新工科背景下土木工程專業畢業設計教學模式改革與實踐

張海燕 季靜 潘建榮 王帆 艾顯書

doi：10.11835/j.issn.1005-2909.2024.03.012

歡迎按以下格式引用：張海燕，季靜，潘建榮，等.新工科背景下土木工程專業畢業設計教學模式改革與實踐［J］.高等建筑教育，2024，33（3）：98-105.

修回日期：2023-02-23

基金項目：廣東省高等教育教學研究和改革項目（綜合類）“基于數字化平臺的土木工程專業內涵建設和發展”（20190034）；2020年華南理工大學校級教研教改項目“新工科背景下的土木工程專業畢業設計改革”

作者簡介：張海燕（1978—），女，華南理工大學土木與交通學院教授，博士生導師，主要從事綠色混凝土材料、混凝土結構研究，（E-mail）zhanghy@scut.ed.cn；（通信作者）季靜（1963—），女，華南理工大學土木與交通學院副院長，教授，主要從事鋼-混凝土組合結構、高層建筑結構研究，（E-mail）cvjingji@scut.edu.cn。

摘要：近年來，為適應建筑工業化發展需求，華南理工大學對土木工程專業房建方向的畢業設計進行了一系列改革，包括調整畢業設計目標、選題、設計內容、實施手段、進度安排、成果提交等。為保障畢業設計改革的順利進行，采取了一些卓有成效的措施，如采用PDCA循環制定了畢業設計改革的實施路徑，使得畢業設計工作能逐年持續改進；引入裝配式混凝土結構設計、基于BIM的預制構件深化設計、碰撞分析、施工過程模擬和計量計價等內容，改變了傳統的以現澆混凝土框架結構設計為單一設計內容的狀態；通過多維校企合作、線上和線下相結合的指導模式以及優秀學生助教，解決了裝配式結構領域師資不足和軟件使用方面的問題；通過賽教結合，提升了教師指導水平，測算了學生的實踐能力。論文還探討了傳統手算內容與電算內容的取舍、現澆構件與預制構件設計內容的設定、設計難度和工作量的把握等問題，提出對于任務設置和進度安排必須基于預測結果， 對于不同能力層次的學生可設置必做和選做內容適應其發展階段。改革后，畢業設計總體工作量和難度有所增大，設計內容更符合工程實際，學生的軟件應用技能有較大提高，學生對預制構件的細部構造、生產和施工過程等有了更深的理解。上述改革取得了良好的效果，為智能建造專業建設提供了良好的基礎和借鑒。

關鍵詞：智能建造；土木工程；畢業設計；PDCA循環；裝配式；BIM

中圖分類號：G642.477? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1005-2909（2024）03-0098-08

隨著人工智能、物聯網、大數據、云計算、信息技術等新興技術的快速發展，傳統產業面臨著轉型升級的巨大壓力。建筑業作為我國國民經濟的支柱產業之一，迎來了全面進入智能建造的時代。智能建造即數字化設計、工廠化生產、裝配化施工、信息化管理和智能化應用，是土木工程行業未來發展的方向，但目前我國在智能建造方面的技術和管理人員極度缺乏，嚴重阻礙了建筑業的轉型升級。

