基于“頂石課程”理念的BIM課程建設(shè)

張挺　許莉　范冰輝　王志濱　鐘旭盼

摘 ?要：目前，BIM課程建設(shè)中存在許多問題，如模型的案例項目較為簡易且與實際相差較大;項目之間銜接不完善，對項目的模型未成體系;BIM課程培養(yǎng)方案主要目的是讓學(xué)生學(xué)會相關(guān)軟件，往往忽略了學(xué)生的興趣培養(yǎng)等;目前這類課程的開設(shè)重點集中在一流院校，并把對BIM應(yīng)用的研究重點放在研究生上;課程設(shè)計相互間聯(lián)系不夠緊密，課程設(shè)計一般不考慮工程的復(fù)雜多變等問題。基于頂石課程理念，在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)引入BIM技術(shù)、在畢業(yè)設(shè)計方面對BIM技術(shù)做要求以及基于頂石課程的BIM課程設(shè)置，把BIM技術(shù)融入到實踐教學(xué)中，練習(xí)BIM的實際操作，在畢業(yè)設(shè)計開設(shè)BIM方向，既可以讓學(xué)生了解關(guān)于BIM的理論技術(shù)，掌握BIM技術(shù)的基本應(yīng)用，在以后就業(yè)中使學(xué)生更能滿足用人單位的需求，也可以提高實踐教學(xué)質(zhì)量，實踐教學(xué)中存在的一些不足能夠得到解決。

關(guān)鍵詞：頂石課程;BIM課程建設(shè);實踐教學(xué);畢業(yè)設(shè)計;多學(xué)科學(xué)習(xí);工學(xué)結(jié)合

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2021）01-0070-04

Abstract： There are many problems in the construction of BIM courses： the simple case project of the model; the imperfect connection between the projects， the unsystematic model of the project， the ignorance of the cultivation of students' interests， etc.; at present， the opening of such courses focuses on first-class colleges and universities and focus on the research of BIM application to graduate students; curriculum design is not closely related to each other， and generally does not consider the complexity of engineering and other issues. Based on the concept of top stone course， BIM Technology is introduced into practice teaching， the requirements for BIM Technology in graduation design and the BIM curriculum based on top stone course. BIM Technology is integrated into practice teaching， practice the actual operation of BIM， and the direction of BIM in graduation design can not only let students understand the theory and technology of BIM， but also master the basic application of BIM Technology. In the future， In the future employment， students can better meet the needs of employers and improve the quality of practical teaching. Some shortcomings in practical teaching can be solved.

Keywords： Capstone course; BIM course construction; practical teaching; graduation project; multidisciplinary learning; work-integrated learning

一、頂石課程的內(nèi)涵

“頂石”是指在建造拱橋、拱廊等建筑物時而在建筑物頂端架設(shè)的石頭，能夠增強整體結(jié)構(gòu)，所以頂石的搭建意味著工程的順利完成。頂石課程，是建筑的“頂石”術(shù)語與心理學(xué)“頂峰體驗”概念的巧妙結(jié)合。“頂石課程”引申到本科的教育領(lǐng)域中，相當(dāng)于為了讓本科畢業(yè)生培養(yǎng)整合、分析和總結(jié)本科所學(xué)知識的能力而專門開設(shè)的相關(guān)課程，增強了學(xué)生對本科知識的整體表達(dá)。

頂石課程的四個主要功能有：1. 完結(jié)：頂石課程的教育對象是畢業(yè)生，這是他們本科階段的最后部分課程。2. 整合：頂石課程要求學(xué)生把本科學(xué)習(xí)的知識整合成一個整體，理清楚課程之間的脈絡(luò)及聯(lián)系，明白課程學(xué)習(xí)不是完成學(xué)習(xí)任務(wù)，而是為了一個有意義的整體而累積。3. 反思：對以前學(xué)習(xí)過的課程進(jìn)行回顧和應(yīng)用，既能加深對學(xué)科知識和技能的深刻認(rèn)識，又能反思自己在現(xiàn)階段的不足和學(xué)習(xí)過程中存在的問題。4. 過渡：頂石課程是把知識轉(zhuǎn)化到實際應(yīng)用，設(shè)計和完成自己的學(xué)習(xí)成果，這為畢業(yè)生以后步入社會、進(jìn)入職場鍛煉能力。

