化，達到優化設計方案、減少施工變更、縮短工期、控制成本、提升質量的目的，從而實現項目精細化管理和企業集約化經營。

二、土木工程專業軟件模塊框架設計

土木工程專業（建筑工程方向）的主干專業課程有房屋建筑學、混凝土結構、鋼結構、基礎工程、建筑施工技術與組織、建筑工程造價、建筑設備等課程。根據課程特點及建筑工程的全過程解析，我們可將專業課程歸納為建筑結構設計、施工、造價三個核心模塊。下圖是三個核心模塊的工程專業軟件配置，是按照“夯實基礎、專注專業”的標準進行配置的。

（一）基礎軟件AutoCAD和Revit

目前，建筑工程軟件市場上有兩個平臺：傳統的AutoCAD平臺和基于BIM技術的Revit平臺。基于點、線、面投影關系的AutoCAD平臺，在建筑、水利、道橋、機械等工科專業具有普遍性和通用性。基于BIM技術的Revit平臺是針對建筑工程專業量身定制的三維建模開發平臺，并不適用于其他工業領域。因此，基于AutoCAD的基礎性和通用性，在基礎教學中，CAD軟件作為工程制圖的入門基礎平臺是不可替代的，并且CAD軟件的操作歷練為Revit軟件的快速上手打下了堅實的基礎。目前，國內各專業軟件公司均是以Revit為平臺進行二次開發的，以推出各自專業的BIM軟件產品，如天正TR、PKPM-BIM、BIM5D等。因此，Revit軟件是初學者掌握BIM技術的入門軟件。

（二）專業軟件模塊

一個完整的建筑工程要由建筑、結構、水電暖設備、施工、預算等各個專業工種協同支持，每個專業有各自的專業體系和專業特點。學習過CAD平臺的天正建筑軟件的學生，明顯能體會到天正建筑軟件的專業性，這種專業性使操作者的建筑設計效率成倍地提高。教師要引入專業軟件的學習，使學生更好地接近工程應用，從而達到應用型教學的目的。因此，洛陽理工學院土木工程專業（建筑工程方向）引入了PKPM、廣聯達、BIM5D三個基于結構設計、造價、施工的BIM類專業軟件。

三、課程體系改革

課程體系建設的重要環節是實踐教學。傳統教學體系采用“專業理論課+課程設計”模式，各門課程設計選取的案例彼此獨立，缺乏連貫性。而作為完成系統整合的畢業設計，由于時間限制，學生的選題只能從設計、施工、預算三個方向中選擇一個作為題目，致使學生很難形成完整的建筑工程知識體系。BIM技術貫穿從概念設計、施工運營直到拆除的建設項目的全生命周期。教師僅在一門課程中應用BIM技術，會使其優勢得不到有效地發揮。因此，教師要在整個課程體系中應用BIM技術。

（一）建立以項目為主線的課程設計體系

建筑工程分為民用建筑和工業建筑兩大類。民用建筑又分為公共建筑、居住建筑兩類，以混凝土結構為主，結構體系采用多層的框架結構和高層的框架-剪力墻結構。工業建筑以鋼結構為主，結構形式以門式剛架、排架結構為主。因此，課程設計的選題要以此為切入點，形成以兩個項目為主的課程設計主線：一棟多層公共建筑、一座單層工業廠房。工業建筑的單層工業廠房由鋼結構課程設計承擔。民用建筑的多層公共建筑由房屋建筑學、混凝土設計和基礎設計、工程造價四門課程設計承擔。學生將房屋建筑學課程的建筑設計成果作為混凝土課程設計的題目，并完成基礎設計和最后的工程預算。

（二）BIM技術在房屋建筑學課程中的應用

房屋建筑學課程設計是本專業學生的第一個專業設計，此時的學生專業知識儲備不夠，無工程經驗，只具備平面功能空間布局的表達能力。由于建筑空間的抽象表達能力還沒有開發，直接用二維圖形表達抽象的三維建筑物，對學生來說是很困難的。教師采用Revit操作建模，直接布置墻體、門窗、樓梯等三維構件，使各單體構件和整樓模型均可視，避免了學生的錯誤空間想象。學生也可以通過模型進行反復推敲，同時也可以進行緊急疏散模擬，從而否定不合理的方案。BIM技術在房屋建筑學課程應用使學生的課程設計質量有所提高。

（三）結構設計軟件的應用

Revit軟件的優勢是建模，其弱項是結構分析設計。PKPM是國內目前主流的結構設計及結構施工圖輸出軟件，混凝土結構的SATWE和鋼結構的STS是兩個主要模塊。學生使用PKPM建模和分析，可以將學生從枯燥、難懂的手算中解放出來，有利于學生大膽嘗試各種結構布置，并最終選擇受力合理的結構方案。筆者在PKPM的教學中，經常會提出一些特殊的問題，比如將原來的7度設防調整為8度設防，此時柱子的軸壓比、梁端的配筋超筋等結果就分別在計算結果中顯示出來。學生在解決相關問題的同時，對軸壓比以及抗震設防等概念就有了更加深入的理解。問題解決后的成就感也激勵著學生去嘗試更復雜的結構方案。課程中形成的BIM結構配筋信息，以三維形式呈現，使學生對結構板、梁柱的配筋形式有直觀的了解，促進了學生對平法施工圖表達的理解。

