基于CDIOF-BIM的土木工程聯合畢業設計教學實踐與思考

秦衛紅，姚一鳴，張志強，徐 照，陸金鈺

(東南大學 土木工程學院，江蘇 南京 211189)

新型建筑業通過信息技術驅動，以工程全壽命期系統化集成設計、精益化生產施工為主要手段，整合工程全產業鏈、價值鏈和創新鏈，實現了工程建設的高效益、高質量、低消耗、低排放。這不僅對從業人員知識體系的數字化、智能化和集成化提出了新要求，也對高校人才培養提出了更高要求：如何在保障基礎知識掌握上，培育學生綜合應用的能力和掌握信息數字技術的能力。

畢業設計是大學生集成化培養的一個重要環節。隨著社會對人才多樣化要求的提高，高等教育開始向多樣化發展方向推動，多學科交叉人才培養的教學改革已成為研究熱點之一。多學科交叉畢業設計教學模式突破了專業限制，從科學關注的實際問題出發，利用各專業學生的專業技能，以團隊合作形式進行畢業設計，是對多學科交叉人才培養模式的延伸和拓展。

土木工程作為一門涉及多學科、多領域的綜合性學科，開展土木工程聯合畢業設計教學已成為主流發展趨勢。當前已有不少高校開展了聯合畢業設計的教學試點，然而都存在以下幾個關鍵問題：畢業設計時間有限，無法將多個專業有效融合，更多為幾個專業的簡單拼湊；不同專業學生之間溝通較少，缺少協作平臺，無法形成有效的團隊合作。因此，聯合畢業設計需要運用科學合理的指導管理方法，對課題選擇、團隊組成、實施過程等多方面進行改革。本文以東南大學土木工程專業畢業設計為例，以多學科交叉聯合畢業設計為教學模式，進行了相應的教學實踐案例探索。

一、土木工程聯合畢業設計教學模式探索的意義

(一)培養土木工程復合型人才的需要

早在 2007 年英國皇家工程院(RAE)發布的《Educating Engineers for 21st Century》中就曾指出，工程師應當扮演三種不同卻又相互關聯的角色：具有專業知識的技術專家；能夠在復雜環境中跨邊界工作的復合人才；具有創新精神和領導能力的挑戰者。《住房和城鄉建設部等部門關于加快新型建筑工業化發展的若干意見》(建標規〔2020〕8號)中指出，應加強系統化集成設計，推動全產業鏈協同，加快信息技術融合發展。重點指出通過數字化設計手段推進建筑、結構、設備管線、裝修等多專業一體化集成設計，促進多專業協同，提高建筑整體性。如今，土木工程正朝著超大跨、超高層方向發展，多專業協同要求增強、多學科交融增加。土木工程作為一個系統工程，是由多個處于不同環節、職能的專業協同完成，彼此相互依存，只有各專業的高效有機配合，才能較好地完成具體高尖項目工程。這就要求在對土木工程學生培養過程中，不僅加強專業基礎知識的學習，同時還要具備一整套綜合能力，包括高效的人際交往、團隊意識與協作能力等。

(二)解決當前畢業設計題目類型單一、學科彼此割裂的有效途徑之一

傳統的土木類專業畢業設計題目通常由教師給定，一人一題，題目類型相對固定，實際內容大同小異，一些題目甚至沿用多年，側重于對問題的驗證，缺乏創新。不同學科之間由于缺少橫向聯系，只重視本專業理論知識的學習和訓練，忽視相關專業知識的拓展，學生缺乏整體的大工程觀，其設計成果合理性脫離實際。這造成了學生畢業設計缺乏挑戰性、創新性和吸引力，直接導致了知識面不夠寬、團隊合作意識淡薄等問題。為此，借助畢業設計這一途徑，通過不同專業聯合設計，激發學生的主觀能動性，群策群力，以為土木工程畢業設計注入新動力。

(三)為畢業設計教學提出了新挑戰和新契機

當前已有不少高校開展了聯合畢業設計的教學試點，然而都存在以下幾個關鍵問題：畢業設計時間有限，無法將多個專業有效融合，最后成為幾個專業的簡單拼湊；不同專業學生之間溝通較少，缺少協作平臺，無法形成有效的團隊合作。因此，聯合畢業設計需要運用科學合理的管理方法，對課題選擇、團隊組成、實施過程等多方面進行改革。

