孔綱強， 沈 揚， 豐土根， 崔春義， 姚 芬

（1.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，南京210024；2.大連海事大學交通運輸工程學院，遼寧大連116026；3.采薇君華教育科技南通有限公司，江蘇南通226000）

0 引 言

工程建設(shè)行業(yè)是高危行業(yè)，每年發(fā)生的安全事故僅次于煤炭行業(yè)；然而，高校教育教學中存在專業(yè)性的實訓單位難找、實訓成本高、實訓實驗室條件差等問題［1］。土木工程專業(yè)又具有突出的實踐性和應(yīng)用性特點，使得在教學過程中必須通過實習和實訓，才能使學生將所學知識和技能掌握。缺少必要的實訓軟件和實踐基地，將嚴重影響教學質(zhì)量和學生的綜合素質(zhì)培養(yǎng)［2-4］。

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）作為工程建筑行業(yè)的一項新技術(shù)，近年來也逐漸應(yīng)用到地下空間開發(fā)的可視化和交互式設(shè)計與施工中［5］。BIM技術(shù)在政府有關(guān)部門的推動下，設(shè)計與施工企業(yè)、高校、科研機構(gòu)等逐漸開始應(yīng)用BIM 技術(shù)并對其進行探索。精細化建筑工程信息化建設(shè)一體化實訓BIM實驗室，可以讓學生在進行實際操作之前，先熟知操作方法和工藝步驟，提高學生面向真實工程項目的信心，降低出錯率、保障學生安全［6-7］?；贐IM技術(shù)的實驗室，不受場地和時間的限制，能夠幫助學生較系統(tǒng)地進行學習，對于學校而言能有效降低育人成本，這是土木工程等相關(guān)專業(yè)教育發(fā)展的趨勢［8-9］。

因此，基于BIM技術(shù)的構(gòu)建了工程虛擬仿真實驗室，并將其應(yīng)用于新興能源地下結(jié)構(gòu)與工程專業(yè)分支實踐課程教學。為滿足高等教育新工科建設(shè)中的相關(guān)培養(yǎng)要求，革新傳統(tǒng)教學方式、拓寬學生的知識面、提高土木工程等相關(guān)專業(yè)人才的綜合素質(zhì)提供技術(shù)支撐。

1 建設(shè)BIM實驗室的必要性

1.1 能源地下結(jié)構(gòu)與工程

“十三五”規(guī)劃中明確指出，要加強淺層地溫能、地下空間的開發(fā)利用，地下空間開發(fā)與利用更是上升到國家戰(zhàn)略需求層面；能源地下結(jié)構(gòu)，是將地下結(jié)構(gòu)（樁基、隧道等）與淺層地溫能開發(fā)與利用有機結(jié)合在一起的新型技術(shù)（見圖1）［10］；具有提供支撐荷載和淺層地溫能傳遞雙重功能［11-12］；不僅需要進行結(jié)構(gòu)安全性能設(shè)計、而且需要進行能量供給與利用設(shè)計（包括熱泵設(shè)備、熱需求量等）；同時循環(huán)溫度作用導(dǎo)致地下結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力和變形。地下結(jié)構(gòu)力學特性、淺層地溫能傳熱特性分屬于土木工程和建筑暖通等兩個不同專業(yè)。因此，開展基于BIM技術(shù)的能源地下結(jié)構(gòu)與工程實驗室建設(shè)與教學實踐顯得非常迫切。

圖1 能源地下結(jié)構(gòu)［10］

1.2 傳統(tǒng)地下結(jié)構(gòu)專業(yè)方向教學的不足

目前傳統(tǒng)的地下結(jié)構(gòu)專業(yè)方向教學往往采用課堂講授和課外實踐相結(jié)合的方法；這種方法存在著諸多不足：

（1）教學過程中課時設(shè)置相對不夠完善，課堂理論知識教授學時相對偏多、課外實踐實訓時間相對不足。

（2）理論知識講授與實踐實訓時間脫節(jié)；學生因缺乏實踐經(jīng)驗對教師的講授內(nèi)容不易理解，興趣缺乏；因?qū)嵙晻r間的限制或工程進展，學生無法參與整個工程建設(shè)。

