BIM在高職“建筑設備及識圖”教學中的雙向應用研究

王鵬 任潔 李松良

“建筑設備及識圖”課程作為高職土建類專業的一門專業選修課，涉及水電暖多個專業，知識點多而廣，學生在短時間內完成課程的學習具有一定難度。此外，本課程屬于一門應用型較強的課程，傳統教學方式與手段難以滿足授課需要。BIM技術作為近年來建筑行業廣泛應用與推廣的一門信息化技術，除了在工程中應用之外，在教學中也具有非常出色的交互性能。本文通過BIM技術在教學中的正向與逆向應用，大幅提升了課程的教學效果與質量。

1 概述

建筑信息模型（BIM）：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。

2018全國兩會上海建工集團股份有限公司副總工程師王美華提出：BIM技術在建筑業需求很大，然而高校在培養這方面人才時卻存在“缺位”。要促進BIM教學，不一定要在高校里單設專業，但不同年級學習側重點不同，要形成進階的課程體系。提案中建議可以校企合作，加強高校土木類專業推廣BIM教學力度，增加系統課程，培養技術運用和軟件開發“二元型”人才。

中國建筑業BIM應用分析報告（2020）指出院校要加強高校建筑工程類相關專業BIM教學力度，重視專業與BIM技術的交叉，增加系統課程，理論與技術實操兼顧，培養BIM技術應用初級人才。培養過程中與企業實際工程業務相結合，使得高校畢業生在進入企業時能快速適應。

黨的二十大報告中對加快建設教育強國做出一系列重要部署，強調“推進教育數字化，建設全民終身學習的學習型社會、學習型大國”。教育數字化是教育教學活動與數字技術融合發展的產物，也是進一步推動教育改革發展的重要動力。

2 BIM在教學中應用的價值

在信息化技術發展的背景下，BIM技術正在成為推動建筑業發展的核心技術之一。作為信息化教學手段，BIM在教學中的應用也越來越廣泛，其價值主要體現在三個方面：可視化、協調性、模擬性。

（1）“可視化”。通過模型可以對工程實體外部特征與內部結構進行可視化展示，利用三維形式實現對知識的感性輸入，實現“所見即所得”。這一過程符合人的認識發展規律，提升了教學效率，縮短認知的時間。

（2）“協調性”。通過整合建筑、結構、機電等多專業BIM模型，利用碰撞檢查、凈高分析等手段提前發現問題。參與方可以在同一BIM平臺，直觀地進行溝通與交流，共同探討模型中問題，提出解決思路，確定模型的優化方案，提升問題的分析與綜合應用能力。

（3）“模擬性”。一是利用數據與模型的動態交互展現模擬過程，以虛擬建造方式展示工程項目的實施全過程，培養動態思維和整體思維。二是基于模型利用可視化模擬分析軟件進行系列的模擬分析。如建筑環境與性能模擬中的日照分析、通風分析、熱工分析、能耗分析等。使學生用更直觀的方式掌握抽象化的知識。

3 課程教學中目前面臨的問題

3.1 課程學時偏少，教學內容信息量大

“建筑設備及識圖”作為專業選修課，一般分配的課時為48課時左右。加之課程屬于多專業組合，包含建筑給排水、暖通空調、建筑電氣等多專業，具有知識點多、覆蓋面廣、系統性強、實踐性強的特點。因此，在短短的幾十課時里很難將所有專業的知識點講清講透。課時偏少與教學內容多是目前課程存在的一對重要矛盾。

3.2 課程理論性偏多，實踐環節效果欠缺

高職“建筑設備與識圖”課程受到實訓條件的限制，課程多以系統分類、組成、運行原理等理論介紹為主，在實際授課過程中與工程結合不夠緊密。課程實踐環節以施工圖識讀與現場參觀為主，由于課程周期短，學生學習難以深入，再加上參觀的機電系統大多都是局部系統或者隱蔽工程，無法形成系統化的知識結構體系。另外，實訓條件很難具備多樣化的機電系統實物模型，新設備、新材料、新技術的應用也相對滯后。

