基于BIM的施工進度管理虛擬仿真實驗教學研究

收稿日期：2023-07-14

基金項目：山東省本科高校教學改革研究項目（Z2021095）；山東省教育廳研究生教育質量提升計劃資助項目（SDYJG19112）；山東建筑大學研究生教育質量提升計劃資助項目（ALK202203）；山東建筑大學校級教學改革研究項目（202107）

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.03.040

摘" 要：虛擬仿真實驗教學是國家教育改革的重要內容。為解決由于建筑物龐大、施工工期長、過程不可逆等特點造成的無法在實驗室實施進度實驗問題，基于BIM開發了施工進度管理虛擬仿真實驗教學系統，實現了進度管理實驗的三維可視化、模型輕量化、進度專業化、檢測智能化、教學規模化及過程協同化。文章圍繞虛擬仿真實驗進度問題，分析了傳統教學存在的問題、仿真實驗系統架構、功能設計與實施過程，總結了實驗系統在管理類知識評價、大規模并行實驗及多課程聯動機制等方面的成效。研究成果可為工程管理領域的實驗開發及進度管理實驗教學提供借鑒。

關鍵詞：建筑信息模型；施工進度實驗；仿真實驗開發；實驗教學

中圖分類號：TP39；G434" 文獻標識碼：A" 文章編號：2096-4706（2024）03-0191-04

Research on Construction Schedule Management Virtual Simulation Experiment Teaching Based on BIM

JI Fanrong1， LI Xiangjun1， NAN Yunquan2

（1.School of Management Engineering， Shandong Jianzhu University， Ji'nan" 250101， China;

2.School of Surveying and Geo-informatics， Shandong Jianzhu University， Ji'nan" 250101， China）

Abstract： Virtual simulation experiment teaching is an important content of education reform. In order to solve the problem that the schedule experiment can't be carried out in the laboratory due to large buildings， long construction period and irreversible processes， the construction schedule management virtual simulation experiment teaching system had been developed based on BIM， which realized the functions of three-dimensional visualization， the lightweight model， the professional schedule， intelligent detection， the large-scale teaching and the process coordination for schedule management experiment. Around the problems in virtual simulation experiment schedule， the paper analyzes the problems existing in traditional teaching， simulation experiment system architecture， functional design and implementation process， and summarizes the effectiveness of experiment systems in management knowledge evaluation， large-scale parallel experiments， and multi course linkage mechanisms. The research results can provide reference for experiment development and progress management experiment teaching in the field of engineering management.

Keywords： building information model; construction schedule experiment; simulation experiment development; experiment teaching

0" 引" 言

虛擬仿真實驗教學是提高學生實踐實驗能力和創新能力的重要途徑，有助于了解客觀事物本質運動規律，其強調信息技術與教學實驗的深度融合[1]。截至2020年，在iLAB上的虛擬仿真實驗教學項目2 079項，其中國家級認定的有728項[2]。虛擬仿真實驗教學已成為國家倡導的重要教育改革方向。另外隨著建筑業在我國國民經濟中的地位日益突出，裝配式建筑、被動建筑等多種類型建筑推廣應用，對高等學校人才培養也提出了新的挑戰。BIM（Building Information Modeling）作為實踐教學的重要組成部分，對培養人才起到了重要的作用[3]。由于工程建設活動具有實施工期長、涉及專業多、過程不可逆等特點，基于BIM的施工進度虛擬仿真線上實驗屬于長周期、不可逆的項目，是國家倡導真實實驗無法開展、高消耗高成本、大型綜合訓練、長周期不可逆等實驗教學類型之一[4]，也是國家急需的虛擬仿真實驗教學項目[5]。該實驗虛擬仿真完全不受空間、時間限制[6]，可以獨立開展實驗教學。文章主要研究了傳統進度教學在教學手段、理論實踐、實驗項目等方面存在的問題，虛擬仿真實驗系統開發思路及實驗教學過程及實驗總結等內容。

1" 施工進度教學狀況

施工進度的時間跨度大，進度教學活動開展受場地、時間、經費等多種因素的制約，一般較難在施工現場實踐，往往通過案例教學或上機實踐的方式進行教學。并且在實際教學過程中存在缺乏有效教學手段、存在重理論與輕實踐現象、缺少缺乏有效實驗項目支撐等問題。

1.1" 缺乏有效教學手段

在進度教學過程中多采用教師課堂講授為主的教學模式，教學方法單一，雖然采取了案例講解、翻轉課堂、項目式教學、互動式提問、討論式教學等有效形式[7]，但教師處于課堂主導地位、學生處于被動學習狀態的現狀沒有得到較好改變[8]。工程建設既是項目利益相關方互相協作的結果，又是人、機、料、法和環的綜合作用結果，現有教學手段無法讓學生協同體驗進度管理活動，且學生本身沒有完整經歷過工程實踐，不能有效地接受實際進度知識。