（3）校內(nèi)實驗室實訓功能與校外工地實訓培養(yǎng)互補性不夠；校內(nèi)實驗室配套軟硬件設(shè)施不足，校外實訓過程只能觀察到具體某一個時段的施工過程，無法參與施工方案設(shè)計等全過程，無法達到對學生全過程、全方位的培養(yǎng)目標。

（4）教育教學考核形式單一，理論知識點死記硬背式的考試考核、課程設(shè)計草草了事和現(xiàn)場實習走馬觀花，不足以良好地考核學生的創(chuàng)新能力。

因此，建設(shè)能源地下結(jié)構(gòu)與工程一體化實訓實驗室，以虛擬項目任務(wù)驅(qū)動教學，以BIM平臺輔助，加以能源地下結(jié)構(gòu)教學演示模型，充實工程施工課程的知識要點，改進教學方法，打破以往“先教后學”的模式，激發(fā)學生的自主學習意識，實現(xiàn)課堂部分翻轉(zhuǎn)，并通過網(wǎng)絡(luò)教學平臺檢驗教學效果、收集反饋意見，不斷改進與提高。

1.3 能源地下結(jié)構(gòu)與工程BIM實驗室建設(shè)目的

借助虛實結(jié)合技術(shù)、依托仿真實訓的“理虛實做”一體化模式，建立能源地下結(jié)構(gòu)施工技術(shù)規(guī)劃、有限元模擬、設(shè)計理論、BIM技術(shù)及其應(yīng)用，研發(fā)一種信息化、一體化能源地下結(jié)構(gòu)教育系統(tǒng)，積極響應(yīng)教育部行動方案，從國家戰(zhàn)略的高度、行業(yè)發(fā)展的趨勢、企業(yè)實際需求的角度出發(fā)，培養(yǎng)懂理論、能實踐的高素質(zhì)學生，建設(shè)基于BIM平臺的虛擬仿真實驗室，最終解決能源地下結(jié)構(gòu)建筑產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)薄弱、專業(yè)人才培養(yǎng)不足的問題。為教學工作的開展提供一個良好的基礎(chǔ)，提高學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)及設(shè)計大賽等方面競爭力，為國家的土木工程事業(yè)的發(fā)展培養(yǎng)輸送源源不斷的人才。

積極尋求教學內(nèi)容創(chuàng)新和課程體系改革，不斷探索新的教學方法，以能源地下結(jié)構(gòu)教學演示模型為依托，借助BIM技術(shù)與實體教學模型聯(lián)動應(yīng)用，著力于研究能源地下結(jié)構(gòu)施工技術(shù)規(guī)劃、有限元模擬、設(shè)計理論、BIM 技術(shù)及其應(yīng)用、實踐基地建設(shè)的相關(guān)問題，著力建設(shè)基于BIM平臺的虛擬仿真實驗室。

2 能源地下結(jié)構(gòu)與工程BIM實驗室建設(shè)內(nèi)容

2.1 建立仿真模擬模型

以BIM技術(shù)為核心，建立BIM 模型、力學仿真分析、施工全過程模擬與成本控制的有效結(jié)合。

（1）建立有限元分析模型。在物理模型試驗中，很多地方無法達到理想狀態(tài)，如對換熱管接頭與彎度等。因而，按照物理試驗?zāi)Ｐ蛥?shù)進行有限元模型的建立并對其進行數(shù)值分析是有必要的。在模擬中，建立能源地下結(jié)構(gòu)的Abaqus模型和Comsol模型進行分析（見圖2）。

圖2 能量樁有限元模型圖［12］（m）

利用軟件可對能源地下結(jié)構(gòu)模型進行水化熱分析、熱力學特性分析。對能源地下結(jié)構(gòu)模型進行準確的分析和設(shè)計，為后期對能源地下結(jié)構(gòu)模型的整體優(yōu)化提供了便利。一方面用于本科生的學習，另一方面運用于科研工作。有限元模型與實體能源地下結(jié)構(gòu)模型進行多方面對比學習，培養(yǎng)學生自主探究的能力。為大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃和專業(yè)技能等級大賽等提供基礎(chǔ)。