基于此，本文提出基于CDIOF-BIM的土木工程聯合畢業設計教學模式。

二、CDIOF-BIM教育理念

(一)CDIOF理論的提出

CDIO是構思(Conceive)、設計(Design)、實施(Implement)和運行(Operate)四個單詞首字母大寫的縮寫。該理論于2001年由美國麻省理工學院與瑞典皇家技術學院、查爾姆斯技術大學和林克平大學聯合提出，旨在構建一套全新的工程教育思想。其來源于工程系統的全生命周期理論，強調在工程活動“構思—設計—實施—運行”的全生命周期過程中，將教學建立于實際工程情景中，使學生能夠將所學的專業知識應用到工程實踐中。結合土木工程，“構思”包括業主需求、投資計劃等；“設計”主要包括工程設計方案、施工方案等；“實施”是指項目的建設和管理過程等；“運行”包括項目的試運營等。

而在上述過程中，信息的反饋非常重要，只有及時進行溝通，才能保證系統的高效運轉。為此，提出在CDIO實施過程中應實時開展“反饋評價”(Feedback Evaluation)，簡稱“CDIOF”。

(二)BIM技術

BIM(Building Information Modeling，BIM)，即建筑信息模型，是由查克·伊士曼(Chuck Eastman)在1975 年提出，旨在建立一個基于計算機系統，實現對建筑物智能模擬，保證建筑模型的可視化、一體化、參數化和具有仿真性、可出圖性、信息完備性等特性。BIM技術的發展，為多專業聯合畢業設計提供了平臺和有效途徑。

住建部正在大力推廣建筑信息模型(BIM)技術，加快推進BIM技術在新型建筑工業化全壽命期的一體化集成應用，試點推進BIM報建審批和施工圖BIM審圖模式，推進與城市信息模型(CIM)平臺的融通聯動，提高信息化監管能力和建筑行業全產業鏈資源配置效率，發揮新型建筑工業化系統集成綜合優勢。

為此，通過引入CDIOF工程教育理念和BIM技術，開展基于CDIOF-BIM的聯合畢業設計教學模式的探索與實踐，嘗試以工程項目實現為導向，在解決實際問題、實現項目的過程中培養學生的溝通協作能力、大工程意識。

三、基于CDIOF-BIM的聯合畢業設計教學模式架構

基于CDIOF-BIM的聯合畢業設計教學模式架構如圖1所示。該模式以CDIOF為指導思想，以實際工程項目為依托，以BIM技術為紐帶和平臺，設置相應的教學流程和方法。

圖1 基于CDIOF-BIM的聯合畢業設計教學模式架構

(一)構思(Conceive)

聯合畢業設計構思包括師生團隊組建、聯合畢業選題、協調平臺搭建等內容。

首先，應建立不同專業的教師團隊、不同專業的學生團隊。根據土木工程畢業設計可能涉及的專業，如上部結構設計、地下防護工程設計、基坑支護、施工組織設計和工程管理等專業，在選擇學生比例時根據不同專業畢業生本身畢業設計工作量進行匹配。以一個由兩棟框架房屋的設計流程為例，選擇兩名同學進行上部結構設計、其他專業各一名學生。如上，每個學生的畢業設計工作量比較符合原專業各自的畢業設計工作量，與未進行聯合畢業設計的原專業其他學生的工作量也吻合。在指導教師的配備上，每個學生均配備各自專業的一名指導教師，兩個上部結構設計的同學可以配備同1名或者不同的指導教師。因為這種模式僅進行了兩次嘗試，覆蓋學生也是部分學生，所以未進行更大的生師比試驗。但是可以預見，這種模式如果推廣下去，生師比可以擴大至2—5名。

其次，確定畢業設計題目，形成畢業設計任務書。畢業設計應以實際工程為依托，明確設計目標和內容，包括實際工程的業主需求、造價概預算等，形成初步的概念設計。為保證最后設計成果的完備性和系統性，同時考慮各專業不同的教學目標和專業特點，分別制定了各專業設計任務書，明確了各專業設計內容及成果要求，對設計內容、BIM 模型、出圖標準、計算說明等做了較為詳細的規定。

另外，搭建協同平臺，包括：設計軟件、標準規范、電腦、師生溝通平臺等。為保障多專業的高效協同和工作有序開展，學校應提供必要的軟硬件設施，實現在溝通平臺上指導學生。

(二)設計(Design)