為加快培養面向建筑業轉型升級需求的新型人才，以土木工程專業為基礎，融合計算機及信息技術、控制機械原理、物聯網、大數據和工程管理等專業發展而成的新工科專業——智能建造應運而生。自2018年同濟大學率先獲批智能建造專業以來，每年獲批智能建造專業的高校數量持續增長，智能建造專業的教學體系和教學模式也逐漸完善，但是目前關于智能建造專業實踐教學環節，尤其是畢業設計環節的教學研究較少［1］。部分高校雖然尚未開設智能建造專業，但是為順應新工科專業發展形勢和建筑行業發展需求，對土木工程專業的畢業設計進行了一系列改革和實踐，可為智能建造專業的畢業設計提供借鑒。目前已有高校在畢業設計時融入了BIM技術的應用［2］，例如，在工程管理和施工組織設計兩個方向應用了BIM技術［3-4］；重慶大學進行了基于BIM的工程管理專業畢業設計改革，組織學生完成了工程算量和施工組織的跨方向畢業設計［5］；也有學校依托BIM大賽進行畢業設計改革［6］；同濟大學通過校企聯合指導畢業設計，針對設計案例采用BIM技術進行了管線碰撞檢測和深化設計，也有基于RFID（無線射頻識別技術）和BIM技術進行預制構件智能化管理的案例［7］；東南大學則基于CDIOF（構想-設計-實施-運行）理念和BIM技術開展了結構、巖土、地下和工程管理專業的聯合畢業設計［8］。對于土木工程專業房建方向的畢業設計，目前國內高校基本都是以現澆框架或框剪結構為設計對象，針對裝配式建筑結構的選題尚未有相關文獻報道。

在新工科背景下，華南理工大學土木工程專業近年來對房建方向的畢業設計進行了一系列改革和實踐，以滿足建筑工業化對人才的需求，同時也為智能建造專業的畢業設計做一些前期探索和經驗積累。首先，分析我國土木工程專業畢業設計現狀，其次，總結華南理工大學土木工程專業房建方向畢業設計改革的經驗，最后，給出作者對新工科背景下土木工程專業畢業設計改革的一些思考，以期為土木工程專業、智能建造專業畢業設計提供借鑒。

一、我國土木工程專業畢業設計現狀分析

經電話訪談以及對近五年的文獻進行分析后發現，目前國內高校土木工程專業的畢業設計普遍存在以下問題［9-12］。

（1）畢業設計選題只重視某一方面專業知識的應用，忽視相關專業知識的拓展和融合。目前國內高校土木工程專業的畢業設計選題主要包括結構設計、施工組織設計、基坑支護設計等［13］，學生對項目的整個設計及建造過程缺乏概念，使得畢業生工作后普遍存在專業面窄、上手慢等問題。

（2）畢業設計內容及形式陳舊，不能反映當代工程技術發展水平，與工程實際脫節。從近幾年土木工程專業畢業設計的題目來看，大多數學校的畢業設計題目以工程設計居多，畢業設計通常是教師自擬若干題目，要求學生完成結構計算和施工圖繪制等基本任務。設計對象多為鋼筋混凝土框架結構，結構形式過于單一。近年來我國裝配式建筑和BIM技術發展迅速，企業對相關人才的需求量極大，但目前的畢業設計基本針對傳統現澆結構，導致畢業設計與工程實際不能有機結合，學生難以完成實際工程任務。

（3）畢業設計的實施方法和實施手段與企業的實際工作情況差距較大。土木工程專業具有較強的實踐性和綜合性，但目前開展畢業設計的方法和手段與企業的實際情況差距較大，不利于提升學生的實踐能力。一是對行業內的主流工程軟件了解不夠，比如PKPM、YJK、廣聯達等系列軟件以及近些年快速發展的BIM建模軟件Revit等；二是軟件應用在整個畢業設計中占比較低，比如框架結構設計仍采用手算為主、電算為輔的方法［14］，手算設計效率較低，而設計單位均采用軟件設計出圖。上述兩方面的問題影響了學生實踐能力的提高，以致學生在面對實際工程問題或具體工作時往往經驗不足。

二、畢業設計改革的目標和難點

華南理工大學土木工程專業房建方向的畢業設計分為鋼筋混凝土結構和鋼結構設計，本次畢業設計改革主要針對以鋼筋混凝土結構為對象的畢業設計。改革前畢業設計的目標為通過畢業設計訓練，使學生掌握整棟建筑物結構設計的基本流程、基本原理和具體方法，熟悉主流結構設計軟件，能正確運用相關規范和理論方法，解決結構設計中常見問題，完成結構手算、電算和施工圖的繪制。針對目前土木工程專業畢業設計存在的問題，并結合建筑工業化的市場需求及其對人才培養的要求，改革后畢業設計目標設定為提高學生對裝配式建筑的設計、生產、施工及運維管理全過程的認識，提升學生應用BIM技術進行裝配式建筑設計、施工管理、計量與計價的水平，使學生具備對裝配式建筑進行結構設計、深化設計、施工組織設計以及項目管理的能力，畢業后能勝任裝配式建筑的結構設計、深化設計、生產管理和現場管理等崗位工作。

