基于BIM的工程管理仿真實驗教學平臺建設的研究*

吳京戎 蔣 翔 吳京戎

（1.湖北工業大學工程技術學院，湖北 武漢 430068；2.湖北工業大學 土木建筑與環境學院，湖北 武漢 430068）

在工程管理人才培養中，實驗教學對學生的實踐能力、工程素質和創新能力培養具有非常重要的作用。而工程管理、土木工程專業學生在開展實習實訓過程中，由于建設企業的安全規定，對學生直接參與現場操作較為謹慎，學生很難參與企業的直接生產過程。為了解決這一問題，就必須加強信息技術相關能力的培養[1]，這就需要高校加大精力投入高度仿真的平臺建設。早在20世紀70年代，Chuck Eastman博士就提出了建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)[2,3]。如今，各大高校已經將BIM教學引入課程，本項目將工程管理BIM實驗教學平臺整合、建設，逐步實現了工程管理與其他學科、其他專業的交叉融合與實踐，緊密地聯系到教學實踐和教育科研的工作中，把先進科學理念、研究成果體系和研究方法有機融入三維實驗課程教學，為促進學生的主動探究學習、獨立動手實踐學習和自主創新學習實踐活動創造了條件，促使BIM 三維實驗課程教學實踐作為學生自主探究解決學科基礎理論問題研究的最主要手段，構建理論課堂互動和教學實踐研究基地有機互動結合的科學橋梁，進而為實現教育、研究理論與教學實踐活動的科學有機互動融合而打造平臺。

1 研究的作用及意義

建設BIM 實驗室平臺，能夠解決BIM 實驗教學與專業課程教學之間相融合的問題，更好地構建教學體系和建設教學團隊；同時，BIM 實驗教學平臺資源的開發和建設，能夠大大提高學生的創新意識。

(1)結合現有CAD、BIM實驗室，充分整合各類實驗教學資源；構建以能力培養為主線，多平臺、多層次、多模塊的，與課程體系相對應的工程管理BIM 實驗教學平臺教學體系。

(2)通過建設BIM 實驗教學平臺，不斷優化師資隊伍和管理水平，建設一支“雙師雙能型”BIM實驗教學管理與教學團隊；利用學院實驗室參與企業橫向課題研究。

(3)提出一套BIM實驗教學平臺與實體實驗的結合機制，發展基于專業仿真軟件和多媒體技術的虛擬仿真實驗教學手段，構建BIM 建筑模型實驗環境和實驗對象，使學生能夠了解在建筑施工中，任何一個環節中的信息都對整個工程產生著舉足輕重的影響，可以加深學生對工程管理在整個建筑生命周期作用的理解。

2 研究背景

(1)基于學校長期圍繞建設特色鮮明的高水平應用型大學為目標，堅持深入推進產教融合，與實驗室相關的特色建設、雙師隊伍建設、創新創業教育都取得了豐碩成果，在實驗室設備資產、師資隊伍、管理模式等研究條件上夯實基礎。

(2)利用學校現有教育部產教融合協同育人平臺、省級虛擬仿真實驗室平臺、湖北省荊楚卓越工程師建設平臺以及與湖北省住建廳的科研課題、與企業正在進行的橫向課題。校企合作深入，師資力量雄厚、科研層次豐富。

(3)此項目所在學校近三年年均實驗建設經費逾千萬元，建立有BIM實驗室、CAD機房、土木實訓車間，還有BIM協會、建筑設計協會、工程成圖協會等數量眾多的特色實驗室和學生興趣協會，還與湖北省地質工程院、海波重工、中誠信達咨詢公司、北京柏慕進業等建立有產教融合基地。

(4)學校老師指導學生連續在眾多國家級競賽中取得佳績。近三年，在全國大學生結構競賽、全國大學生成圖競賽、天正杯BIM 競賽、湖北省工程訓練競賽、挑戰杯大賽、斯維爾BIM全國賽上均取得了好成績，體現了教師團隊和學生的綜合能力。

(5)項目團隊教師重視實驗實踐教學改革，學校設立有寒暑假教師下企業鍛煉制度，目前雙師型比例超過50%；團隊教師積極開展教學研討活動，互相交流教學過程中遇到的問題以及改進措施，多次選派教師外出培訓學習、到兄弟院校進行調研交流，為教學水平的提高、學科建設和實驗室建設奠定了很好的基礎。

3 研究內容

(1)BIM系統主要包括建模軟件(建筑、結構、設備)、綠色建筑分析軟件、工程造價計算分析軟件和施工組織設計軟件。整合網上及學院教學資源，完成工程管理BIM實驗教學體系和資源的框架建設。