頂石課程既貫穿于基礎(chǔ)課程和核心課程，又是基于他們的基礎(chǔ)之上，本科教育的課程體系是由基礎(chǔ)課程、核心課程和頂石課程共同構(gòu)成，因此頂石課程在課程體系的尖端位置毋庸置疑。頂石課程的尖端地位要求學(xué)生的整體能力和自信心水平處于一個新的高度，完成新高度頂石課程的成就感，稱之為本科教育的“頂峰體驗”。

二、BIM技術(shù)及課程現(xiàn)狀

建筑信息化模型（BIM）技術(shù)，能夠?qū)θ蚪ㄖ袠I(yè)產(chǎn)生巨大影響和改變土木工程的構(gòu)建方式，是學(xué)習(xí)建筑學(xué)、土木工程及其他工程學(xué)科的行之有效工具。BIM技術(shù)能夠?qū)⒔ㄖ锏恼鎸嵭畔⒂脭?shù)字技術(shù)模擬出來，它能夠反映出工程全壽命周期中的全部信息，包括各階段的工程信息、資源信息等。BIM技術(shù)連續(xù)、即時高效地提供高品質(zhì)、可靠度高的有關(guān)項目設(shè)計草案、設(shè)計成型方案、施工進(jìn)度、質(zhì)量、成本控制信息的特點讓它具有降低工程成本、實現(xiàn)項目的精細(xì)化管理、確保工程高效有序完成的優(yōu)勢。BIM技術(shù)經(jīng)常被用在施工前期，以無死角、全方位模擬施工現(xiàn)場的方式，來預(yù)測后期施工時的潛在問題，這樣能夠采取合理的措施進(jìn)行規(guī)避。

目前對于BIM的深入研究和BIM技術(shù)中國化方面取得了令人滿意的成績，能夠發(fā)現(xiàn)經(jīng)過系統(tǒng)學(xué)習(xí)BIM軟件的同學(xué)在建模能力和實踐能力上都有明顯的提升。但從整個土木的課程體系上來分析，還沒有充分發(fā)揮BIM技術(shù)的優(yōu)勢能力，表現(xiàn)如下：

1. 有些高校在虛擬沙盤、協(xié)同平臺、集成化建筑設(shè)計、可視化溝通平臺和造價體系等方面付出了很多的努力，但還是存在模擬的項目單一、簡單、不真實，比如一個鋼架或一座小橋這樣一系列問題。簡單的項目沒能展現(xiàn)BIM處理大批量沖突數(shù)據(jù)時的明顯優(yōu)勢，沒有充分發(fā)揮它的強大功能，學(xué)生也沒能感受到復(fù)雜的實際工程。

2. 部分高校開設(shè)BIM課程的目的是讓學(xué)生簡單學(xué)會使用BIM軟件，而實際上軟件是起輔助作用的操作工具，寶貴的本科時間只是用來學(xué)習(xí)軟件操作太枯燥、收益也低、教學(xué)效果不明顯。

3. 目前BIM應(yīng)用范圍狹窄，模擬未形成完整體系，項目間銜接程度低。學(xué)習(xí)與實際脫離會讓學(xué)生迷惘，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)目的不明確。

4. 重視BIM技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)的院校集中在一些一流學(xué)校，且BIM技術(shù)對本科生的培養(yǎng)缺乏，只注重對研究生的培養(yǎng);有些高職院校重點培養(yǎng)的BIM人才只具有單一技術(shù);多數(shù)本科院校雖然認(rèn)識到重要性，但教學(xué)課程體系沒有建立、對BIM的研究少，所以BIM沒有融入到學(xué)生的培養(yǎng)計劃中。

注重BIM技術(shù)在土木工程專業(yè)中的作用，在BIM課程建設(shè)中引入“頂石課程”的理念，可以在教學(xué)過程中有效、系統(tǒng)的傳授BIM技術(shù)的理論知識和實踐技能，也能高效為土木行業(yè)培養(yǎng)高新技術(shù)BIM人才。但是如何將“頂石課程”理念引入到現(xiàn)有的BIM課程體系中，如何調(diào)整學(xué)生培養(yǎng)計劃和制定實際可行的教學(xué)方案？這是當(dāng)前土木專業(yè)教育工作者需要探究的一個重要問題。

