許 福 屠夢成 李強偉 張藝源

(湘潭大學 土木工程與力學學院，湘潭 411105)

引言

建筑信息模型(BIM，Building Information Modeling)是計算機輔助設計技術出現(xiàn)后建設工程領域又一重要的技術創(chuàng)新。BIM利用數(shù)字化技術表達建設項目幾何、物理和功能信息以支持工程項目全生命期設計、建造、運行、維護的技術、方法和過程。BIM對整個工程建設領域帶來了前所未有的沖擊和影響。

2011年發(fā)布的《2011-2015建筑業(yè)信息發(fā)展綱要》中明確把BIM作為支撐行業(yè)產業(yè)升級的核心技術重點發(fā)展； 2012年國家啟動BIM標準體系建設，包括統(tǒng)一標準、基礎標準、執(zhí)行標準在內的7部標準開始編制； 2014年7月，《關于推進建筑業(yè)發(fā)展和改革的若干意見》提出推進BIM在工程設計、施工和運行維護階段全過程的應用； 2015年6月《關于推進建筑信息模型應用的指導意見》明確了BIM發(fā)展目標和各方的重要工作，極大地促進了BIM的發(fā)展； 2016年8月發(fā)布的《2016-2020建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》提出，全面提高建筑業(yè)信息化水平，著力增強BIM、大數(shù)據、智能化、移動通訊、云計算、物聯(lián)網等信息技術集成應用能力，建筑業(yè)數(shù)字化、網絡化、智能化取得突破性進展，初步建成一體化行業(yè)監(jiān)管和服務平臺，數(shù)據資源利用水平和信息服務能力明顯提升，形成一批具有較強信息技術創(chuàng)新能力、信息化應用達到國際先進水平的建筑企業(yè)和具有關鍵自主知識產權的建筑業(yè)信息技術企業(yè)； 2017年2月，國務院辦公廳印發(fā)《關于促進建筑業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的意見》，意見指出加快推進BIM技術在規(guī)劃、勘察、設計、施工和運營維護全過程的集成應用。截至目前，《建筑工程信息模型應用統(tǒng)一標準》(GB/T 51212- 2016)《建筑工程設計信息模型分類和編碼標準》(GB/T 51269- 2017)《建筑工程設計信息模型交付標準》(GB/T 51301-2018)等相關國家和行業(yè)標準相繼發(fā)布，《建筑信息模型存儲標準》即將出臺。BIM在工程建設領域的重要角色已經充分體現(xiàn)，從業(yè)者掌握BIM已是大勢所趨。

土木工程專業(yè)現(xiàn)有的課程體系中，與計算機技術有關的大部分課程如計算機圖形學或CAD繪圖、計算機輔助結構設計、工程管理等雖然在人才培養(yǎng)特別是實踐環(huán)節(jié)發(fā)揮了重要作用，但市場對于BIM人才的需求，已經使得無BIM課程體系難以滿足行業(yè)進步對于人才培養(yǎng)的需求。近年來，全國大部分應用型本科、專科、高職等性質的學校已經相繼針對學生學習BIM的操作技能和基本應用開設了相應的理論和實踐課程[1]。已有研究探索了BIM在工程管理[2]、建筑環(huán)境與能源應用工程[3]等相關專業(yè)中的課程體系和人才培養(yǎng)模式； 另一方面，在土木工程相關專業(yè)課程中嵌入BIM[4]或考慮以BIM作為輔助教學手段[5]的研究也為土木工程專業(yè)BIM人才培養(yǎng)提供了較好的借鑒和參考。

研究型、教研型和研教型高校和上述學校人才培養(yǎng)目標存在差異，特別是和應用型大學、高等?？圃盒５膮^(qū)別明顯。作為培養(yǎng)高級土木工程專業(yè)技術人員的部分重點本科學校，在土木工程專業(yè)認證大背景及產出導向教育(Outcome-Based Education， OBE)要求下，工程教育國際化對應的學生培養(yǎng)目標、畢業(yè)要求與課程體系密切相關，基于行業(yè)對人才BIM能力和素養(yǎng)的需求，相關的師資隊伍和支持條件及其支撐的對應課程體系建設亟待加強，因而針對這部分高校的BIM課程體系建設是當前土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)面臨的緊迫問題。