由于首次將裝配式建筑作為畢業設計對象，沒有現成經驗可供參考，在進行畢業設計改革的過程中，有以下難點。

（1）師資問題。BIM技術以及裝配式建筑為新興技術，目前熟悉裝配式建筑的深化設計、施工組織設計、計量計價的人員較少，土木工程專業現有的專任教師缺乏相關教學及工程經驗。

（2）畢業設計的具體任務和進度安排問題。畢業設計的具體任務和進度安排是否合理，直接影響畢業設計的效果以及學生能否如期畢業，因此需提前確定畢業設計的具體內容，預估每項工作的難度，預測完成每項工作所需時間。例如，采用軟件設計或模擬的內容與手算內容具體包括哪些，不僅要考慮設計內容的難易程度、學生的能力、畢業設計的時間限制等，還要考慮知識點的重要性和覆蓋性以及行業發展需求等。

（3）軟件問題。目前能進行裝配式結構深化設計的軟件較少，且版本更新快、價格昂貴，部分學校購買相關軟件或相關端口供學生使用的經費不足。

三、畢業設計改革的內容

由于畢業設計目標調整，畢業設計選題、內容、實施手段、進度安排、提交成果等都需要相應調整。例如，畢業設計的對象由傳統的現澆框架結構變為裝配式鋼筋混凝土框架結構、框剪或剪力墻結構；設計內容由傳統的上部結構整體分析、單榀框架結構計算、構件配筋計算、基礎設計、施工圖繪制變為預制構件拆分及裝配率計算、上部結構及基礎設計、預制構件深化設計、裝配率計算、施工組織設計、基于BIM的生產和施工過程模擬、基于BIM的工程計量與計價、施工圖繪制等；實施手段除了應用傳統的手算、結構設計軟件、辦公軟件、繪圖軟件等，還增加了BIM建模軟件、施工過程模擬軟件、造價分析軟件等的應用；總的畢業設計學時不變，但手算工作量減少，軟件應用工作量增多；最終提交的成果除了傳統的計算書、施工圖，還有三維動畫視頻、工程量清單、PPT等資料。表1為畢業設計改革前后的變化。

四、畢業設計改革的具體措施

為實現上述畢業設計改革，并解決改革中的難點問題，主要采取了以下措施。

（一） 基于PDCA循環的畢業設計改革實施路徑

PDCA循環的含義是將質量管理分為四個階段，即Plan（計劃）、Do（執行）、Check（檢查）和Act（處理）。華南理工大學基于PDCA循環制定畢業設計改革的實施路徑，如圖1所示，以保障畢業設計工作能逐年持續改進。在“P”階段，收集裝配式建筑的設計案例及圖紙等相關資料，并優選出難度適中，適合于畢業設計的工程項目，擬定畢業設計選題；收集裝配式建筑的設計規范、標準圖集、書籍和視頻資料等；與企業合作，組建指導教師隊伍，取得相關軟件使用授權；確定畢業設計的具體任務、提交的成果及要求、進度安排，編寫畢業設計任務書。在“D”階段，編寫畢業設計指導書及授課課件，指導學生按照進度計劃逐步完成設計任務，記錄學生在完成結構整體建模、構件拆分、深化設計、碰撞分析、施工組織設計、施工過程模擬、計量與計價、施工圖出圖等各項工作時花費的時間及遇到或存在的問題。在“C”階段，定期檢查學生完成畢業設計的情況，尤其注重開題報告檢查、中期檢查和畢業設計答辯環節，對比改革前和改革后的畢業設計質量，評價畢業設計改革效果。在“A”階段，針對畢業設計改革中出現的問題進行總結和調整，修訂畢業設計任務書、指導書及課件等，然后開展下一輪循環。

