新工科背景下智能建造人才培養模式研究

趙全勝 梁小勇 趙媛媛 梁日

［摘 要］ 在新時代背景下，人類步入第四次工業革命，建筑行業的產業升級勢在必行，而智能建造的提出恰為此指明了方向，各大高校也響應國家政策相繼增加了智能建造專業。首先在介紹智能建造的背景及意義的基礎上對高校培養方案的制訂進行了闡述，然后從建設項目的設計、施工、運維管理角度對智能建造中的BIM技術、3D打印、智能機械、人工智能等主要內容進行了介紹，并由此展開了對智能建造專業人才培養的探討，為智能建造專業人才培養提供參考。

［關鍵詞］ 新工科；智能建造；人工智能；教學模式；人才培養

［基金項目］2021年度河北省科技廳引進智力項目“新工科智能建造關鍵技術”（2021012）；2020年度國家教育部國家第二批新工科項目“面向區域經濟發展的地方高校傳統工科專業改造升級探索與實踐”（E-ZYJG20200211）；2021—2022年度河北省教育廳高等教育教學改革研究與實踐項目“新工科背景下土木類人才信息與智能素養路徑的探索與實踐”（2021GJJG188）

［作者簡介］ 趙全勝（1968—），男，河北石家莊人，碩士，河北科技大學建筑工程學院教授，主要從事土木工程研究；梁 日（1998—），男，河北石家莊人，河北科技大學建筑工程學院2021級土木工程專業碩士研究生（通信作者），研究方向為新型材料。

［中圖分類號］ G642.0［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）20-0082-04［收稿日期］ 2022-05-10

引言

隨著我國經濟的快速發展，建筑行業也有了十足的進展，眾多世界級工程完工并投入使用。我國經濟發展進入新常態，產業升級逐漸成為我國經濟發展中的重要抓手。近年來，隨著計算機信息技術的飛速發展，國家提出了新工科的概念，融合了傳統土木工程的人工智能便是其中的重要組成部分。而且隨著我國進入經濟高質量發展新階段，智能建造已經成為建筑業發展的必然趨勢和產業轉型升級的重要內容［1］。

智能建造是結合了BIM技術、計算機大數據、人工智能等先進技術的新型交叉學科，在新一輪的建筑業革命中起著引領作用［2］。世界各國均立足國情制定并逐步建立了以智能建造為核心的產業戰略及人才培養體系。世界主要發達國家在項目建設過程中均要求工程項目必須應用BIM技術，并在3D打印、人工智能等方面也建立起了相應的技術標準，投入了大量資金支持［3］。2017年同濟大學成功申報智能建造專業，隨即北方建筑大學、北方工業大學等6所院校成功獲批，截至目前已有64所院校開設相關專業。然而作為新建專業，每所院校都有自己的特色，但是其課程體系（培養方案）如何能夠緊密地與第四次工業革命結合、適應社會的發展，這將是新開設智能建造的院校一大難題。

一、智能建造培養方案制訂

培養方案是培養人才的頂層設計，是實現人才培養目標的書面保證，更是教師開展教學活動的依據和建立專業標準的載體。智能建造是傳統土木工程專業的升級，制訂培養方案時除了應滿足國家工程教育認證的要求外，還應打破學科的壁壘，建立以土木工程核心課程為主線，深度融合物聯網、大數據、BIM等先進的信息技術及一般機械和控制工程原理、工程管理相關知識的教學方案，完成建設工程的設計、生產、施工和全過程運行維護管理。

（一）打破學科壁壘

目前我國分為14個學科門類，下設113個一級學科。2020年新增了第14類“交叉學科”，這也給其他學科指引了方向。從目前而言，學科交叉是必然趨勢，傳統的土木工程已不適應現在社會的發展，必須打破傳統的土木工程學科界限，重構核心課程。智能建造專業在保證土木工程專業知識傳授的同時，注重建造信息化、智能化新技術、新思維的引導，培養學生的學習熱情，樹立堅定的信念，建立“五位一體”的培養模式（見圖1），將計算機科學與技術、機械工程、電氣工程、管理科學與工程、土木工程學科進行深度融合，并且結合各自院校的特點形成特色方向。

