給排水科學與工程專業BIM課程體系建設探索

張盛楠，高展望，吳 貝

(天津大學仁愛學院 a.建筑工程系；b.管理系，天津 301636)

BIM(Building Information Modeling)建筑信息模型技術是一種多維(三維空間、四維時間、五維成本、N維更多應用)模型信息集成技術，可以使建設項目的所有參與方在項目從概念產生到完全拆除的整個生命周期內[1]都能夠在模型中操作信息、在信息中操作模型，實現在建設項目全生命周期內提高工作效率和質量，減少錯誤和風險的目標[2]。

為進一步提升建筑業信息化水平，住房和城鄉建設部在《2016—2020年建筑業信息化發展綱要》中明確指出，建筑業信息化是建筑業發展戰略的重要組成部分，也是建筑業轉變發展方式、提質增效、節能減排的必然要求[3]。BIM的國家標準《建筑信息模型應用統一標準》《建筑信息模型施工應用標準》等已經頒布實施，給出了建筑信息交流框架標準。國家政策的倡導、相關標準的完善、實際應用的增長，表明BIM技術已經進入加速普及應用階段[4]，我國對BIM人才的需求將迎來井噴式增長[5]，而缺乏專業BIM訓練的從業者將使建筑行業面臨人才短缺的考驗。高校責無旁貸將承擔起培養BIM人才的重任[6]，將BIM納入現有教育知識體系，為本科生提供相關專業的BIM技能學習和訓練，大規模培養BIM人才成為現代建筑行業發展的趨勢。

目前，國內外眾多高校的工程管理專業和土木工程專業的BIM教育如火如荼，且已形成較為成熟的教學模式可供參考[5-11]。但給排水、暖通空調等機電類專業的BIM教育起步較晚，市場BIM機電人才緊缺。如何在給排水科學與工程專業培養方案中增設相關課程、推進BIM技術的學習，并將其與行業、企業、專業要求融合，培養創新復合型應用人才是教學中亟待思考的問題。

一、國內BIM課程教學現狀及給排水BIM人才需求

(一)國內高校BIM課程設置現狀

我國自2003年引進BIM技術以來，隨著BIM人才市場需求不斷擴大，國內高校積極開設相關課程，培養行業所需的BIM技術人才。部分高校的土木工程專業和工程管理專業通過單獨開設BIM課程或者將BIM技術植入土木工程制圖、房屋建筑學、工程施工、工程概預算、工程項目管理等原有基礎課和專業課程中，通過虛擬和現實相結合、理論與實踐相結合的形式[11]，培養行業所需的BIM人才。

然而，建筑行業中必不可少的機電專業(水暖電)在BIM技術教育方面滯后，僅在建筑設備、水工程施工等單獨課程中植入BIM內容，并未形成完整的課程體系。隨著BIM技術應用于水處理構筑物、綜合管廊等復雜市政基礎設施的設計和施工管理中，傳統“PPT+板書”的課程講授模式以及CAD二維繪圖已不能滿足日益發展的建筑市場需求，BIM機電人才短缺嚴重，因此在給排水等相關專業原有課程體系中加入BIM課程，并將BIM理念融入其中十分迫切。

(二)給排水專業BIM人才需求

通過對用人單位進行BIM人才需求問卷調研和實地走訪發現，隨著BIM技術向多專業協同、市政基礎設施等方向深入，企業希望高校在技術人才培養時要注意人才的綜合教育，培養出既懂專業知識又懂BIM技術的創新復合型人才；在BIM機電技術方面，企業更青睞于能將水暖電專業有機結合在一起的復合型人才[12]。市場的需求反饋提醒我們需要對現有的培養計劃和課程體系做出適當調整，以培養市場和企業需要的人才。

二、給排水專業BIM課程體系建設

根據學生對BIM技術需求程度的差異，將BIM課程體系分為基礎課程體系和高級課程體系兩個級別。在給排水專業原有培養方案中加入BIM基礎內容，在學生中普及BIM技術；在致力于BIM技術研究，并將其作為未來職業發展方向的學生群體中開設BIM高級培訓課程，以滿足更高需求。

(一)給排水專業BIM基礎課程體系設置

1.調整原有培養計劃，增加BIM技術相關課程

調查顯示，我國BIM機電人才需求缺口巨大，為大量培養BIM人才，在給排水專業的培養計劃和課程體系中增設了BIM應用技術課程，全面培養學生的BIM理念和操作技能，使所有給排水專業的學生都可以學習到BIM基礎知識，接受BIM基本技能訓練。

在眾多的BIM軟件中，大多數高校將水暖電3個專業組合為機電(MEP)模塊，企業的需求反饋也顯示更需要精通水暖電3個專業的復合型人才。在BIM時代，以水暖電三個專業的有機結合為契機，培養水暖電復合型人才成為大趨勢，因此，在給排水專業培養計劃中增設了建筑設備課群組，設置了建筑暖通空調、建筑電氣選修課，這兩門選修課與給排水專業原有的建筑給排水工程共同組成建筑設備的核心課程，便于學生更全面地掌握BIM機電方向的基礎知識。