（二） 基于多維校企合作的指導教師隊伍建設和資源整合

較多高校在畢業設計環節與企業合作，邀請經驗豐富的工程師作為校外合作導師。對于結構設計，通常與設計院合作較多。但對于裝配式結構設計，僅和設計院進行合作遠不能滿足要求，一是設計院現在具有裝配式結構設計經驗的人員不多；二是裝配式建筑設計軟件上市時間短、更新快，熟悉軟件操作的人不多；三是學生對裝配式構件形式、構件生產和安裝過程等缺乏直觀了解，影響其對裝配式結構設計過程的理解。為此，我校在畢業設計改革前就與裝配式建筑設計軟件商、設計院、有預制構件加工廠的施工企業合作，組建了來自軟件公司、設計院、預制構件廠、施工單位等不同企業的指導教師團隊，并充分利用和整合了這些企業的資源。

（1）畢業設計中，軟件公司提供免費的裝配式建筑設計軟件（PKPM-PC、PKPM-BIM等）和施工管理軟件使用授權碼，提供軟件使用培訓視頻資料，并專門建立畢業設計答疑群，開展軟件使用咨詢和答疑服務。

（2）預制構件廠和施工單位提供預制構件生產和現場安裝施工的參觀機會，并派專人講解裝配式建筑的施工過程和技術要點。

（3）設計院提供多個裝配式建筑的設計案例及基礎資料，全程參與畢業設計指導，為學生講授預制構件拆分、預制裝配率計算、預制構件施工和使用階段的受力驗算及配筋計算、裝配式構件節點設計與驗算等內容。

（三） 基于線上和線下結合的畢業設計指導模式

2020年春季的畢業設計，華南理工大學采用了線上教學的模式，在此過程中發現線上教學有較多優點，如受眾多、不受地點限制、可回放等，但也存在對學生缺乏有效管控等問題，因此，2021年和2022年的畢業設計我校采取了線上和線下教學相結合的畢業設計指導模式。軟件的使用和操作采用軟件公司提供的教學視頻，由學生在畢業設計開始前的寒假自行學習。企業導師的授課，例如裝配式建筑施工、預制構件和裝配式節點設計等內容，采用線上教學的方式，而校內導師則組織線下教學和指導，每位校內導師指導的學生控制在6人以內。

通過線上和線下結合的模式，解決了裝配式結構設計指導師資不足的問題，同時也對學生畢業設計的進度和質量形成了有效管控，對學生遇到的問題能及時了解和解決。

（四） 基于“傳幫帶”的優質學生資源利用

在畢業設計過程中，需要運用專業軟件，例如，結構設計軟件、繪圖軟件、BIM建模軟件、施工過程模擬軟件、造價分析軟件等，以及結構分析和配筋計算的小工具箱等。由于這些軟件更新換代快，而一些教師在平時的教學和科研中對它們應用較少，因此軟件操作方面不太熟練。為解決學生在軟件使用過程中遇到的問題，我校采取了“傳幫帶”的方式，每年都有優秀畢業生留在本校讀研，選擇研一的若干學生做助教，講解軟件的操作，并負責軟件操作方面的答疑。長此以往，形成了“傳幫帶”的良好風氣，保研的學生在做畢業設計的過程中，主動鉆研軟件的使用技巧，為下屆的助教工作做準備，而研究生助教也可以借此提高自己的實踐能力。

（五） 賽教結合，以賽促教，以賽測能

為促進我國建筑工業化和智慧建造的發展與交流，推動建筑工業化和智慧建造等相關領域的人才培養，相關部門和單位組織了全國大學生工業化建筑與智慧建造競賽、全國大學生結構設計信息技術大賽、全國高校BIM畢業設計創新大賽等全國性的賽事。通過組織和指導學生參加競賽，將畢業設計與競賽內容結合起來，不僅可以獲得來自大賽組織方的資源（例如賽題設置、各類培訓等），提升指導教師自身的水平以及學生的學習和實踐能力，還可以通過在指導學生參賽的過程中，了解學生學習各類軟件以及完成各項工作所需的時間、各項工作的難易程度、能達到的水平等，從而為畢業設計選題、內容設置以及進度安排提供參考。