（二）培養學生創新思維

高校是教書育人的圣地，最基本的職責是傳授學生專業知識，使學生適應社會的發展，更重要的是培養具有一定的創新意識的人才。新一輪的科技革命和產業變革背景下，綜合國力的競爭本質上是創新能力的競爭。新工科背景下要求高校在制訂新的培養方案時必須革新傳統的教學理念，重視學生創新能力的培養。智能建造專業的學生只有具備較高的創新意識和創新能力才能在畢業之后促使建筑業的變革，促進產業發展［4］。然而，在智能建造專業的培養方案中如何融入創新能力的培養才能充分提升學生創新能力？一是可以通過增設創新類的實踐課程，如在培養方案中增設“創新創業和個性教育”課程，學生可以通過參與“全國結構設計競賽”“全國高校BIM畢業設計大賽”“全國大學生交通科技大賽”等賽事獲取學分，不僅培養了學生的創新意識，而且還提高了創新能力；二是可以設置一些課程實驗，如“混凝土3D打印技術試驗”“裝配式技術實驗”等，不僅能夠提高學生動手能力，而且也潛移默化地使學生形成一定的創新意識。

二、智能建造專業培養方向

在高校教學中，智能建造專業要在傳統土木教學中加入融合了新技術的施工案例，增加機械工程智能機器人、人工智能算法的學習。因為大量新課程的加入容易讓學生摸不到重點，學得太泛而不夠精，故在具體實踐中，高校可在智能建造專業前兩年進行大類培養，在打牢土木工程知識的基礎上，再加入機械原理與設計和計算機原理基礎課程，讓學生對智能建造有整體性的認識。在第三年進行分類培養，學生從自己的興趣出發進行選擇，分為智能建造設計班、智能建造裝備班及智能建造算法班三個方向，分別對智能建造中的智能設計、智能裝備及智能機器人和人工智能算法進行重點培養。

（一）智能建造設計

智能建造設計方向主要解決智能建造中的智能設計問題，其中重點是建筑信息化模型，打破以往計算、繪圖、施工的傳統模式，增強學生的智能設計理念。在課程設置上重點學習BIM技術與3D打印技術。

BIM技術是將建筑物用數字化的理念表達，通過數字模型數據實現對工程建設全壽命周期內的精細管理，并以此加強工程技術人員對建筑信息做出正確理解與高效應對的能力［5］。在美國，BIM技術已為其帶來超半數的投資回報率，國內各大企業也在積極推動BIM技術的應用。目前，我國還處于BIM人才緊缺狀態，雖然有不少高校開設了BIM技術相關課程，但多為選修課，學生參與程度不高。因此智能建造設計班重點培養學生的BIM能力，除了進行BIM的建模基礎教學，還要針對具體的工程實例進行訓練，鼓勵學生積極參加BIM競賽，充分調動學生積極性，真正做到學以致用［6-7］。

智能建造設計班開展3D打印課程，基于3D打印快速成型技術，重點教授工作原理與實際操作。讓學生了解到適用于打印的先進材料，掌握一定算法，實現簡單的打印編程，課程中可以讓學生親身體驗3D打印的過程。除此之外，還可加強校企合作，讓國內先進的3D打印企業參與培養過程，跟進工程實例，掌握最新的行業動態。

（二）智能建造裝備

智能建造裝備方向主要解決智能建造中的智能施工問題，追求施工的少人化、無人化及建造過程的規范化，重點在于基于機械自動化的智能裝備及智能施工機器人［8］。傳統的施工現場，現場人員施工設備繁雜，較難做到施工的精細化管理［9-10］，而智能機器人可有效解決這一問題。由于施工現場的復雜性，一般針對重復性大的施工工序進行智能機器人的研發［11］。智能施工平臺就是融合了多種作業場景、施工設備、施工工序的作業平臺，在計算機系統的控制下實現多工序的自動化施工［12］。