（2）建立可視化施工控制應(yīng)用實踐框架。①以能量樁模型設(shè)計CAD 圖形為基礎(chǔ)，采用Revit 軟件分別建立與能量樁各構(gòu)件相對應(yīng)的核心構(gòu)件族庫，再根據(jù)各構(gòu)件的平面坐標及空間關(guān)系修改參數(shù)后拼組形成建筑樁基礎(chǔ)的核心BIM 模型。②確定能量樁所受到的荷載組合與初始應(yīng)力，方便下一步對能量樁模型進行結(jié)構(gòu)分析，荷載具體包括上部建筑荷載、溫度荷載。③基于BIM模型的坐標參數(shù)，在Abaqus中建立模型，并用未知反力荷載系數(shù)法求出在自重狀態(tài)下能量樁的應(yīng)力，進行整體結(jié)構(gòu)分析。④施工全過程模擬，將BIM模型導(dǎo)入Navisworks 軟件中，利用Timeliner 與視點命令將模型構(gòu)件與時間維度相和空間視點關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)施工過程的4D模擬。⑤成本控制，利用Revit軟件中的統(tǒng)計明細表命令確定施工的方法與施工量，對能量樁進行成本分析。

2.2 建設(shè)虛擬現(xiàn)實交互式仿真模擬實訓實驗平臺

（1）實驗平臺的建設(shè)。虛擬實驗室是指由虛擬現(xiàn)實技術(shù)生成的虛擬實驗系統(tǒng)，包括實驗室環(huán)境、實驗儀器設(shè)備、實驗對象以及實驗信息資源等。利用虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)，建立能源地下結(jié)構(gòu)與工程虛擬實驗室，為本科生進實驗室、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練工作的開展提供良好的基礎(chǔ)。

虛擬實驗室的功能主要包括：①學習目標明確，能夠很好地契合教學課程體系的改革方案。②以專業(yè)知識為基礎(chǔ)，以工程實際為背景，結(jié)合實際工程對能源地下結(jié)構(gòu)進行講解，包括設(shè)計圖紙、施工方案、工程規(guī)范、施工圖片以及施工視頻等。③對能源地下結(jié)構(gòu)進行模型化，提取出其主體結(jié)構(gòu)，建立虛擬實訓模塊，能夠模擬能源地下結(jié)構(gòu)各部分結(jié)構(gòu)的施工過程，展示工程材料和機械設(shè)備。④對能源地下結(jié)構(gòu)的各主體結(jié)構(gòu)進行詳盡的介紹，主要包括設(shè)計原理、受力原則、施工過程、結(jié)構(gòu)形式等方面。⑤能夠與虛擬仿真技術(shù)結(jié)合，在虛擬實驗室中可以展現(xiàn)有限元相關(guān)知識，并且可以展現(xiàn)各種虛擬仿真的場景。例如，可以展現(xiàn)基于能量樁橋面除冰的動畫過程和虛擬仿真結(jié)果，將生活實際與虛擬仿真相結(jié)合（見圖3）。

圖3 能量樁橋面除冰融雪系統(tǒng)BIM模型圖

（2）虛擬實訓基地的建設(shè)。隨著科技的進步，新設(shè)備、新網(wǎng)絡(luò)等不斷涌現(xiàn)；物理實驗室往往無法隨時更新新產(chǎn)品、淘汰近期購置的產(chǎn)品，從而限制新技術(shù)的教學與傳播。BIM虛擬實驗室則不同，可以通過軟件的更新來彌補這一問題；既省錢又省事，還能讓學生及時學習到最新知識和技能。虛擬現(xiàn)實可以使學生在虛擬學習環(huán)境中扮演角色，有利于學生各種技能訓練。可以反復(fù)操作控制設(shè)備，學習在生產(chǎn)過程中的各個環(huán)節(jié)，通過反復(fù)訓練，達到熟練掌握技術(shù)目的。

2.3 建立能源地下結(jié)構(gòu)實驗?zāi)Ｐ团c實踐基地

依托能源巖土國際合作聯(lián)合研究中心，建立能源地下結(jié)構(gòu)實驗?zāi)Ｐ突?，供學生參觀學習、實踐操作、以及創(chuàng)新訓練。學習西方先進技術(shù)和理念，提升實驗?zāi)Ｐ突c品位；結(jié)合“一帶一路”項目，積極輸入智力和技術(shù)。通過校企合作，進一步挖掘?qū)嶒炇夷Ｐ偷臐摿?，充分利用實驗?zāi)Ｐ?，有力地支持本科教學和科研工作。