五、畢業設計改革成效及思考

華南理工大學土木工程專業從2016年開始進行畢業設計改革。首先，房建方向的改革融入了基于BIM的工程計量和造價分析、施工過程模擬等內容，隨后，安排部分學生開展裝配式建筑結構設計，圖2-圖3為學生畢業設計的代表性作品。通過改革，華南理工大學土木工程專業的畢業設計質量有較大程度的提升，以往房建方向畢業設計內容（以手算為主的現澆框架結構設計）較為單一、與實際工程有所脫節的問題有較大改觀，學生的學習和實踐能力大大增強，各類軟件的操作和應用水平大幅提升，畢業設計改革也由一組學生試點推廣到混凝土結構設計方向的多組學生。

在畢業設計過程中，學生也參加了比賽，并取得了較好的成績，例如，在2021年首屆全國大學生工業化建筑與智慧建造競賽中，獲得一等獎1項，二等獎3項；在2022年全國高校BIM畢業設計大賽中獲得二等獎1項，三等獎1項。

畢業設計改革后，對相關學生進行了調查，學生反映以裝配式建筑為對象進行結構設計，并引入BIM技術進行深化設計、碰撞分析、施工過程模擬等之后，畢業設計的工作量和難度有所增大，軟件應用技能有很大提高，對預制構件的細部構造、生產和施工過程理解得更深入了，畢業設計內容相比于改革前的更實用。在畢業設計改革過程中，也出現了一些問題，引發了一些思考。

（1）傳統手算內容與電算內容的取舍問題。在傳統的畢業設計中，較多內容采用手算方法完成，例如，荷載計算、水平和豎向荷載作用下的內力分析和變形驗算、荷載組合、配筋計算等，雖然手算時采用的簡化方法在實際工程中較少用到，但是手算的過程可以幫助學生梳理大學四年所學的專業基礎知識，同時增強學生對結構力學行為的把握和判斷，因此在電算盛行的當下，必要的手算仍不可或缺，例如，結構在水平和豎向荷載作用下的內力分析和變形驗算這部分手算工作量不能減少，但重復性的手算（如構件配筋率計算）任務量可以減少。電算以及施工圖繪制的要求及流程與實際工程的做法一致，因此學生畢業后能馬上勝任設計崗位的工作。改革后的畢業設計要求學生能靈活應用多種軟件，但由于學時有限，不能都靠指導老師來教授，因此可以要求學生大四寒假自學BIM建模、裝配式結構設計、施工過程模擬等相關軟件的操作。

（2）現澆構件與預制構件設計內容的均衡問題。現澆混凝土結構還是目前建筑結構的主流形式，而且裝配式建筑中也有部分現澆結構，因此畢業設計內容不能只有預制構件的設計及連接節點驗算，還要包括部分現澆構件的設計。但是，由于畢業設計時間有限，面面俱到是不可能的，因此可以考慮選取典型現澆構件（如1塊現澆板、1根現澆梁）和預制構件（如1塊疊合板、1根疊合梁）進行手算。

（3）難度和工作量的把握。實際工程中，裝配式混凝土結構設計的工作量遠大于現澆混凝土結構，它不僅包含了傳統現澆混凝土結構（裝配式結構“等同現澆”）的整體受力分析、構件配筋計算、結構施工圖等內容，還增加了預制構件拆分、施工階段受力驗算、節點驗算、碰撞分析、預制構件深化設計和施工圖繪制等內容，因此將裝配式混凝土建筑作為畢業設計的對象，工作量相比于以往的現澆結構畢業設計無疑是增大的。為保證學生能順利完成畢業設計，必須“先預測后實操”，提前安排能力水平不同的學生進行部分設計工作，記錄學生完成結構整體建模、構件拆分、深化設計、碰撞分析、基礎設計、施工組織設計、施工過程模擬、計量與計價、施工圖繪制等工作所需時間及遇到的問題，評估各項任務的難度，結合學生參賽情況、知識點的重要性及覆蓋面等，確定畢業設計的具體任務和進度安排。由于學生的基礎知識掌握程度以及學習能力不同，畢業設計的難度和工作量應有所差異，可以通過設置必做和選做內容來適應不同層次的學生。對于某些關鍵性內容，例如，預制構件拆分、整體受力分析、預制構件施工階段和使用階段的受力分析及配筋計算、結構施工圖繪制等內容確定為必做內容，而預制構件深化設計、碰撞分析、基礎設計、施工組織設計、施工過程模擬、計量與計價等內容作為選做內容。