1.2" 存在重理論與輕實踐現象

工程進度管理教偏重理論教學，主要講解雙代號、單代號、搭接網絡、時標網絡圖及計劃評審技術等網絡計劃技術，有時會在課程設計中進行進度管理相關內容的設計。在認識實習、專業實習及畢業實習中，進度只占一部分內容，實踐只是輔助理論學習的手段。隨著建設行業的不斷發展和社會需求不斷提高，工程復雜性不斷增加，工程項目由于建設周期長、成本高，學生無法在實驗室內完成全過程建造，而短期實踐只能對個別環節有直觀感受，無法系統體驗項目建設全過程進度，導致學生缺乏對工程進度管理方法的系統掌握和理解[9]，使其缺乏用專業知識有效解決工程實際問題的能力。

1.3" 缺少有效實驗項目支撐

工程項目的一次性特點決定了建設過程不可逆，不允許試錯探索，多是一次建成。各學校相關專業多將這進度知識放入課程設計或課程實驗中，要求學生利用軟件完成施工進度管理內容。目前進度教學部分采用Project等軟件進行了上機實踐，其目的是用軟件編制好進度計劃，學生按部就班上機操作，不同學生編制的進度計劃差異較大，不具備實驗再次發生或再現特性，與實驗的要求有一定差距。仿真實驗教學基礎問題是明確實驗教學項目的評價標準[10]，現有軟件均為工具式軟件，缺少限制條件與相關評判標準，且現行實踐或實驗多是二維方式，具有不夠形象、人機交互方式單一、系統不夠智能的缺點[11]，往往達不到能力鍛煉的教學目的。

2" 仿真實驗系統

2.1" 系統簡介

為解決傳統進度教學問題，我校開發了施工進度虛擬仿真實驗系統。為了實現實驗模型的可拓展性，該系統的基礎模型為BIM模型。進度虛擬仿真實驗系統是先進的BIM虛擬仿真技術，與建筑施工進度計劃管理結合的綜合性教學實驗系統，可使學生處于虛擬施工綜合場景中，選擇不同的BIM實驗案例，進行施工工序安排、施工進度設計，學習相關知識和操作技能。仿真系統根據事先設計的實驗綜合評分規則，智能考評學生的實驗報告，給出綜合能力分析和實驗成績。

2.2" 系統架構

施工進度虛擬仿真實驗系統采用B/S架構，分為教師端和學生端，教師端和學生端都從一個網頁頁面進入，根據賬號信息，自動登錄教師端和學生端，學生端賬號與學號相同。由于三維引擎Unity3D具有層級式綜合開發環境、可視化處理、編輯器友好、兼容性好、體驗流暢及還原度高等優點[12]，仿真實驗系統采用Unity3D及ASP.NET MVC開發。所需實驗模型，需采用中間插件對BIM三維模型進行輕量化轉換后，再導入教師端，形成不同的進度實驗素材。該實驗系統的插件目前僅只支持REVIT的模型，通過REVIT插件導出模型文件，導出的文件為zip格式壓縮包，包含模型、色彩等相關數據。系統架構如圖1所示。

圖1" 系統架構

2.3" 系統功能

進度虛擬仿真系統主要分為教師端和學生端，教師端主要具有制作實驗及管理學生功能，學生端主要具有進度實驗功能，其功能設計如圖2所示。

在教師端主要有項目管理、教師管理、學生管理三個模塊。可實現以下功能：1）在項目管理功能中，可實現將轉換后的REVIT模型導入到虛擬仿真實驗的教師端，對每個實驗設置里程碑進度目標合理區間的參數值及實驗分值計算公式，也可以實現設置實驗封面，可將實驗項目分配給班級或小組，最后將設置好的進度實驗發布到學生端。2）在學生管理功能中，可實現學生姓名、學號等信息的批量導入及刪除，也可手工錄入、刪除。3）在教師管理功能中，主要實現教師端用戶姓名及密碼等的管理功能。教師端界面如圖3所示。

在學生端主要實現步驟檢測、工序設置、進度估計、三維進度及實驗報告等功能。在進行實驗時，首先依據施工工藝技術標準和施工組織原理的相關知識，進行實驗步驟的檢測，完成工程施工的工序安排。再根據模型大綱結構樹層級將模型進行拆分組合，形成三維模型進度工作分解體系，根據分解體系可以進行施工工期估計，將估計的工期與進度工作分解體系掛鉤，可行進行三維進度計劃的展示。進度實驗完成后，實驗系統自動進行打分，并記錄學生的操作扣分項、次數及扣分值等信息，最后形成實驗報告。