確定設計任務之后，通過對各個專業的設計任務進行分解，分別制定了設計任務書，明確各專業分工，開始進行專業設計和協同設計。

該階段主要進行工程項目方案設計和施工方案設計，具體包括結構設計、基坑設計、裝飾裝修設計等，形成初步的施工圖。其中，各專業的計算模型能夠在BIM平臺上進行銜接，這要求師生對建模軟件有較高的熟練程度。

另外，在設計過程中，各專業需綜合運用平時所學基礎理論知識，對項目的定位、類型及設計內容進行理性分析，并給出合理的設計方案和設計策略。同時，各專業要保持密切溝通，既要滿足項目的合理需求，又要保證技術的合理性和與專業間的協調性，充分體現理論結合實踐的教學目標設定。

(三)實施(Implement)

對于實際工程，“實施”是指項目的建設和管理過程，包括施工及管理、成本控制等。而在畢業設計階段，需根據工程項目的施工過程模擬，檢查是否存在碰撞、設計不合理等問題，進而進行深化設計，優化設計方案。

(四)運行(Operation)

在實際工程中，“運行”主要是指項目主體結構實施完成后，進行的調試和預運營過程。而在畢業設計過程中，可以對運營場景進行模擬，檢驗設計成果。

(五)反饋(Feedback)

“反饋”包括畢業設計過程中教師對學生畢業設計的指導、監督，學生之間信息的溝通，以及畢業設計成果的檢驗。及時溝通反饋是促進畢業設計有序高效開展的保障。

四、基于CDIOF-BIM的聯合畢業設計教學實踐實例分析

基于CDIOF-BIM理念開展土木工程聯合畢業設計教學實踐，涉及的專業有結構工程、地下工程、巖土工程、工程管理等。

(一)教學實踐實例構思

1.畢設選題

畢業設計課題選擇需適合多專業的聯合設計，且難度宜適中。如選擇“濱州市渤海先進技術研究院設計”實際工程為課題，設計內容包括結構設計、巖土設計、施工設計、項目管理等，要求學生能夠根據給定的資料進行項目全過程設計。

2.成果要求

為使最后成果完備、系統，考慮到各專業不同的教學目標和專業特點，分別制定了各專業設計任務書，明確了各專業設計內容及成果要求，對設計內容、BIM 模型、計算說明等做了規定。譬如，結構專業學生完成2棟辦公樓設計；地下工程專業學生完成辦公樓人防地下室設計；巖土專業學生完成辦公樓基坑支護設計；工程管理專業學生完成辦公樓施工組織設計和BIM技術在土建工程設計中的應用。

3.組織形式

建立結合校內外指導教師專業特點的聯合指導小組。根據畢業設計任務要求和設計專業需求，組建學生聯合設計小組。

(二)設計→實施→運行

在確定了設計任務之后，對各個專業進行分解，分別制定設計任務書，明確各專業分工。

按照教學大綱要求，畢業設計時間為18周。為了確保在規定時間內完成所有任務，考慮到設計過程內容繁多、環節復雜，各專業制定了嚴格的研究計劃。計劃的總體要求為：各專業學生不僅要盡早完成自己專業的任務，同時根據團隊總體部署，與其他專業做好溝通，有序推進，協同完成。如圖2所示，是某工程管理學生制定的研究方案和技術路線。

圖2 研究方案和技術路線

在實施中，根據給定的建筑方案，結構專業學生快速進行上下部結構的方案設計和結構計算；巖土專業學生進行地下設計；工程管理專業學生進行施工設計、項目管理、裝飾裝修等，這些設計實時通過BIM平臺進行交互使各專業之間有序銜接。

另外，在實踐中，通過師生研討，總結出了一套適合于多專業聯合畢業設計的BIM軟件全過程使用技術路線：方案設計(SketchUp)→建筑建模(Revit)→結構分析(PKPM)→可視化展示(Lumion)→計量計價(廣聯達/斯維爾BIM5DforRevit)→施工模擬(Fuzor)→運維管理(ArchiBUS)。各BIM軟件的功能和之間的信息流如圖3所示。

圖3 各BIM 軟件的功能和之間的信息流

畢業設計最終成果呈現主要包括論文和BIM模型。各專業形成的對應論文如下：結構專業：《濱州市渤海先進技術研究室——A2辦公樓結構設計》《濱州市渤海先進技術研究院——采購項目辦公A-4結構設計》；地下工程專業：《濱海市渤海先進技術研究院——辦公樓人防地下室結構設計》；巖土專業：《濱州市渤海先進技術研究院——A區辦公樓項目基坑支護設計》；工程管理專業：《濱州市渤海先進技術研究院——辦公樓施工組織設計》《基于BIM技術的土建工程多學科一體化畢業設計》。形成的部分BIM模型如圖4所示。

