黃海生，吳丹丹

(1．莆田學(xué)院　土木工程學(xué)院，福建　莆田　351100；2. 莆田學(xué)院　環(huán)境與生物工程學(xué)院，福建　莆田　351100)

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基于BIM的土木工程課程體系教學(xué)改革

黃海生1，吳丹丹2

(1．莆田學(xué)院土木工程學(xué)院，福建莆田351100；2. 莆田學(xué)院環(huán)境與生物工程學(xué)院，福建莆田351100)

摘要：BIM技術(shù)給建筑工程的發(fā)展帶來了新的變革，但由于BIM技術(shù)人才的缺乏阻礙了它的創(chuàng)新。本文基于BIM在國內(nèi)外的教育現(xiàn)狀，探討了在土木工程專業(yè)的BIM教學(xué)過程中教學(xué)目標的確定、課程體系的建立、跨學(xué)科協(xié)同課程的設(shè)置和師資隊伍的建設(shè)等問題，以期為BIM在土木工程專業(yè)中的教學(xué)改革提供借鑒。

關(guān)鍵詞：土木工程；教學(xué)改革；BIM；課程體系

建筑業(yè)目前正處于一個重大的技術(shù)改革和轉(zhuǎn)型之中。隨著科技的發(fā)展，各種可持續(xù)高性能的建筑材料和建筑信息模型BIM(BuildingInformationModeling)正逐漸的應(yīng)用到建筑項目中，這使得建筑行業(yè)處于一個關(guān)鍵、重大的技術(shù)改革和轉(zhuǎn)型之中，其中BIM技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用正受到越來越多的關(guān)注。BIM概念最早是于1975年由“BIM之父”ChuckEastman首先提出[1]，后來得到不斷的完善。而目前比較完整的是美國國家BIM標準(NationalBuildingInformationModelingStandard,NBIMS)的定義：“BIM是設(shè)施物理和功能特性的數(shù)字表達；BIM是一個共享的知識資源，是一個分享有關(guān)這個設(shè)施的信息，為該設(shè)施從概念到拆除的全壽命周期中的所有決策提供可靠依據(jù)的過程。在項目不同階段，不同利益相關(guān)方通過在BIM中插入、提取、更新和修改信息,以支持和反映各自職責(zé)的協(xié)同工作”[2]。

建筑信息模型BIM對建筑業(yè)和建筑工程師來說是一次巨大的信息技術(shù)革命。斯坦福大學(xué)綜合設(shè)施工程中心研究了32個采用BIM技術(shù)的工程得出了如下的使用BIM技術(shù)的優(yōu)點[3]：(1)節(jié)約了高達40%的預(yù)算成本；(2)成本估算的精度在3%之內(nèi)；(3)減少了高達80%由于時間產(chǎn)生的成本估算；(4)通過沖突檢測節(jié)省了10%的合同價值；(5)減少了7%的項目時間。

正由于BIM的這些優(yōu)點，越來越多的企業(yè)都已經(jīng)開始使用建筑信息模型BIM技術(shù)。BIM技術(shù)的應(yīng)用開始于美國，由美國總務(wù)管理局在2003 年推出了國家3D-4D-BIM計劃，并陸續(xù)發(fā)布了系列BIM指南，之后在其它的國家如歐洲、日本、韓國等也得到了迅速的發(fā)展。中國的建筑行業(yè)對于BIM技術(shù)的應(yīng)用也始于2003年，十二五期間住建部將BIM技術(shù)列為重點推廣技術(shù)，國內(nèi)也有很多著明的工程引進了BIM技術(shù)，如北京奧運會水立方館、上海世博會德國國家館、中央音樂學(xué)院音樂廳等。雖然近幾年BIM技術(shù)也得到了不斷的推廣，但是目前使用者還是以小部分的設(shè)計單位為主，就BIM技術(shù)的使用的深度和廣度來說，目前也還只是剛剛起步[4]。