本文梳理了國內外重點高校土木工程專業(yè)BIM相關課程的建設現(xiàn)狀，重點介紹了美國相關高校及國內通過土木工程專業(yè)工程教育專業(yè)認證的高校最新的專業(yè)培養(yǎng)方案中BIM相關課程的開設情況，并總結了存在的問題，提出了相應的課程體系建設解決方案建議。

1 國內外高校土木工程專業(yè)BIM相關課程開設現(xiàn)狀

1.1 國外高校

各國政府和相關建設行業(yè)非常重視BIM的應用價值。美國高校在BIM教育方面起步較早，主要通過開設BIM相關課程、在碩士博士培養(yǎng)中設置BIM研究方向和舉辦BIM學生競賽等方式培養(yǎng)BIM人才[6]。2010年的學術調查數(shù)據結果顯示，美國超過70%的高校已經將BIM以各種方式融入課程中，沒有設置BIM相關課程的受訪者中88%計劃增設BIM課程，其中97%會于不久即將BIM納入其課程中[7]。

為進一步了解美國高校土木工程專業(yè)BIM相關課程的現(xiàn)狀，本文調研了9所美國代表性高校2020、2021學年(春、夏、秋學期)的已開設和擬開設的土木工程專業(yè)課程體系，這9所高校土木工程專業(yè)BIM課程名稱、內容及相應的學分(units)如表1所示。

通過對表1的調查結果可以看到，目前各學校土木工程專業(yè)課程體系中BIM的開設方式、學分設置以及課程內容各有不同。斯坦福大學、南加州大學、內布拉斯加大學林肯分校和加州大學伯克利分校的BIM課程開設情況較為全面，所開設的課程和學分較多，課程體系基本涵蓋了從BIM基本概念、基礎建模、參數(shù)化建模及其應用等方面的內容，一方面注重學生的基本知識獲取，同時考慮了課程的實踐教學環(huán)節(jié)，BIM課程內容貫穿整個學習過程，從基礎到高級課程，從理論到實踐教學，形成了較為完備的BIM人才培養(yǎng)課程體系； 麻省理工學院、卡內基梅隆大學的BIM課程相對集中，因而課時和學分也較高，從課程設置和授課內容來看，基本也涵蓋了從BIM基本理論、建模到項目實踐的全過程； 佐治亞理工學院、伊利諾伊大學厄本那香檳分校、德克薩斯大學奧斯汀分校的課時和學分安排相對較少，課程內容除了基本建模軟件介紹，更加側重于學生BIM理論和建模能力及在某些方面具體應用BIM的能力培養(yǎng)。

盡管上述針對美國高校土木工程專業(yè)BIM課程開設情況的調研只涉及了9所高校，但是具有一定的代表性，各高校均強調BIM建模的基本方法和理論，在此基礎上，不同高校對于BIM在土木工程領域不同環(huán)節(jié)的具體應用及應用深度的培養(yǎng)各有不同的側重點。

1.2 國內高校

表2收集整理了國內26所通過土木工程專業(yè)認證的重點高校土木工程專業(yè)BIM及相關課程的開設情況。統(tǒng)計情況包括培養(yǎng)方案制定年度、與BIM尤其是工程圖學相關的課程和學分及建議開設學期、BIM緊密課程學分、開設學期、課程性質、授課方式、畢業(yè)要求總學分和首次通過專業(yè)認證的時間。

總結表2的課程建設情況可以歸納以下特點：

表1 部分美國高校BIM相關課程開設情況

表2 國內通過工程專業(yè)認證的部分高校土木工程專業(yè)BIM及相關課程開設情況

首先，各大高校土木工程專業(yè)基本保留了傳統(tǒng)土木工程培養(yǎng)方案中的制圖類基礎課程(畫法幾何、工程圖學等)及計算機輔助設計類專業(yè)基礎課程(土木工程制圖、CAD等)。

其次，培養(yǎng)方案中，26所高校均開出了BIM類課程； 開設2門及2門以上BIM類課程的高校為4所，僅占15.4%； BIM類課程的學分總量區(qū)間為1-4學分，其中以2學分為主，BIM類課程學分約占畢業(yè)要求總學分的1%～2%； 11所高校的BIM課程開設方式為理論+上機方式，其余15所高校的BIM課程以課堂理論授課為主。