圖4 部分BIM模型效果圖

五、基于CDIOF-BIM的聯合畢業設計教學效果與思考

(一)教學效果

1.基于問卷調查的教學效果評價

筆者對參與聯合畢業設計的學生開展了“聯合畢業設計”調查，內容包括“聯合畢業設計結果的滿意程度”“聯合畢業設計能力鍛煉”等。

調查結果顯示，在“聯合畢業設計結果的滿意程度”調查中，調查結果為“滿意，基本符合作品水平”的比例為100%，充分反映了聯合畢業設計效果較好，得到了學生的認可。

另外，對“聯合畢業設計能力鍛煉”的調查結果如圖6所示。可以看出，所有學生的團隊協作能力得到鍛煉(占比為100%)；大多數學生的知識信息獲取能力(占比為83%)、實踐及動手能力(占比為67%)得到了鍛煉；還有50%的學生認為創新能力得到了鍛煉。這說明通過聯合畢業設計的教學過程，使學生各方面的能力得到全面提升。

圖5 “聯合畢業設計能力鍛煉”的調查結果

2.CDIOF-BIM畢業設計培養模式實用性強、適應性好

根據畢業設計目的，多專業聯合畢業設計，既可以是全專業的，也可以是部分專業的聯合教學。

多專業聯合教學，可以借助于視頻會議、微信、BIM 工作集等技術實現跨地域、跨時空的溝通與交流及聯合畢業答辯與指導。特別是2020年以來新冠疫情暴發期間，師生可以線上實時溝通交流。

3.BIM模型管理便于聯合畢業設計教學效果反饋

三維化、BIM信息化的特性讓聯合畢業設計更加直觀、清晰，有利于信息傳遞和反饋。各專業之間的溝通和資料共享更加便捷、高效和精準。教師指導和學生理解也更加明晰和具體，達到事半功倍的教學效果。

(二)思考與展望

結合多專業聯合畢業設計實踐探索，提出幾點思考。

1.多專業聯合畢業設計的選題宜多方考慮

畢業設計課題的選定不應只考慮本專業的要求，而應考慮設計過程中易于多專業的溝通協調的課題內容。同時，畢業設計課題的內容應根據師生團隊的專業特點進行選定。

2.科學的團隊組建，高效的團隊管理

受畢業設計時間限制，多專業之間的時間銜接是實施過程中面對的最大難題。因此，團隊組建、溝通、管理尤為重要。團隊組建過程中，專業數量不宜過多，如本文案例中，專業選擇有結構工程、地下工程、巖土工程、工程管理等，并沒有將電氣、暖通、給排水、園林等專業全部納入。另外，設計過程中，教師應加強引導監督，學生需加強自我學習管理和各專業之間的有效溝通和協作。

3.有效的協同平臺保證

該教學模式需要占用較多的教學資源，涉及大量的設計軟件、人員和硬件設施，尤其是BIM軟件等，對學校的軟硬件設施提出了更高要求。

4.對輔導教師工程實踐能力提出了新要求

傳統重理論、輕實踐的教學模式使得教師更關注于課堂教學，而開展基于實際項目的跨專業聯合畢業設計，要求教師擁有豐富的工程實踐經驗，了解一般土木工程項目的設計過程，并對不同復雜程度項目中的技術選用有著較強的把握能力。這就要求高校轉變教學培養觀念，提高教師工程實踐能力。

六、結語

基于CDIOF-BIM的土木工程聯合畢業設計教學實踐表明：

(1)建立以CDIOF為指導思想、以實際工程為依托、以BIM技術為紐帶的教學模式，通過各專業的緊密協作，畢業設計成果豐碩，學生滿意度接近100%；

(2)總結出適合于多專業聯合畢業設計的BIM軟件全過程使用技術路線：方案設計(SketchUp)→建筑建模(Revit)→結構分析(PKPM)→可視化展示(Lumion)→計量計價(廣聯達斯維爾BIM5DforRevit)→施工模擬(Fuzor)→運維管理(ArchiBUS)；

(3)該模式有效鍛煉了學生的團隊協作能力、知識信息獲取能力、實踐及動手能力和創新能力，拓寬了指導教師的知識面，增強了指導教師工程實戰經驗；

(4)該模式對畢業設計也提出了新要求：合理的師生團隊組合、多專業的合作協同、高效的組織管理、有效的協同平臺等。