一、BIM在國內(nèi)外高校的教學(xué)改革現(xiàn)狀

盡管BIM技術(shù)已在建筑行業(yè)得到廣泛的認可，而且企業(yè)也意識到BIM技術(shù)能夠簡化施工的過程，節(jié)約企業(yè)的時間和成本，但是由于BIM技能人才的缺乏限制了這些企業(yè)對BIM技術(shù)的使用，而缺乏足夠的培訓(xùn)是BIM技能人才缺乏的最主要原因。在新的技術(shù)變革和創(chuàng)新的傳播中高校發(fā)揮了其突出的作用，尤其是在建筑領(lǐng)域，高等教育的教師應(yīng)該是教育改革的關(guān)鍵因素，在變革的過程中通過對學(xué)生進行BIM技術(shù)的基礎(chǔ)性訓(xùn)練完成知識的傳播。

BIM技術(shù)改變著現(xiàn)代土木工程的構(gòu)建方式。這種新興的技術(shù)需要新的思維和技術(shù)技能，以實現(xiàn)它的效率性和成本控制性。土木工程的高等教育多年來作為建筑行業(yè)主要的人才培養(yǎng)基地，為建筑企業(yè)的人才輸送發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。在高等教育中進行BIM技能的教育不僅能夠降低建設(shè)企業(yè)BIM技能培訓(xùn)的成本負擔(dān)，也能夠更高效、更大范圍的為企業(yè)培養(yǎng)出擁有BIM技能的儲備人才。在土木工程的高等教育中，學(xué)生作為受教育的主體，必須掌握先進技術(shù)的使用技能，他們才會成為這個行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者和先行者。學(xué)生只有掌握了BIM這一新興的技能，他們才會在未來的工作中更具有競爭力,更加受到建筑企業(yè)的歡迎。

將BIM課程引入到高等教育中，歐美國家走到了我們的前面。20世紀90年代，美國的喬治亞理工學(xué)院就開始研究BIM技術(shù)了，它們成立了BIM建筑學(xué)院，提供了相關(guān)的課程，專注于對特定的行業(yè)進行BIM軟件開發(fā)。而大部份的美國高校引進BIM課程是在2003開始的，截至2012年，將近103所高校開設(shè)了BIM課程[5]。相對于發(fā)達國家，國內(nèi)的高校在BIM技術(shù)的教育還處在探索階段，只有少數(shù)的高校開設(shè)了BIM的相關(guān)課程，如，哈爾濱工業(yè)大學(xué)開設(shè)BIM技術(shù)應(yīng)用課程，北京工業(yè)大學(xué)開設(shè)了BIM創(chuàng)新實踐課和選修課，大連理工大學(xué)在畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)開設(shè)了BIM方向，大連民族學(xué)院開設(shè)了BIM實驗選修課程[6]。

二、土木工程專業(yè)BIM教學(xué)體系改革

1.BIM課程體系的教學(xué)目標

課程教學(xué)體系目標的確定是新課程建立最為重要的階段，因為它體現(xiàn)了學(xué)生在完成該課程后需要了解、理解、掌握、運用的知識。課程目標的確立需考慮許多的因素，比如：建筑業(yè)中BIM技術(shù)的使用給企業(yè)帶來的機遇和挑戰(zhàn)；BIM在建筑企業(yè)中的應(yīng)用情況；在建筑業(yè)中BIM教育的情況；建筑企業(yè)的BIM技術(shù)人才要求。綜合考慮上述因素，結(jié)合高校專業(yè)發(fā)展的規(guī)劃特點，形成各自專業(yè)特色的課程體系目標。如美國的德克薩斯A&M大學(xué)，建立了BIM專題課程，其教學(xué)目標涵蓋了BIM從設(shè)計到設(shè)備管理的建筑生命全周期內(nèi)的應(yīng)用、原理和方法，主題包括計算機輔助設(shè)計、參數(shù)化建模、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、設(shè)計性能仿真和可視化等。美國的華盛頓大學(xué)，開設(shè)了項目管理理念課程，其教學(xué)目標包括可視化、三維碰撞檢測、制造自動化、數(shù)字化的現(xiàn)場布置、4D模型、竣工模型生成和利用BIM進行數(shù)字化信息管理，探討如何利用可視化和信息技術(shù)進行項目的策劃與執(zhí)行[7]。