通過BIM應用基礎課和水暖電專業課的學習，學生已經初步具備BIM技術的應用能力，但是由于上述兩類課程分開設置，并未有機結合在一起，學生的實踐角色帶入感不強，利用BIM技術分析解決實際工程問題的能力未能得到很好提升，不能滿足應用型BIM人才培養的要求。對此，增設BIM典型案例分析、BIM在建筑設備中的應用等實踐類課程，結合學生的興趣和學習能力，選擇難度適中、應用性廣泛的綜合工程案例，引進最新的BIM應用軟件，實現在虛擬仿真的環境中模擬工程項目在規劃、設計、施工、運營維護等各階段的運行，提高學生應用BIM理念和思維解決實際工程問題的能力。

2.原有專業課程體系中融入BIM教學內容

建設BIM案例輔助相關專業課堂教學，將BIM技術融入畫法幾何與工程制圖、土建工程基礎、建筑給排水等專業基礎課和專業課程的教學中，建設給排水專業BIM技術課程群。

在工程制圖課程中，將BIM三維模型作為教學輔助工具，利用三維模型直觀、形象的優勢，將三維模型和二維平面圖一一對應，便于學生更好地觀察和理解建筑的空間結構關系[6-9]，且較之枯燥的二維圖紙，三維模型更加生動，有利于提高學生的學習興趣。在三維模型講解過程中還可對學生進行BIM基礎知識普及，構筑學生對BIM的初步認知，為后續BIM相關課程的學習打基礎。

在土建工程基礎原有課程內容中加入Revit Architecture教學模型，輔助講解基礎、柱、墻、門窗、樓板、屋頂、樓梯等房屋構造，二維施工圖和三維模型一起使用、對比演示，使原本枯燥的理論學習變得立體生動，便于學生更好地理解和掌握建筑結構相關內容，引導學生將BIM技術應用到未來的工程實踐和工作中。

在建筑給排水、建筑暖通空調和建筑電氣等建筑機電理論課程講授過程中，運用實際項目的Revit機電模型，在項目中引出知識點的講解，從工程的角度分析理論知識，向學生全方位展示真實建筑完整的機電設備模型，同時配以VR(虛擬現實)、AR(增強現實)等虛擬仿真技術，使學生產生身臨其境的感覺，提高學習興趣，加深對建筑機電系統的認知。

在水工程施工課程中，利用BIM軟件制作模擬動畫展示施工過程和建筑設備安裝過程，將施工現場帶進課堂，讓學生通過BIM虛擬技術了解施工的整體及細節，將抽象的文字敘述變成具體的施工動畫，解決施工工藝、技術流程在課堂上難以講清的問題[13]；讓學生完成施工工序分析、編制施工作業組織圖、計劃表等，以提高學生學習興趣。將BIM技術引入水工程施工課程教學中，不僅可以幫助學生熟悉課堂內容、鞏固理論知識，還能提前接觸行業前沿知識[13]、增強學生學習興趣。

水質工程學、給排水管網工程、水泵與水泵站等給排水專業核心專業課中需要講解眾多復雜的處理構筑物及構件，在原有的“PPT+板書”的課堂教學模式下，學生不能準確想象出這些處理構筑物的具體結構和運行過程。為此，利用BIM三維技術制作了普通快濾池、V型濾池、管網等市政基礎設施的三維BIM模型，相比抽象的二維示意圖，由于BIM三維模型具有可視化、多角度、可拆分、易剖切等優勢，學生在立體模型環境下學習，通過拆分切剖構筑物三維模型，不需要極強的空間想象能力就能看到二維圖紙視角下看不到的內在的復雜結構。學生對構筑物的結構有了形象直觀的認識，教學效果大大提升。

教師在BIM技術平臺下講述專業課程比傳統形式授課更具系統性、層次性和可操作性，BIM技術可以幫助學生更好地理解并掌握相關的專業知識，提高學生的空間認知能力，也使原本枯燥手段單一的課堂教學變得生動形象，激發了學生學習專業課和BIM技術的動力。

3.實踐課程體系中加入BIM軟件操作

BIM應用人才除應具備技術所需的理論知識外，更需要將理論應用于實踐，鍛煉實踐動手能力，因此，除了設置BIM理論課程，在給排水專業的實習、課程設計、畢業設計等實踐課程中引入BIM內容，提升學生的BIM應用能力。

在給排水專業的課程設計中，將學生分為兩隊，一隊采用傳統方式使用CAD完成二維圖紙的繪制，另一隊在構筑物設計完成后，利用BIM三維建模軟件建立構筑物的三維立體模型，直接出圖。在課程設計完成之后，將傳統設計方法下的成果和BIM成果進行對比和檢驗，使學生對BIM技術的優勢有更深刻的理解和認可。