六、結語

在建筑工業化大力發展的時代背景下，新工科專業——智能建造應運而生，傳統的土木工程專業面臨著向智能建造專業轉變，或融入部分智能建造相關內容，以適應建筑業轉型升級需求。畢業設計作為本科生培養的最后環節以及最重要的環節，相應也需進行調整。華南理工大學近年來對土木工程專業房建方向的畢業設計進行了一系列改革，如采用PDCA循環來制定畢業設計改革實施路徑，引入了BIM技術應用、裝配式混凝土結構設計等內容，改變了傳統的以現澆混凝土框架結構設計為單一設計內容的狀態；通過多維校企合作、線上和線下結合的指導模式以及優秀學生助教，解決了師資不足和軟件使用方面的問題；通過賽教結合，提升了教師水平，了解了學生的能力以及各項任務耗時。此外，還對傳統手算內容與電算內容的取舍問題、現澆構件與預制構件設計內容的均衡問題、難度和工作量的把握等問題進行了思考和解決。通過6年持續不斷的改革和實踐，華南理工大學的畢業設計改革取得了良好的效果，為智能建造專業的畢業設計提供了良好的基礎和借鑒。

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Reform and practice of graduation design teaching mode of civil engineering under the background of new engineering

ZHANG Haiyan1， JI Jing1， PAN Jianrong1， WANG Fan2， AI Xianshu3

（1.School of Civil Engineering and Transportation， South China University of Technology， Guangzhou 510640， P.R.China；2.Architectural Design and Research Institute of SCUT Co.， Ltd.， Guangzhou 510640， P.R.China；3.Beijing Glory PKPM Technology Co.， Ltd.， Beijing 100013， P.R.China）

Abstract： To meet the demand of the development of building industrialization， a series of reforms in the graduation design of building construction orientation for civil engineering specialty are carried out in South China University of Technology， which includes the adjustment on the graduation design objectives， topics， design content， implementation means， schedule， results submitted， etc. To ensure the smooth implementation of the reform， some effective measures are taken. For example， the implementation path of the reform is formulated by using PDCA cycle， so that the graduation design practice can be continuously improved year by year. The design of prefabricated concrete structure， BIM-based deepening design of prefabricated components， collision analysis， construction process simulation， measurement and pricing are introduced， making the traditional state of taking the structural design of cast-in-place concrete frame as a single design content changed. Through multi-dimensional university-enterprise cooperation， online and offline guidance mode and excellent student teaching assistants， the problems of lack of teachers and software application in the field of prefabricated structure design are solved. Facilitated by the combination of competition and teaching， the teaching quality is promoted， and students ability is measured. Issues such as the choice between the traditional manual calculation content and the computer calculation content， the setting of the design content of the cast-in-place components and prefabricated components， the balance on design difficulty and workload， are discussed. The design task and schedule are suggested to be arranged based on the measurement results， and for students with different ability levels， the required and optional content can be set to meet their development needs. After the reform， the overall workload and difficulty of the graduation design are increased， and the design content is more in line with the engineering practice. Students software application skills are greatly improved， and their understanding in detailed structure， production and construction process of prefabricated components is deepened. The reform has achieved good effect， providing a good basis and reference for the development of intelligent construction specialty.

Key words： intelligent construction; civil engineering; graduation design; PDCA cycle; assembled; BIM

（責任編輯? 鄧? 云）