2.BIM課程教學(xué)體系的建立

由于BIM具有很好的交互性和更高的繪圖效率、各專業(yè)的相互協(xié)作性，所以BIM技術(shù)的學(xué)習(xí)必須通過一整個課程體系，國外常見的課程設(shè)置方法有新開設(shè)BIM課程和在現(xiàn)有的專業(yè)課程中植入BIM兩種。BIM課程體系應(yīng)根據(jù)不同的教學(xué)目標、不同的專業(yè)特點進行設(shè)置。BIM的應(yīng)用能力包括BIM軟件的操作能力和工程技術(shù)能力，國內(nèi)土木工程本科專業(yè)人才培養(yǎng)方案一般在低年級主要學(xué)習(xí)基礎(chǔ)課程，進入三、四年級才進入主要的專業(yè)課學(xué)習(xí)。故在BIM課程體系的設(shè)置上，在低年級應(yīng)主要學(xué)習(xí)BIM的初級知識，包括BIM的發(fā)展歷史和趨勢、BIM的定義和概念、常用的基礎(chǔ)的BIM軟件(包括Navisworks,Revit,Bentleyt和GoogleSketchUp)的建模、一些建筑構(gòu)件的參數(shù)化建模等等。而在進入高年級時，應(yīng)注重將BIM和專業(yè)知識體系整合起來，把BIM植入到不同的專業(yè)課程里，使學(xué)生更加全面深刻的掌握BIM知識。

BIM的可視化信息技術(shù)包括3D、4D和5D三種。3D主要是通過三維空間的方式表述建筑構(gòu)件模型，包括建筑的整體效果、構(gòu)件的大小形狀、以及構(gòu)件的材料組成等，通過3D技術(shù)可以實現(xiàn)建筑三維的可視化、構(gòu)件材料信息的數(shù)字化、三維的碰撞檢測。并且通過BIM的3D技術(shù)，可以直接生成用戶所需要的建筑的效果圖、立面圖、斷面圖等傳統(tǒng)2D表示的圖紙，最為效率的是當3D模型修改時，這些圖紙能夠自動更新。學(xué)生利用3D的模塊能夠?qū)ㄖ?gòu)件的形狀和特點更加直觀的認識，特別是一些建筑的細節(jié)，比如梁、柱的配筋構(gòu)造特點等。而4D技術(shù)是在3D技術(shù)的基礎(chǔ)上增加了時間的維度，能夠模擬建筑工程的施工過程，從而對施工過程進行模擬和控制。通過4D模擬施工過程，學(xué)生對建筑施工的流程更有深刻的認識。而5D是在4D的基礎(chǔ)上加上成本的維度，通過5D的技術(shù)，不僅能夠進行建筑工程的預(yù)算，且能夠?qū)こ踢M行動態(tài)的成本管理，從而實現(xiàn)虛擬施工模型[8]。

通過以上分析，本文建立了土木工程專業(yè)的BIM課程體系如表 1。在這些課程中除了傳統(tǒng)的由教師課堂講授的方法，還應(yīng)采用實踐教學(xué)、行業(yè)專家講授的方式。實踐教學(xué)的方式可通過課程設(shè)計或上機實踐方式相結(jié)合，能使學(xué)生更加熟練的掌握BIM的知識，包括建筑模型的建立、工程施工模擬、日照節(jié)能分析、三維碰撞檢測、數(shù)字化的現(xiàn)場建模、工程量計算和施工性審查等。而行業(yè)專家講授方式是通過聘請行業(yè)內(nèi)擁有豐富的BIM技術(shù)使用的多年經(jīng)驗，結(jié)合其在實際工程中遇到的典型案例和相關(guān)的經(jīng)驗，彌補學(xué)生在校內(nèi)工程經(jīng)驗的不足，使學(xué)生更高效的掌握BIM技能。

表1　土木工程專業(yè)的BIM課程體系

3.跨學(xué)科協(xié)同課程的設(shè)置

建筑工程設(shè)計和施工過程涉及到許多不同的主體，這些不同的主體包括業(yè)主、建筑設(shè)計師、結(jié)構(gòu)設(shè)計師、項目經(jīng)理、水電工程設(shè)計師、設(shè)備工程師、現(xiàn)場管理人員、監(jiān)理工程師、施工方、機械工程師等。在實際工程中，各主體之間的配合非常復(fù)雜，且效率低下。學(xué)生很難去弄懂實際工程中項目真正的構(gòu)建過程。