3 BIM在能源地下結(jié)構(gòu)與工程中的教學實踐

BIM實驗室以計算機、互聯(lián)網(wǎng)＋等硬件環(huán)境為依托，繪圖軟件（AutoCAD 等）、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)（VR）、增強現(xiàn)實系統(tǒng)（AR）和混合現(xiàn)實系統(tǒng)（MR）等軟件運用為載體，教學師資終生培訓為保障，開設(shè)能源地下結(jié)構(gòu)與工程實踐課程教學。依托能源地下結(jié)構(gòu)與工程BIM實驗室，將BIM 技術(shù)引入課程教學與工程實踐，為進一步推進結(jié)合課程有效使用實訓設(shè)備打下堅實的基礎(chǔ)。

3.1 創(chuàng)建“電子工地”與“智慧工地”

BIM實驗室收集整理工程建筑行業(yè)獲得的代表性工程案例資料，根據(jù)課程教學需求進行篩選，并基于Autodesk Civil 3D軟件等進行三維地層、地下結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建；從項目規(guī)劃、建筑設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工組織、機電安裝、裝修裝飾等方面全過程進行模擬控制；依托高校強大的科研實力，基于Abaqus等有限元軟件，建立能源地下結(jié)構(gòu)熱力耦合特性數(shù)值分析模型。

通過與企業(yè)合作，利用企業(yè)在BIM 技術(shù)方面的優(yōu)勢，聯(lián)合制定虛擬仿真教學內(nèi)容和教學計劃安排，契合企業(yè)對BIM人才的技能需求。

3.2 實踐教學形式與內(nèi)容

基于BIM技術(shù)應(yīng)用，整合土木工程和建筑暖通兩個專業(yè)中的專業(yè)知識模板，形成以BIM為主線的教學體系，以滿足能源地下結(jié)構(gòu)與工程中受力、換熱兩大塊內(nèi)容的設(shè)計需求。制定符合本專業(yè)學生培養(yǎng)的BIM實踐教學內(nèi)容與形式：

（1）BIM理論知識課堂教學與實驗案例教學相結(jié)合。BIM理論知識主要包括原理、理論架構(gòu)體系、專業(yè)建模技術(shù)以及應(yīng)用。以案例分析為依托，開展實踐實驗教學。

（2）聯(lián)合BIM 領(lǐng)域國內(nèi)外專家、知名企業(yè)，開展BIM短期實訓、前沿技術(shù)講座以及學術(shù)沙龍等活動。拓展師生知識面、啟發(fā)學生的思考、激勵學習和應(yīng)用興趣。

（3）以賽促學，積極組織參加BIM 技術(shù)應(yīng)用相關(guān)國內(nèi)外賽事。通過專業(yè)性賽事，促使學生了解國內(nèi)外相關(guān)研究進展，激發(fā)探索未知的好奇心，從而提升理論知識水平和實踐解決問題的創(chuàng)新能力。

（4）課程采用“1 ＋1 ＋1”授課、考核、實踐三者結(jié)合的教學模式，將該課程與創(chuàng)新型教學方案聯(lián)為一體，真正實現(xiàn)將課堂還給學生，把教學用于實際的現(xiàn)代化教學理念。授課采用“虛實結(jié)合”的方法，提高學習效率、提升教學水平、節(jié)約教學資源；考核采用傳統(tǒng)答卷考核與課程設(shè)計結(jié)合的方案，理論與操作雙重考核，符合軟件教學特點，利于軟件教學開展；在實踐上，將該課程與畢業(yè)設(shè)計牢牢掛鉤，達到學有所用、學有所長、學以致用的目的，讓學生帶著目的去學習，有效提升了學生學習的積極性。

3.3 完善課程教學大綱、優(yōu)化師資力量

通過不斷教學探索與實踐，編制能源地下結(jié)構(gòu)與工程實踐課程大綱和BIM操作指南，方便學生盡快掌握相關(guān)實際操作、提高課堂教學效率。教學大綱不僅體現(xiàn)標準化、模塊化，而且強調(diào)探索性和可拓展性；以適應(yīng)培養(yǎng)不同基礎(chǔ)和能力的學生。從土木工程軟件應(yīng)用與實踐、施工組織和能源地下結(jié)構(gòu)施工技術(shù)入手，逐步在課程中融合BIM 技術(shù)。BIM 實驗室設(shè)置專職教師崗位，強化任課教師的知識更新和培訓工作。