(2)基于廣聯達、BIM 5D、REVIT、PKPM的建筑設計及施工、算量軟件，使學生掌握應用軟件進行建筑設計與建模，所建模型可以供下游綠色建筑分析軟件、造價計算與分析軟件直接使用，后者無須重復建模。并進一步推廣到實際工程應用中，提高學生的專業技能，為之后的畢業設計和工作奠定基礎。

(3)實現一鍵將一個已開發完成項目中的二維的BIM設計量模型自動轉化成三維的設計算量模型、安裝的設計算量模型等的模塊，涵蓋了3D Max、Navisworks、Revit、建筑設計、MEP、綠化和環保工程模型以及多個專有的應用軟件所支持到的數據格式。

(4)主要對建筑結構進行計算與分析，可以進行上部結構計算、基礎計算、砌體計算及結構施工圖設計。支持多種軟件兼容或提供接口，如Revit、PKPM、Midas、Etabs、探索者等。將建筑模型導入后，可以直接進行綠色建筑設計，利用綠色設計實現可持續性發展目標，包括自然采光、自然通風、建筑節地設計、節水設計和室內外通風等。

(5)當導入建筑模型數據并在軟件系統內自動進行三維建模計算后，即可自動完成對工期進度的精確測算控制和綜合分析，利用施工進度管理的系統功能，對施工過程實現了4D、5D 的實時施工和進度跟蹤管控，把模型數據導入安裝計算量軟件模塊中，即可自動完成全面和專業級別的施工碰撞和檢測，完成地下管線綜合設計、工程設計流程優化設計和優化施工管理方案設計等。

(6)導入建筑模型后完成項目施工及現場環境的初步設計規劃和現場布置，制定施工項目進度計劃，供建筑模型完成4D、5D 建筑的現場模擬，提供項目招標文件范本，對接招標計價軟件系統，導入項目工程量清單編制和投標報價，制定投標文件并開展項目招投標[4]。

4 研究方法

(1)文獻收集與調查法。查閱收集與本項目相關的國內外文獻及案例，對比仿真實驗教學與傳統實驗教學模式的共同點和不同點。有目的、有計劃收集實驗資料，并對這些資料進行分析、比較和歸納，揭示BIM實驗平臺建設總體框架和運行的最優設計。

(2)實驗法。根據研究需要，通過小型項目試運行，借助一些方法和技術消除一些可能影響最終結果的因素，從而重新認識研究對象；通過上述方法確定研究對象之間的因果關系。

(3)實際案例法。將BIM 平臺與實際實驗相結合，根據BIM 類項目橫向課題，選定一個特定對象進行調查和分析，并與實體實驗結果進行對比分析，弄清楚其特點和主要的形成過程，通過實際項目的推行完善平臺建設，并引導學生參與實際項目，建立創新性人才培養機制。

(4)模擬實訓和交流學習法。模擬實際實驗項目，開展BIM 仿真實驗實訓，著重培養學生理論結合實踐的能力和創新能力，組織相關教師到國內外相關院校觀摩學習，組織參加高校BIM 實驗教學中心建設與發展研討會，組織學生參加全國性的BIM類競賽，增進與其他院校的交流與聯系。

5 仿真實例

5.1 BIM建筑建模實訓

學生將通過使用Revit、Navisworks、BIM 5D、Lumion、3D Max、AutoCAD 等專業軟件，實現三維全流程專業的BIM 施工模式系統的快速構建設計和集成運用，借助專業軟件的碰撞點檢測等檢測功能，快速檢測導出碰撞點模型的設計優化，反復多次測試和調整優化后最終獲得施工模型。整個BIM建筑技術系統的使用操作流程圖如圖1所示。

圖1 BIM技術應用流程圖

5.2 碰撞檢測

對管線進行優化設計，使用BIM可進行管線碰撞檢測，降低管線返工風險。運用Navisworks對系統進行碰撞檢測，按照吊頂高度、安裝與操作、運行與功能、養護與檢測設備等技術條件，全面地做出相應的技術調整，達到國家相關標準的規定[5]。碰撞點示例如圖2所示。

圖2 碰撞點示例

5.3 優化管線綜合排布

在三維環境下，可以查看模型中任意角度，特別對于管線布置縱橫交錯、設備復雜位置的項目來說，通過Revit Mep深化后出施工圖紙，能提高施工效率。

在盡量確保管線符合地下建筑設計要求與地下利用空間功能要求的前提下，管道、管線應盡量暗埋在地下管井、電井筒和吊頂內，運用BIM技術才能最好地實現優化設計。

利用Lumion軟件制作三維動畫，機械停車庫、車道視頻漫游等全面展示設備、管線、建筑結構的位置、軸線標高關系，有助于項目管理人員掌握整個工程的空間關系，如圖3所示。