針對上述建筑行業現狀，在智能建造裝備班中應深入學習進階機械類課程，對機械課程進行調整，深入發掘與土木工程相關內容，重點學習智能機器人相關課程。在班級中設置博士學位導師制，讓學生盡早接觸科研內容，引導學生分析施工工藝背后的原理，理論結合實踐，為進一步研發適合機器人自動化施工的工藝打下基礎。另外，鼓勵教師成果落地并作為案例引入課堂，使學生在科研探索中提高發現問題、解決問題的能力［13］。

（三）智能建造算法

智能建造算法方向主要解決智能建造中的智能運維管理問題，重點利用人工智能算法搭建模型框架，對施工過程進行感知、分析、修正，全面提升項目的管理精細度，降本增效。

當今社會，人工智能已經在各個領域得到了快速發展并形成了眾多算法［14］。世界范圍內也都在努力將計算機信息技術與傳統產業進行創新融合，以促進傳統產業的升級換代。建筑行業的智能化、信息化程度雖然較低，但人工智能在土木工程中卻有著廣闊的應用前景［15］。人工智能在智能建造中主要體現在基于算法的深度學習。劉占省［16］等基于數字孿生的技術，綜合利用物聯網、BIM和有限元模型搭建了智能建造方法的框架。

因此，智能建造算法方向重點開展深度學習方面的研究。在教學中，從最新的工程實例出發，引導學生增強對算法與土木工程實踐相結合的理念。

結語

隨著國家新基建戰略的提出，雖然我國建筑行業的智能化、信息化還處在初步發展階段，但順應新發展格局的智能建造必將在未來發光發熱。其中智能建造人才的培養是重點，高校作為人才培養的主戰場，必須肩負起這一責任，努力創建新的人才培養模式，培養適合新時代的智能建造復合型人才。

第一，在課程體系上要突出重點。對原有淘汰落后的土木工程技術相關內容進行刪減，增加BIM技術與3D打印技術的內容，更新課程設計；加快教授科研成果轉化，并將其應用于教學當中。

第二，打破原有課程壁壘。加入機械原理與設計、智能機器人、人工智能和算法相關課程，通過對這些課程與土木工程的專業課程的有機結合，讓學生接觸到建筑前沿內容，激發學生興趣，提升其利用計算機技術、人工智能等前沿科技解決土木工程問題的能力。

第三，把握好傳統課程與新增課程的關系。智能建造專業培養人才，要以工程建設為核心，而不是傳統課程與機械計算機類課程的簡單相加。要在學生土木工程專業知識扎實的基礎上，增加新技術類課程，并把握好兩者的學時分配，在傳統課程中提升理論學習占比，在新技術類課程上提升實踐占比。

第四，堅持理論與實踐相結合。在理論學習的同時增加實踐環節，除了傳統的現場實地實習，還要增強高校與企業的合作，堅持產學研相結合，使學生真正走入真實的工作環境，更好適應社會需求。

參考文獻

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Research on Talent Training Mode of Intelligent Construction under the Background of

New Engineering Education

ZHAO Quan-sheng， LIANG Xiao-yong， ZHAO Yuan-yuan， LIANG Ri

（School of Civil Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang，

Hebei 050018， China）

Abstract： Under the background of the development of the new era， human beings have entered the fourth industrial revolution， and the industrial upgrading of the construction industry is imperative. The proposal of intelligent construction points out the direction for this. Major colleges and universities have also increased intelligent construction majors in response to national policies. Based on the introduction of the background and significance of intelligent construction， this paper first expounds the formulation of training programs in colleges and universities， and then introduces the main contents of BIM technology， 3D printing， intelligent machinery， and artificial intelligence in intelligent construction from the perspectives of design， construction， and operation and maintenance management of construction projects， and discusses the training of intelligent construction professionals， hoping to provide reference for the training of intelligent construction professionals.

Key words： new engineering education; intelligent construction; artificial intelligence; teaching mode; talent training