3.3 教學方式缺乏創新，呈現方式相對單一

現階段教學以板媒結合為主，輔以圖片、動畫及視頻進行教學。由于課程包含的專業多，涉及的機電系統復雜、運行原理難，尤其是消防系統的組成及工作原理。教材中的機電系統多以簡化圖例表達，學生很難做到圖例與實物一一對應，單純依靠常規的教學手段很難滿足教學要求。受場地的限制，學生想通過真實施工環境學習專業知識幾乎不可能。限于經費問題，BIM、VR、AR等信息化技術手段并沒有被廣泛應用。

3.4 課程內容工程應用不足，隱形知識難以傳授

受課時、教材、案例資源等多方面影響，課程關于工程應用的內容在實際教學中相對偏少。一是由于課時偏少，加之采用傳統教學手段，信息量的展示已達到瓶頸，所以很難再進行工程應用的拓展。二是教材原因，課程涉及水暖電多個專業，加之教材篇幅有限，應用性的隱性知識很難通過教材呈現，一般需要通過工程應用才能理解。三是配套案例資源不夠充實。一般案例多以施工圖形式來呈現，然而用平面化的施工圖去表達重難點部位三維關系有其局限性，對于沒有工程經驗的學生來說這一過程門檻較高，隱形知識傳授難度較大。

4 BIM在教學中雙向綜合應用

“建筑設備及識圖”作為土建類專業選修課，不同專業在課程核心能力的要求上各有側重，如建筑工程技術專業主要強調學生對安裝工程與土建工程施工過程之間的配合與協調，工程造價專業側重于算量，則更強調圖紙的分析與識讀。但是對于課程基礎知識的要求基本一致，都需要掌握各系統的組成、分類及原理，然后才能結合項目開展綜合應用。

鑒于課程課時偏少，知識點多且系統性強的特點，需要通過快速高效的教學方式來化解現有的矛盾。BIM技術作為一種高效信息化教學手段，可在單位時間內提升授課的感知度，大幅提升授課的信息量。因此可在相同的時間內傳遞更多的專業知識。學生學習的效率更高，學習效果會更加的明顯。經過調研，98.8%的學生認為通過BIM的融入對課程學習有較大的幫助。此外，95.6%的學生認為需要進一步在課內實踐環節融入BIM相關的實操內容，主要包括碰撞檢查、管綜優化、凈高分析、預留孔洞、支吊架驗算、裝配式機房等幾部分，具體占比見圖1。

4.1 BIM在教學中的正向應用

（1）利用BIM機電綜合模型化解二維識圖瓶頸

經過深化的BIM機電綜合模型包含了給排水系統、消防系統、空調風系統、空調水系統、防排煙系統、強電系統、弱電系統等多個系統。首先基于綜合機電模型分離出單專業三維模型，利用三維模型的可視化的特點，實現學生對各專業系統的整體認知。三維模型可以直觀反映出各部分的相互關系與聯系。通過BIM的正向介入，利用BIM模型靜態展示之外，還可以通過Fuzor、Enscape等軟件配合VR設備完成模型的動態漫游，學生的體驗感也會大大增加，學生可順利地完成從整體到局部，從具體到抽象的認知過程。這一過程也恰恰符合人的認知習慣，讓學習過程變得更輕松，知識也更易被消化與吸收，實現三維到二維的降維學習過程，學習的效率會更高，針對性也更強，見圖2。

（2）利用BIM管綜模型突破專業的綜合應用能力

①基于BIM模型快速掌握管線綜合的基本原則與方法

由于教材的局限性，無法直觀展示多專業綜合的情況，即便現場參觀也只能看到局部做法無法了解整個系統。通過BIM管綜模型優化前后對比，讓學生更直觀地了解多專業管綜優化的基本原則，首選通過多專業碰撞檢查，直觀解決空間關系沖突，并根據沖突進行分類梳理，解決機電與土建、機電與機電專業之間的問題，對不同的碰撞與沖突給出對應的解決方案。學生通過BIM模型直觀感受解決的思路與效果，可以快速提升學習的效果。另外，利用凈高分析鎖定凈高不足的區域，通過BIM模型定位到具體位置，讓學生參與凈空優化的討論，教師引導，學生參與，最終確定管線優化排布方案，參與過程也讓學生理解與體會更加深刻。很大程度上化解課時少與教學內容多之間的矛盾。最終利用碰撞優化后的模型，在教師指導下完成施工模擬的演示，學生通過匯報的方式再一次呈現解決方案的整理思路，實現對專業知識進一步的理解、總結與提升。