BIM擁有一項強大模塊就是協(xié)同工作，通過協(xié)同工作能使不同專業(yè)的設(shè)計師能夠?qū)崿F(xiàn)直觀的三維顯示溝通，動態(tài)更新修改后的模型。通過建立BIM跨學(xué)科協(xié)同課程使學(xué)生能夠?qū)ㄖ?gòu)造的實際的工作流程更加直觀的了解，使學(xué)生在專業(yè)知識上的學(xué)習(xí)更加有效率?？鐚W(xué)科課程相對于單一的課程來說更加的復(fù)雜，因為它需要把不同學(xué)科的專業(yè)知識都整合在一起，而不同學(xué)科的專業(yè)特點、教學(xué)目標、課程安排都不一樣，這就需要成立相關(guān)部門對不同學(xué)科的課程設(shè)置進行統(tǒng)籌的考慮與安排。

4.BIM師資隊伍的建設(shè)

BIM教學(xué)體系建立的重點在于與體系內(nèi)相關(guān)課程的植入，這就要求相關(guān)課程的教師都能夠掌握相應(yīng)的BIM知識和相關(guān)工程經(jīng)驗，而BIM技術(shù)在國內(nèi)剛處在推廣階段，大部分的老師對其都不太熟悉，所以BIM課程體系建立的第一重點便是BIM師資隊伍的建設(shè)。應(yīng)成立BIM技術(shù)教學(xué)研究中心對相關(guān)教師進行相關(guān)培訓(xùn)，同時也可通過訪學(xué)、進修、攻讀學(xué)位和接受社會培訓(xùn)的方式使得相關(guān)教師的BIM技能得到不斷提升。

三、結(jié)語

本文研究的目的是為在土木工程專業(yè)中開發(fā)一個基于BIM技術(shù)教學(xué)的新課程體系提供向?qū)?，目的是在本科的教學(xué)過程中，更有效率的傳授BIM的知識和技能，培養(yǎng)更多的BIM技術(shù)人才，以適應(yīng)建筑企業(yè)對BIM人才的需求。而限制BIM在高等院校人才培養(yǎng)的一個重要的障礙就是它需要相當?shù)墓こ探?jīng)驗，而這在短短的四年的本科教育中是不可實現(xiàn)的，所以BIM技術(shù)人才的培養(yǎng)不能停止在本科教育，它也需要社會企業(yè)加大相應(yīng)BIM技能培訓(xùn)，為BIM技術(shù)人才的培養(yǎng)提供支持。

參考文獻:

[1]EastmanC,AndOthers.AnOutlineoftheBuildingDescriptionSystem.ResearchReportNo. 50.[R].ArchitecturalDrafting，1974.23.

[2]NationalInstituteofBuildingSciences.UnitedStatesNationalBuildingInformationModelingStandard[S].

[3]AzharS.BuildingInformationModeling(BIM):Trends,Benefits,Risks,andChallengesfortheAECIndustry[J].Leadership&ManagementinEngineering，2011, 11(3): 241～252.

[4] 何清華，錢麗麗，段運峰，等.BIM在國內(nèi)外應(yīng)用的現(xiàn)狀及障礙研究[J]. 工程管理學(xué)報，2012，(1): 12～16.

[5]BarisonMB,ETSantos.BIMteachingstrategies:anoverviewofthecurrentapproaches[C].Notringham:ProceedingoftheLnternationalConforenceComputinginCivilandBuildingEnginecering,2010.

[6] 郝麗.BIM技術(shù)融入高校工程類專業(yè)教學(xué)的應(yīng)用研究[J]. 土木建筑工程信息技術(shù)，2015，(4): 108～111.

[7]YongHA,ChoCS,LeeN.BuildingInformationModeling:SystematicCourseDevelopmentforUndergraduateConstructionStudents[J].JournalofProfessionalIssuesinEngineeringEducation&Practice，2013, 139(4): 290～300.

[8] 張尚，任宏，AlbertP.C.Chan.BIM的工程管理教學(xué)改革問題研究(二)——BIM教學(xué)改革的作用、規(guī)劃與建議[J]. 建筑經(jīng)濟，2015，(2): 92～96.

文章編號：2095-4654(2016)04-0074-04

收稿日期：2016-02-23

基金項目：福建省教育廳社科A類項目(JAS14759) ；莆田學(xué)院教改項目(JG201432)

中圖分類號：G642.0

文獻標識碼：A