3" 實驗實施過程

3.1" 教學過程

在實驗開始時，教師在系統中進行學生分組設置，根據實驗需要可以形成以班級為單元或以小組為單元的實驗組織體系，并根據進度實驗需要，制定不同的進行實驗項目，實驗項目的參數設定完成后，可選擇實驗班級或實驗小組，將實驗項目發布到學生端。學生登錄系統后，可以看到所分配的進度實驗項目，并進行進度虛擬仿真實驗，完成實驗后提交實驗報告。在實驗過程中，學生根據所學知識獨立完成實驗項目，指導教師對存在的實驗問題進行指導。

3.2" 實驗過程

在分發的BIM模型實驗基礎上，學生根據流水施工原理、BIM等知識，以及是控制進度計劃還是指導性進度計劃類型，將BIM模型中各構件拆分、自由組合，形成模型工作分解體系，該模型工作分解體系的粗細程度與進度精細程度具有一致性；依據施工工藝技術標準與施工組織原理，確定BIM模型中所有構件及其組合的工藝及邏輯順序；根據工期定額計算或其他計算方式，計算每個構件或每一組構件組合時間后，將該時間賦給構件，將模型中所有構件及構件組合施工順序后，就可以形成進度計劃，該進度計劃可以通過二維或三維展示，三維展示是通過BIM模型虛擬仿真演示。該實驗過程中，實驗系統會檢測施工進度可行性，超出進度時間預警值，將不能進行下一步實驗。實驗過程界面如圖4所示。

4" 實驗教學效果

進度虛擬仿真實驗采用建筑信息模型三維仿真技術，有效融合了專業知識與信息技術，實時拓延了實驗時間與空間，深度拓展了實驗的深度和廣度，有效解決了教學過程中無法進行進度工程實踐問題。該實驗系統可引導學生在BIM實驗環境中進行學習，激發了學生的實踐實驗創新思維[13，14]，增強了新工科背景下人才培養的綜合素質。通過該實驗可取得以下效果。

4.1" 完善了管理知識成果的評價

與傳統上機進度實踐不同，該實驗軟件實現了對進度計劃可行性、合理性進行驗證與判斷，解決了以往在實驗和實踐中，無法對進度計劃是否符合目標判斷問題，無法對進度操作過程評分問題，以及無法自動形成實驗報告問題。該實驗改善了工程管理領域傳統教學中管理知識無法檢驗、無法實驗的現狀。通過該進度實驗系統可以對施工進度管理類管理知識成果的可行性與合理性進行評價。

4.2" 實現了大規模并行實驗教學

該實驗實現了進度橫道圖與動態施工進度實時同步展示功能，以及大規模實驗報告生成功能。由于BIM模型容量較大，在打開模型時，時間較長，為了解決該問題，該實驗開發了BIM轉換中間插件，解決了大容量模型數據輕量化問題，實現了建筑信息模型的數據輕量化問題，可以保證多個班級同時實驗。

4.3" 形成了多課程聯動實施機制

進度虛擬仿真實驗項目可與其他課程環節實現聯動。可將學生學習過程中的建模成果改造后直接導入實驗系統，為后續學生提供源源不斷的BIM實驗項目。例如2022年有工程管理專業學生320人，根據畢業設計要求學生需要建立BIM模型，只要在教師端導入畢業設計的模型，再加入工期參數約束后，可形成320個進度實驗項目供后期學生實驗，從而該進度實驗系統可實現多課程的聯動機制。

5" 結" 論

信息化、智能化、專業化、可視化實踐實驗教學已經成為多數高校教學的發展趨勢，虛擬仿真實驗教學越來越受到重視，未來將會形成專業分工明確、三維可視效果明顯、開放共享的實驗教學體系。采用B/S架構開發的施工進度管理虛擬仿真實驗，響應了信息化的發展方向。在實驗系統開發完成后，首先申請了施工進度虛擬仿真軟件著作權。在該實驗系統使用過程中，根據實驗需要，又開發了不同建筑類型進度總工期估算軟件，輔助進度總工期估算。但該實驗僅實現了進度計劃部分，仍有待完善之處，尚需開發進度控制等內容，才能實現真正的進度管理。通過進度仿真實驗，實現了可視化、輕量化、專業化、智能化、規模化及協同化的實驗教學方式，豐富了實驗教學資源，降低了教學成本，顯著增加了實驗教學效果，有效提升了實驗教學的質量。

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作者簡介：紀凡榮（1978—），男，漢族，山東臨沂人，副教授，博士，研究方向：建筑信息化。