圖3 虛擬動畫漫游圖

最后進行成果圖輸出，包括三維圖、局部大樣圖和剖面圖、支吊架、安裝順序和工程量清單等，如圖4所示。

圖4 施工成果圖

5.4 全過程一體化管理

運用現代BIM建筑技術，通過對地下管線進行綜合分析的信息系統整合，導出地下管道構件的分項工程量清單統計，見表1。并可同招標投資和監理部門統計出的分項工程量清單數據進行橫向比較和修正，為編制招標投資預算文件提供數據基礎。對管道結構工程實施精細化管理與流程規范化管理，在結合了RFID技術應用與GPS定位技術應用銜接點后實施的安全生產與施工管理階段，進行了全生命周期過程的統一管控。

表1 管道明細表

5.5 實訓小結

通過BIM 技術的滲透學習，從建模到最后的BIM 5D綜合應用管理，引導學生參與分析、討論、表達等，使學生在具體的問題情境中積極思考、主動探索，以培養學生綜合能力，使學生快速參與項目實施全過程，掌握BIM虛擬仿真應用技能。

6 研究重點、特色及創新

6.1 研究重點

通過建立虛實結合的工程管理BIM 實驗教學平臺，形成與專業課程相對應的仿真實驗項目，完善仿真實驗項目教學大綱，拓展實驗及實踐教學的深度和廣度，使學生能通過虛擬仿真BIM實驗融合，學習實驗步驟，驗證實驗原理，掌握專業技能，鞏固理論知識，全面提升學生的專業素養和創新能力。

6.2 研究特色

(1)建立虛實結合、虛實互補的實驗教學新模式，結合構建BIM模型虛擬仿真技術與真實實驗環境和實驗操作相互補充，激發學生的學習興趣，充分啟發學生的創造性思維，大大緩解實驗教學和實驗資源有限的矛盾，利用可視化的動態仿真實驗使學生直觀地認識實驗結果，使學生更為系統地掌握專業理論知識，提高人才培養質量。

(2)運用多種信息化手段，實現從傳統的實驗室人工運行模式到基于網絡通信和數據庫等技術的實驗室智能運行新模式轉變，整合優質實驗教學資源，降低實驗室維護及耗材成本，實現信息技術與實驗教學體系的有機結合，使得實驗室管理、教學、科研與信息化技術攜手并進。

(3)以培養學生創新意識和創新能力為宗旨，利用互聯網技術與信息技術，構建具有貼近工程、高度仿真、開放共享的工程管理BIM實驗教學資源。

6.3 研究創新

(1)工程管理專業BIM綜合實驗與教學實踐平臺系統的建立，一方面能夠真正使學生系統地接受涉及從建筑設計、施工、算量、管理流程等的全知過程、全方位知識的專業綜合實踐理論知識，另一方面訓練學生培養由專業理論應用到工程實際、理論應用與工程實際的交叉融合應用的專業綜合實踐能力，達到專業知識、能力、素養三者協調發展的專業培養目標。

(2)該平臺開設的試驗教學項目與科研相結合，堅持以最前沿的科研成果和虛擬仿真技術為先導，保證工程管理BIM平臺的先進性，保證人才培養的質量。

(3)平臺不僅是在校生實訓的場所，同時可作為社會人員繼續學習、培訓、提升的基地，創新土木工程實驗教學與人才培養模式。

7 結語

(1)工程管理BIM 仿真實驗教學平臺的建設，可為建筑設計、土木工程施工、工程造價管理、工程項目管理、橋梁結構、BIM 技術推廣應用等其他模塊虛擬仿真教學平臺的建設提供參考和解決方案，進一步為土木工程、道路橋梁專業等綜合虛擬仿真實驗中心的建設打下基礎。

(2)工程管理BIM實驗教學平臺項目成果具有可操作性、可復制性，可在各高校及職校嫁接使用。通過實例演練，學生利用BIM技術的能力得到了很好的提高，還可以參與各類課題與真實項目。

(3)工程管理BIM 實驗教學平臺的運行，給學生提供從工程認知學習到專業實踐、綜合應用訓練多層次能力提升路徑，可有效提升學生的工程實踐能力、專業建設和社會服務能力，促使學生更好的就業，產生良好的經濟與社會效益。