②基于施工進度模擬掌握施工工序與方法

課程教材中施工工藝與施工方法一般以文字或流程圖形式呈現，缺乏動態展示過程，學習過程相對單一，理解與記憶上也有一定的難度。專業知識來源于實際工程最終還要應用于實際工程。利用BIM模型進行施工進度模擬，將BIM模型與施工進度計劃相關聯，把三維空間信息與時間信息整合在一個可視的4D模型中，直觀、精確地反映各個機電系統的施工過程。學生根據施工進度計劃的編排順序及施工進度模擬過程，可以清楚地理解施工工序、具體的施工方法，可直觀發現整個施工安裝環節的時間節點、安裝工序及疑難點，就猶如跟進具體的施工項目一樣。同時再結合現場的實地參觀，將BIM虛擬施工與現場實際施工相結合，實現知識點的雙重強化，全面掌握機電各系統的施工工序與施工方法。

③利用BIM支吊架拓展功能實現專業知識的深化

支吊架不僅對學生甚至對一線施工人員也是難點，因為綜合支吊架的類型都要根據現場的實際管線排布情況才能最終確定，而設計圖紙中只有一些指導性意見，通常現場施工人員都是憑借經驗完成支吊架的選擇與布置的。針對這樣的現狀，可以選擇一段典型的多專業管綜模型，利用BIM支吊架功能完成綜合支吊架選型、材料統計、安全校核等環節，定量化的方式完成綜合支吊架的受力驗算過程。根據可視化驗算結果完成綜合支吊架的布置，形成對管線綜合的進一步深化，精確展示施工場景，可避免機電安裝施工中的經驗主義的弊端。用圖形與數據解決了原本專業的隱性知識。對于原本需要經驗完成的工作，通過定量化的方式明確實施方案，將抽象的知識通過形象化的方式進行表達，這樣學生對于支吊架的應用理解會更加透徹。

④通過裝配式機房的BIM應用，具備初步機房預制與加工能力

裝配式機房的施工是將一種利用BIM與裝配式施工結合的方法。對于裝配式機房來說，BIM可解決很多傳統機房施工中的問題，而采用BIM裝配式技術，則可以實現對機房現場管線的可視化。學生通過教師的引導，在保證滿足施工規范的條件下，考慮施工空間的要求，設備及附件檢修條件的要求、機房內標高要求、整體美觀等要求，完成機房管線的綜合排布?；贐IM的裝配式技術可以實現預制構件設計標準化、生產工廠化、運輸物流化及安裝專業化，提高施工生產效率。學生利用優化的BIM機房模型完成管道的拆分、管道的編號、支吊架布置、支吊架受力分析與驗算，管道預制加工圖的出圖，預制管道明細表的匯總，學生在實操的過程中可初步掌握機房預制與加工能力。

4.2 BIM在教學的逆向應用

如上文所述，利用已有的BIM模型及其綜合應用完成相關知識的學習，是一種正向的、符合認知規律的過程，這個階段主要完成專業知識的學習、吸收與掌握。而利用已掌握的知識，依據二維圖紙創建三維模型，并依據相關規范對模型實施一系列的綜合應用，這個過程就是一個逆向過程，這個階段主要完成知識的內化與提升，見圖3。