三、基于“頂石課程”理念的BIM課程設(shè)計與實施

（一）頂石課程的實施方法

1. 工學(xué)結(jié)合

頂石課程工學(xué)結(jié)合方法的主要教學(xué)手段是學(xué)生參與實踐、實習(xí)，讓學(xué)生在一個給定的或模擬的專業(yè)背景下，參與工作的日常規(guī)劃、執(zhí)行和管理，面對工作的潛在難題和挑戰(zhàn)。工學(xué)結(jié)合的頂石課程持續(xù)時間長，學(xué)生要參與到實踐中完成崗位對應(yīng)的任務(wù)，承擔(dān)對應(yīng)的責(zé)任。課程旨在培養(yǎng)學(xué)生的工作技能和經(jīng)驗，與社會接軌，為學(xué)生進(jìn)入職業(yè)生涯做準(zhǔn)備。課程既有利于企業(yè)進(jìn)行人才選拔和創(chuàng)造商業(yè)價值，也為學(xué)生提供學(xué)習(xí)和求職平臺，學(xué)生和企業(yè)在課程結(jié)束后可以進(jìn)行雙向選擇，學(xué)生與合作企業(yè)的良好互動促進(jìn)了校企合作的持續(xù)發(fā)展，形成頂石課程的良性循環(huán)。

2. 多學(xué)科學(xué)習(xí)

多學(xué)科學(xué)習(xí)的方式有不同專業(yè)學(xué)生共同完成一個跨學(xué)科項目或某一專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)和運用多學(xué)科知識完成專業(yè)項目。多學(xué)科學(xué)習(xí)頂石課程通過搭建一個能夠與專業(yè)相關(guān)人士交流的平臺，把專業(yè)各環(huán)節(jié)潛在問題進(jìn)行討論和總結(jié)，讓學(xué)生從全貌認(rèn)識專業(yè)，這樣學(xué)生可以結(jié)合自己已經(jīng)習(xí)得的專業(yè)知識和專業(yè)之外的背景知識，得出自己的認(rèn)識。多學(xué)科學(xué)習(xí)拓寬了學(xué)生掌握技能的領(lǐng)域和知識架構(gòu)，也培養(yǎng)了學(xué)生知識遷移的能力，滿足了社會對擁有多元學(xué)科背景知識人才的需求，旨在培養(yǎng)學(xué)生理解多學(xué)科知識的能力，提升將來進(jìn)入職場的就業(yè)競爭力。

（二）基于“頂石課程”的BIM課程設(shè)置方面

研究發(fā)現(xiàn)在已有學(xué)生培養(yǎng)方案下設(shè)置基于“頂石課程”的BIM課程主要有如下困難：82%的高校沒有余地設(shè)置其他課程;66.7%的高校在加入額外必修課和選修課后，8學(xué)期畢業(yè)制不可能仍然實行;86.7%的高校教師面臨著開展一門新課程的時間和資源問題;53.3%的高校沒有BIM材料和課本可供學(xué)生使用。

基于“頂石課程”的BIM課程分為理論教育和實踐教育兩部分進(jìn)行設(shè)置，這兩部分不是彼此獨立，可以相互搭、補充。其中實踐教育有專業(yè)課目對應(yīng)的課程設(shè)計或?qū)I(yè)實習(xí)、畢業(yè)實習(xí)、畢業(yè)設(shè)計等。開展BIM教學(xué)的形式主要如表1。

結(jié)合教學(xué)形式表設(shè)置一套合理的BIM課程體系人才培養(yǎng)方案如表2所示。該課程體系重視BIM基礎(chǔ)知識和BIM軟件學(xué)習(xí)，也鼓勵學(xué)生將專業(yè)知識體系與BIM技術(shù)嘗試融合，讓他們能使用BIM軟件建立三維模型，掌握3D技術(shù)。

以下為一些細(xì)部要求或者輔助方法：

1. 建立BIM綜合實訓(xùn)平臺相關(guān)專業(yè)的需求，就需要構(gòu)建能夠融合BIM技術(shù)的綜合性的為了滿足上述BIM課程體系中相關(guān)課程開展實踐教學(xué)的實訓(xùn)平臺，該平臺可實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工虛擬仿真、招投標(biāo)，既滿足土木工程專業(yè)如工程造價、工程管理等其標(biāo)模擬、工程項目管理模擬等各類實訓(xùn)。

2. 對師資力量加強BIM培訓(xùn)。由于BIM相關(guān)技術(shù)涉及軟件較多，能夠在工程的全生命周期多方面應(yīng)用，且側(cè)重于實踐，因此加強對現(xiàn)有教師的培養(yǎng)是很有必要的。通過邀請BIM行業(yè)的人才舉辦講座，鼓勵教師參加BIM技術(shù)探究，從而讓教師積極主動去學(xué)習(xí)BIM技術(shù)，了解BIM行業(yè)動態(tài)和前沿。其次可以開展校企合作，讓教師在企業(yè)的實際工程中鍛煉，提高BIM技術(shù)解決實際工程問題的能力，讓老師教育學(xué)生時能給到精準(zhǔn)的指導(dǎo)，讓BIM技術(shù)的教學(xué)工作更有效進(jìn)行，教學(xué)效果也會很顯著。