在畢業設計過程中，每年抽選部分給排水專業學生與土木工程、工程管理等專業學生組成跨專業畢業設計團隊，共同完成包含建筑、結構、機電全專業模型搭建、碰撞檢測、招投標文件編制，施工過程管理、土建造價、安裝造價等多個BIM應用任務。不同專業學生一起聯合做畢業設計，一方面鍛煉了學生的溝通和團隊協作能力，另一方面起到了專業間的優勢互補，使學生對BIM的設計理念有了切身的體會。

學校給排水專業BIM基礎課程體系如表1所示。除了上述系統課程體系，還可以通過微課、專家講座等多種教學方式和手段為學生傳授BIM知識和前沿技術，使學生在大學四年可以隨時隨地學習BIM技術，接受BIM理念的熏陶。

表1 給排水專業BIM基礎課程體系

(二)給排水專業BIM高級課程體系設置

為進一步提高學生的專業素質和BIM技能，更好地接軌行業市場需求，滿足用人單位對BIM綜合應用能力的要求，篩選對BIM興趣強烈，有意愿在此行業內發展的學生組成BIM工作室，通過提高培訓課程學習、等級考試、學科競賽，校外實踐等方式對學生進行更深層次的實踐鍛煉，培養學生建立應用級別的三維模型、應用BIM模型輔助建設過程管理等深層次的能力。

1.設置BIM提高培訓課程

加入BIM工作室的學生在基礎課程學習結束之后，繼續參加提高培訓。培訓過程中，以“項目”為單位，讓學生自由組隊完成一個高級項目，通過項目實踐掌握目前主流的BIM應用、管理軟件，同時培養學生自主學習、思考、及時關注學科前沿發展動態的能力和習慣。提高培訓契合了用人企業的能力需求，提升了學生的就業競爭力。提高培訓課程內容及技能要求如表2。

表2 提高培訓課程內容

2.鼓勵學生參加BIM競賽

隨著BIM技術在給排水市政方向的廣泛應用，越來越多的BIM大賽開始設置機電、市政、安裝等給排水專業相關項目模塊。鼓勵給排水專業的學生積極申報BIM競賽，或者與土木工程和工程管理專業的學生跨專業組隊參加BIM大賽。根據學校政策，在BIM比賽中獲獎的學生能夠獲得素質教育學分獎勵。

在參加競賽的過程中，學生可以了解并體驗多種主流BIM軟件的應用，訓練多方協同應用能力，擴展BIM知識。很多賽事主辦方也會為學生提供與同行和企業交流的機會，增加學生就業渠道，提高學生就業競爭力。

3.組織“3+1”校外實踐

BIM技術的熟練運用是建立在大量應用，尤其是實際工程項目實踐基礎之上。對于培養應用型人才為主的獨立學院而言，校外實習的重要性不言而喻。為此，學校專門制定了針對實習生的“3+1”培養計劃，將傳統的四年制本科學習劃分為三年專業課學習和一年企業實習，重要的專業課程均安排在大學前3個學年完成，大四僅剩余少量選修課及實踐課程。大學第6個學期理論課程學習結束之后，在學生自愿報名和用人單位篩選雙向選擇基礎上，選派部分BIM高級人才到校企合作單位進行為期一年的校外實踐。參加“3+1”校外實踐的學生，可以用校外實踐課程代替大四上學期相同學分的選修課程。

由于在高級培訓過程中鍛煉了學生的軟件操作能力和團隊合作能力，進入實習單位后學生能在較短時間內熟悉工作崗位，得到用人單位的肯定。通過在實際工作崗位的實踐鍛煉，學生能接觸到在校期間難以見到的大型復雜項目，對復雜項目中相關軟件的使用技巧以及BIM技術和理念有了更深的學習和理解，大大增強了就業競爭力。

4.培養跨學科建筑信息化人才

隨著BIM技術與大數據、3D、云計算、移動互聯技術的滲透融合，以及在人工智能、虛擬現實、智慧城市等產業領域的應用，為積極響應新工科建設行動，培養跨學科BIM綜合創新人才，設置了物聯網技術、數據庫技術、網絡爬蟲與數據分析等信息類選修課程，并與相關課程教師共同制定基于BIM技術的課程教學內容，培養學生利用計算思維和數據思維獲取數據、分析數據的能力，并使學生對射頻識別技術、傳感技術、物聯網的智能應用等信息技術有了初步的了解，以適應未來對跨學科BIM創新人才的需求。

三、結語

國內BIM技術應用已從最初的試水階段進入快速發展階段，從最開始的民用建筑慢慢延伸到水利、港口以及大型市政基礎設施等其他土建工程領域，但是國內高校給排水專業的BIM專業教育開展較為緩慢，用人單位急缺既精通機電專業又懂BIM技術的畢業生來充實BIM機電人才大軍，在給排水專業學生中進行BIM機電人才培養已刻不容緩。

目前，高校給排水專業已形成層次分明的BIM分級課程體系，但是在市政基礎設施BIM應用、BIM全生命周期應用方面仍需進一步探索。學校給排水專業計劃就市政給排水設施和構筑物BIM建模及應用，BIM全生命周期案例教學方面展開深入研究，積極推進BIM技術在市政給排水設施中的應用，以期培養更多的BIM復合創新型人才。