（1）通過BIM逆向建模深化二維圖紙識讀能力

逆向建模的過程是一個對圖紙深化的過程，也是對圖紙的逐步理解的過程。利用BIM插件可快速完成模型創建，提高翻模效率，在有限的時間內完成預想的效果，可快速發現圖紙中的問題，深化對二維圖紙的理解與領悟。經調研，90.1%的同學更愿意選擇中小型項目作為案例（其中中型項目占50.6%，小型項目占39.5%）。因此，需要根據學生的接受度，優先選擇中小型項目作為研究。首先，熟悉機電各專業圖紙。主要包括各專業設計施工說明，各專業機房位置，水暖電管線的路由走向，尤其是機房及走廊等管線集中的部位。另外對于結構變化的部位，比如結構降板區域、大截面的梁所在的位置都要重點關注，做到圖紙了然于心。其次，根據水電暖各專業圖紙，創建BIM機電模型。依據各專業設計施工說明、規范圖集，結合施工圖分專業創建BIM模型，創建過程中進一步校核圖紙是否準確無誤，通過建?？梢詮秃耸┕D的設計錯誤和不足。最后，BIM逆向建模鍛煉了學生的識圖能力，同時也提升了學生的對圖紙的糾錯能力，真正對學生的識圖能力起到了強化作用。

（2）通過BIM逆向建?？梢詫崿F專業知識的鞏固與強化

BIM逆向翻模不僅僅需要掌握軟件的操作技能，更重要的是具備扎實的建筑設備專業知識，比如建筑設備各系統的組成與工作原理，各類管線的連接形式與布置原則，消防設施的安裝位置與高度等等。二維圖紙所能呈現的僅僅是單一專業的平面關系，基本不涉及機電專業之間、機電與土建專業之間的空間關系。但是翻模過程中則需要將所有關系定量化，這就要求對課程中各系統的基本知識熟練掌握，并需要清楚規范的相應條款。如建筑設備施工圖中的系統圖常常以原理圖的形式表達，這就需要識圖人有較強的專業知識儲備，這樣才能將抽象化的原理圖轉化為直觀的三維BIM模型。如果翻模過程中發現知識短板，這時就可以針對短板進行系統的復習與強化，從而進一步完善了知識結構。所以通過BIM逆向建?？梢允崂碚n程學習過程中的知識點與知識構架，是一種直接有效的學習方式。

（3）利用翻模成果進行BIM綜合應用實現知識遷移與升華

利用BIM翻模的機電模型進行管線綜合、凈高分析、預留孔洞、支吊架選擇與驗算、管線與泵房預制等綜合應用，這一過程是對學生綜合能力的極大考驗與挑戰。在應用過程中發現知識框架的缺失與短板，通過知識點補強，依靠BIM的綜合應用實現知識系統化、結構化和靈活化。這一過程可以通過PDCA循環法開展BIM逆向建模與綜合應用。第一步根據設計圖紙制訂目標，確定需完成的模型內容；第二步按照目標進行模型創建；第三步通過對模型的綜合應用檢查模型存在的問題；第四步針對問題進一步優化模型，復核施工圖的設計錯誤和不足，從而提高圖紙的準確率。如此循環往復直到模型完全滿足綜合應用的各項指標要求。這一過程實現了多專業知識梳理與學生邏輯思維的培養。對于BIM模型中的各種問題的分析，開展邏輯性與系統性的思考，在每一輪循環中螺旋式上升，從全局和整體出發，提升知識之間的關聯性與協同性，將原本的死知識變為活知識，實現知識的遷移與升華。

5 總結與展望

傳統的教學模式以平面化展示為主，受教學手段的限制，在有限的時間內學生的參與度不夠充分，因此對于專業知識的應用也不多深入，故而學習的效果與知識的掌握程度往往達不到預期。BIM技術作為工程化應用的手段，將其融入到“建筑設備及識圖”課程教學之中，將其可視化、模擬性與協調性充分體現，能系統化解決課程學習中的難點問題，用直觀的手段解決抽象的問題，可有效縮短學習過程、提升學習效率。通過PDCA循環法實現基于BIM模型的綜合應用，既鍛煉了學生的思維力，又提升了知識的轉化能力，達到逐步提升的目標。

本文系江蘇省現代教育技術研究2021年度課題《BIM技術在教學中的應用研究——以高職土建類專業為例》，課題編號：2021-R-90815。

（作者單位：揚州市職業大學）