3. 鼓勵學(xué)生自行組建興趣小組去參加BIM技能大賽。如學(xué)校或企業(yè)等舉辦的BIM設(shè)計大賽、BIM軟件大賽等。

（三）頂石課程中實踐教學(xué)環(huán)節(jié)引入BIM技術(shù)

現(xiàn)有些院校設(shè)置有關(guān)BIM課程只是讓學(xué)生會使用BIM有關(guān)的軟件，學(xué)生不知這樣做的意義，教學(xué)效果很不理想。為了能夠更熟練的操作BIM相關(guān)軟件，可以將BIM融入到相關(guān)課程及實踐教學(xué)中，所以在BIM課程建設(shè)中引入實踐環(huán)節(jié)。

一個完整的工程項目包含全方面的內(nèi)容，所以實踐教學(xué)環(huán)節(jié)引入BIM技術(shù)是一個龐大的系統(tǒng)工程，具有顯著的實際意義。深入剖析目前土木工程學(xué)科的實習(xí)、設(shè)計等實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，整合研究土木學(xué)科實踐體系，并且對教學(xué)思路有針對性地進(jìn)行革新，建立聯(lián)系平臺，具體思路如下：

1. 首先，教學(xué)素材是基礎(chǔ)，開發(fā)關(guān)于BIM技術(shù)的教學(xué)素材，對大一新生將BIM軟件知識進(jìn)行普及和將實習(xí)認(rèn)知預(yù)備就緒。用BIM技術(shù)制作展現(xiàn)現(xiàn)場施工全過程的畫面，帶動學(xué)生的積極性，讓他們參與到動畫制作及分享動畫成果。這樣學(xué)生能夠身臨其境地感受土木施工，解決了“學(xué)土木有什么用？以后能夠做些什么？”這些縈繞于心的疑惑。帶著自己的感官認(rèn)識，在以后的實習(xí)和工作，可以事半功倍。

2. 建立CAVE沉浸式展示系統(tǒng)和VR系統(tǒng)實驗室。CAVE沉浸式展示系統(tǒng)由投影儀和視頻融合系統(tǒng)組成，以實現(xiàn)裸眼3D的效果。激勵學(xué)生用BIM技術(shù)將二維圖紙轉(zhuǎn)化成三維實體，然后通過視頻渲染、視頻融合技術(shù)完成具有裸眼3D效果的作品。通過展示優(yōu)秀學(xué)生成果，可以讓學(xué)生更好地感受現(xiàn)場施工的實際操作流程。也可以根據(jù)教學(xué)需求，開發(fā)裝配式VR系統(tǒng)或者鋼筋拉伸等VR系統(tǒng)，然后讓學(xué)生感受VR操作流程。讓他們在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)專業(yè)知識的同時，對土木能有更好的感知，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣在虛擬施工進(jìn)行中和完成后，由實踐老師帶領(lǐng)學(xué)習(xí)小組去現(xiàn)實工地分多次勘察，讓學(xué)生不斷根據(jù)現(xiàn)實施工完善自己的虛擬施工流程，對自己存在疑問之處有深刻認(rèn)識，提高學(xué)習(xí)效率、總結(jié)實際施工經(jīng)驗和技術(shù)要點。

（四）BIM技術(shù)畢業(yè)設(shè)計方面

基于“頂石課程”理念的BIM課程建設(shè)，旨在整合本科知識，反思學(xué)科認(rèn)識和技能認(rèn)識，完成好畢業(yè)設(shè)計以更好地過渡到社會中，畢業(yè)設(shè)計是頂石課程最重要的實踐環(huán)節(jié)，在畢業(yè)設(shè)計的過程中多加錘煉，達(dá)到綜合應(yīng)用及系統(tǒng)的總結(jié)學(xué)生在本科階段學(xué)到的所有專業(yè)知識的目的，高校的教學(xué)質(zhì)量可以用畢業(yè)設(shè)計成果質(zhì)量的高低來顯現(xiàn)出來，也反映了頂石課程的質(zhì)量。發(fā)現(xiàn)在畢業(yè)設(shè)計完成過程中存在如下一些問題：比如畢設(shè)選題比較簡單且重復(fù)率高，導(dǎo)致最終存在大量類似的設(shè)計成果，抄襲情況也比較嚴(yán)重;選擇的設(shè)計題目和工程實際差別也較大，并且不同專業(yè)的單獨確定選題，這讓學(xué)生協(xié)作交流能力被限制了，學(xué)生知識面沒有得到擴展等。