3.4 校企合作共建校外BIM實踐教學平臺

基于對國內(nèi)外BIM 領(lǐng)域人才培養(yǎng)問題的長期調(diào)研，與BIM在全生命周期中各主要方向的龍頭企業(yè)、教育先行單位、國內(nèi)外專家攜手，共同打造出了集BIM專業(yè)領(lǐng)域知識轉(zhuǎn)移、BIM教育資源整合、BIM教學培訓支持、BIM人才職場支持和人才能力評估五大功能為一體的BIM教育院校支持平臺，平臺將BIM領(lǐng)域的知識、專家、課程、服務(wù)和評估五大體系科學融合，將BIM

領(lǐng)域的產(chǎn)教融合落到了實處，帶進院校。利用龍頭企業(yè)在BIM技術(shù)、軟硬件條件以及實際工程案例優(yōu)勢，拓寬實踐教學資源。聯(lián)合龍頭企業(yè)成立協(xié)同創(chuàng)新中心或產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，服務(wù)國家戰(zhàn)略需求，不斷增加BIM 人才的數(shù)量，提高BIM 人才的培養(yǎng)質(zhì)量，培養(yǎng)出符合企業(yè)需求的BIM專業(yè)人才，為國家基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建貢獻高技術(shù)人才。

4 特色與創(chuàng)新

4.1 開設(shè)交叉學科實踐課程

能源地下結(jié)構(gòu)與工程，涉及溫度場、應(yīng)力場和滲流場等THM多場耦合問題，是結(jié)構(gòu)力學、流體力學、土力學、材料力學等多學科交叉。既是對學生多門專業(yè)基礎(chǔ)課程學習的檢驗，又是多學科交叉融合的實踐。該課程的開設(shè)對培養(yǎng)學生綜合素質(zhì)、提升就業(yè)競爭力大有裨益。

4.2 依托科研平臺，提升實踐教學水平

借助學校巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室為建立能源地下結(jié)構(gòu)實驗平臺提供場地等條件，進行實驗建設(shè)，完善實驗室內(nèi)容，配合學校的教學科研工作，采購相應(yīng)的儀器設(shè)備，來完善能源地下結(jié)構(gòu)的實驗平臺。

4.3 構(gòu)建新工科校企多方協(xié)同育人平臺

積極響應(yīng)教育部的“產(chǎn)學合作、協(xié)同育人”的號召，努力探索產(chǎn)學研結(jié)合的新模式、深入教學內(nèi)容和課程體系改革，不斷探索新的教學方法，充分發(fā)揮校企合作優(yōu)勢，提高教育質(zhì)量。構(gòu)建新工科多企業(yè)參與的協(xié)同育人平臺。積極調(diào)研國內(nèi)相關(guān)制造商，組織專家組走訪多家具有創(chuàng)新實踐能力與技術(shù)的意向合作企業(yè)，并就合作意向及辦學理念同選定企業(yè)進行磋商，旨在引進大型教學設(shè)備創(chuàng)新實踐課程體系改革。同時，本專業(yè)充分調(diào)動學生主觀能動性，完成多個由學生自主設(shè)計的本科教學創(chuàng)新實踐試驗活動，并結(jié)合學生實訓狀態(tài)、課程學習計劃等討論研究相關(guān)的實踐試驗教學。最終，在與企業(yè)合作的基礎(chǔ)上完成協(xié)同育人平臺的建設(shè)。由此實現(xiàn)校企協(xié)同育人的宗旨。

5 結(jié) 語

面向國家戰(zhàn)略需求，融合地下空間開發(fā)與淺層地溫能利用技術(shù)，能源地下結(jié)構(gòu)方向未來大有可為；開設(shè)能源地下結(jié)構(gòu)與工程BIM實踐課程，提升學生綜合素質(zhì)迫在眉睫。在BIM 技術(shù)在工程建筑領(lǐng)域快速應(yīng)用的前提下，行業(yè)對BIM 技術(shù)人才需求量逐年攀升，需要高校在教育教學、人才培養(yǎng)上適時調(diào)整，加強在BIM 技術(shù)理論知識和實踐操作能力上的投入。建立能源地下結(jié)構(gòu)BIM實驗室，正逢時候；推進BIM 技術(shù)在課程體系中的實踐應(yīng)用，拓寬學生的知識面、提高學生的BIM技能，為我國實現(xiàn)“土木工程強國”提供人才支撐。