（四）BIM技術在建設工程造價管理課程設計中的應用

教師將已形成的建筑和結構信息的Revit模型，通過廣聯達軟件的插件，導入廣聯達土建GCL算量軟件，能有效地完成工程量清單中的算量任務。學生可以從成本的角度，評判自己的設計是否經濟、是否科學。為了提高模型導入對接中構件識別的準確度，該設計對Revit模型有一定的要求，這可以讓學生形成良好的建模習慣。

（五）BIM技術在施工技術和施工組織課程中的應用

教師指導學生使用BIM5D軟件，可進行工程量快速測算，可快速按照施工部位和施工時間以及進度計劃等條件提取物資量，完成勞動力計劃、物資投入計劃的編制。利用BIM技術對施工方案、施工進度計劃進行可視化動態模擬，能直觀呈現項目整體部署及配套資源的投入狀態，充分展現施工組織設計的可行性，使平時書面的、抽象的講解，變成生動的、形象的動態演示，從而提升學生的學習興趣和學習效率。

四、教學過程和教學評價改革

傳統的課程設計實踐教學采取的是“集中設計、手繪圖紙、一次評定成績”的模式，其有三大弊端：一是課程設計時間十分緊張，教師在選擇題目時會減小工程題目的規模和難度，同時學生為了在短時間內完成設計，采取機械性操作，不經推敲，避難就易，不求甚解;二是單純的手繪圖紙過程枯燥，學生繪制潦草，計算機操作水平沒有得到充分的訓練;三是課程設計題目類型固定，學生有互相抄襲的便利條件，單憑紙面成果一次性評分，無法準確把握學生的實際掌握情況。因此，本專業對教學方法、教學過程、教學評價進行了改革。

第一，教學方法的改革。教師利用BIM技術建立基于項目的教學主線，讓理論為實踐服務。在BIM技術的支持下，學生可以在可視化、易修改、可優化的環境中學習，在建模中對所學內容有初步的了解，在修改和優化中對知識體系有更深入、更全面的掌握。第二，教學過程的改革。教師爭取最大限度地強化實踐教學的課時比重、課程結構，并引入全過程的實踐教學，將實踐教學在理論課開始之初進行切入，隨著深入開展實踐過程，讓實踐過程伴隨著課程全過程。具體實施方法是：在課程開始時，教師利用兩個課時的時間進行課程項目的任務說明、相關支持軟件簡要說明等，課程設計的全過程由學生在課外完成。課程中期，學生通過PPT進行兩次題目匯報，指導教師針對學生的設計給出建議和技術指導。課程后期，學生完成項目設計，提交BIM模型和相關的紙質設計成果，并進行項目答辯。期末考試是對課程的理論知識點的評價。第三，教學評價體系的改革。基于上述“理論+實踐”的全過程教學，本專業采用全過程的評價體系。課程總成績由平時成績（20%）、項目成績（30%）、期末考試成績（50%）三部分組成。其中的項目成績來自兩次題目匯報。

五、方案實施中需要解決的問題

第一，教師教學理念的轉變。教師是應用型教學的主導者，應用型轉型的關鍵是教師。高校作為推動者，除了在課程體系中加強實踐教學量的設置，還應該在教師實踐教學工作量的計算方面進行積極的支持和引導，促使教師提升實踐教學工作績效，增強教師實踐化轉型的積極性。第二，教師的BIM技術實踐能力培養。核心專業課的任課教師均是任教多年的老教師，BIM技術對他們來說是一門全新的技術。高校要舉辦系統的BIM技術教學培訓，更新老教師的知識結構。第三，BIM平臺的軟、硬件的建設投入。BIM軟件對計算機的硬件要求較高，專業化的BIM軟件也是不可忽視的重要一環。高校在進行硬件投入的同時，也應做好專業軟件的配套計劃，提高投入效率。

在應用型本科教育的推進和轉型中，洛陽理工學院土木工程專業（建筑工程方向）引入基于BIM專業軟件技術平臺支持實踐教學，既提升了學生的應用型技能，又培養了社會急需的BIM技術應用人才。洛陽理工學院土木工程專業（建筑工程方向）建立以工程項目為主線的多課程、連續化、數據共享的實踐教學體系，貫通建筑信息模型的全流程，連接并理順了核心專業的銜接，能將BIM技術的優勢發揮到最大化，從而實現優化教學效果的目的。

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責編：清 歡