基于BIM技術(shù)，在畢業(yè)設(shè)計課題選擇時就有很大的自由空間，可以選擇綜合體項目或者大型綜合性的工程項目。工程項目一般有設(shè)計、施工、造價預(yù)算這三個進(jìn)展階段。

1. 基于BIM的設(shè)計階段

一是土建初步建模。設(shè)計滿足建筑需求的模型。二是土建深化建模。設(shè)計能滿足結(jié)構(gòu)需求的模型。三是機電建模，將各個樓層的各種專業(yè)設(shè)備如給排水、空調(diào)、風(fēng)管等建模，綜合各層各專業(yè)的管線，完成能用三維數(shù)值變現(xiàn)效果的模型。四是BIM審圖。用BIM審圖軟件將設(shè)計的土建模型和機電模型將兩種模型合并，實現(xiàn)將各個樓層里面的真實情景在審圖軟件中表達(dá)出來。

2. 基于BIM的施工階段

一是計劃施工網(wǎng)絡(luò)建模。創(chuàng)建用于施工模擬及實時控制的網(wǎng)絡(luò)計劃技術(shù)管理模型。二是布置施工現(xiàn)場建模。應(yīng)用軟件生成直觀的三維施工場地布置數(shù)值模型，并自動生成臨水、臨電方案及臨建工程量。三是管理施工過程建模。把進(jìn)度、預(yù)算、資源、施工組織等信息集成到BIM模型，進(jìn)行施工過程模擬，即時、高效顯示施工過程中資源消耗、成本核算、計量、進(jìn)度等數(shù)據(jù)，極大提升決策和溝通效率。四是碰撞分析。在BIM審圖中導(dǎo)入各方面維度的三維模型，利用BIM技術(shù)檢查現(xiàn)場管線等碰撞，盡量減少返工現(xiàn)象，把參考信息給實際問題達(dá)到降本增效。

3. BIM技術(shù)應(yīng)用三維模型到工程造價階段，通過建立圖形算量模型可以提高造價計算效率。

基于BIM技術(shù)的畢業(yè)設(shè)計是頂石課程設(shè)置的重要環(huán)節(jié)，也是高校推進(jìn)BIM教育的重要方式，隨著BIM技術(shù)發(fā)展和人才增多，將來可作為畢業(yè)設(shè)計的一種主要形式。

四、結(jié)束語

BIM技術(shù)是實現(xiàn)建筑信息化管理的基礎(chǔ)，應(yīng)用于工程中能夠即時提供數(shù)據(jù)、產(chǎn)生經(jīng)濟效益、提高生產(chǎn)效率等，這先進(jìn)的管理技術(shù)值得推廣。高校承擔(dān)的重任是培養(yǎng)BIM人才，滿足社會對BIM人才的需求。高校基于“頂石課程”理念的BIM課程建設(shè)，通過調(diào)整人才培養(yǎng)計劃，在BIM課程設(shè)置方面做出完善、實踐教學(xué)環(huán)節(jié)引入BIM技術(shù)并進(jìn)行創(chuàng)新嘗試、在畢業(yè)設(shè)計方面對BIM技術(shù)做要求，既可以讓學(xué)生對BIM理論加深了解，掌握和應(yīng)用BIM技術(shù)，讓學(xué)生在以后就業(yè)中能更好滿足用人單位的需求，也可以提高實踐教學(xué)質(zhì)量，實踐教學(xué)中存在的一些不足能夠得到解決，推動我國的建筑業(yè)發(fā)展。

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基金項目：2018年福州大學(xué)一流本科教學(xué)改革建設(shè)項目“構(gòu)建本科教學(xué)水平綜合評估體系提升教師教學(xué)水平”、“土木工程多方位多層次BIM教學(xué)體系建設(shè)”（校教〔2018〕58號）

作者簡介：張挺（1977-），男，漢族，福建壽寧人，工學(xué)博士，教授，研究方向：環(huán)境水力學(xué)及河流動力學(xué)、河道防洪減災(zāi)。