此外，BIM類課程的開設學期通常集中在大三、大四學年，一般學生已經先修了制圖類、設計類課程，部分高?；就瓿闪耸┕ゎ悺⒐芾眍愓n程。相對于必修的制圖類基礎課程和計算機輔助涉及類專業(yè)基礎課的開設門數(shù)(基本為2門及以上)和學分(3-9學分，以4-5學分為主)，BIM類課程的受重視程度明顯有一定差距。

2 BIM課程體系建設現(xiàn)狀總結及分析和討論

2.1 現(xiàn)狀總結

通過對國內外35所高校BIM課程體系的調研可以看到，相對于美國的部分高校而言，國內通過工程專業(yè)認證的各大高校最新的專業(yè)培養(yǎng)方案中，對于BIM課程的建設重視程度和開課積極性不高，量化角度看主要體現(xiàn)在對課程性質的確定(選修、必修)及課程學分權重的設置，如圖1所示。

圖1 國內26所高校BIM課程性質(a)和BIM與制圖/CAD類課程學分對比(b)

由圖1(a)可見，盡管26所高校均開出了BIM課程，但22所高校以選修的方式開出，僅有4所高校為必修方式，其中還包括南京工業(yè)大學將土木工程圖學與BIM基礎課合并開出的情況。根據筆者經驗，方向選修課如果在較晚學期開出，則學生選課的積極性不高。如筆者所在湘潭大學土木工程與力學學院土木工程專業(yè)開設“建筑信息模型BIM概論”選修課程，選課學期為第7學期，2017級土木工程學生總人數(shù)為242人，最終該門課程選修人數(shù)僅40人，選課學生比例僅為16.5%。通過對學生進行問卷調查和課后訪談，學生反映未選修課程最多的兩個原因為“選修課學分已修滿”和“選修課不重要”。圖1(b)為BIM類課程與制圖/CAD類課程學分分布圖，從圖中的課時分布結果來看，目前各大高校對于學生的制圖能力培訓主要仍以傳統(tǒng)的畫法幾何、土木工程制圖、CAD等為主，一方面這類課程一般在一、二年級作為必修開設，同時配合大量的課后習題以及上機實際操作訓練提升學生的二維制圖、識圖能力。

2.2 分析及討論

綜合前述文獻綜述及調研結果可知，當前國內BIM人才培養(yǎng)現(xiàn)狀有以下幾個特點及BIM課程開出時存在的困難：

(1)高職、?？?、應用型本科院校土木工程、建筑學、工程管理等專業(yè)BIM教學開展情況較好，且多以實訓為主，部分高校甚至是以實際工程項目為主，側重于各類軟件的實際操作學習、建模及模型應用等，而其他本科類院校(研究型、教研性或研教型)BIM課程體系的建設情況和人才培養(yǎng)模式相對滯后。

(2)通過了土木工程專業(yè)認證的大部分高校的BIM課程授課形式以理論講授為主，缺乏實踐機會和實戰(zhàn)平臺，少部分有上機操作學習的高校也僅限于部分基礎建模軟件如Revit等的操作，學習目的性不明確，缺乏系統(tǒng)性。

(3)盡管大部分高校在實踐教學所需的機房建設投入較大，但針對BIM課程的軟硬件投入相對較少。部分應用型本科、專科、高職類院校建設了包含VR等在內的實訓平臺，投入了大量的人力、物力和財力用于學生培養(yǎng)，而其他高校因評價指標體系的側重點不同，加之基于BIM的科學研究大多為技術問題，且涉及多學科交叉，需要教師投入較多的時間和精力進行學習，而這部分工作往往很難得到評價指標導向的高水平、前沿性科學研究成果，這也使得軟硬件投入不足、BIM師資建設落后，難以滿足基本教學條件要求。

(4)BIM課程體系建設的標準不明確，也較難統(tǒng)一，目前的土木工程專業(yè)國家教學指導委員會尚未明確BIM對于學生培養(yǎng)定位的作用，因而難以像其他傳統(tǒng)課程一樣形成有一定共識的培養(yǎng)目標和培養(yǎng)標準。

(5)BIM是涵蓋工程全生命期的復雜的多維數(shù)據信息模型、信息集成、協(xié)同工作以及可視化等理論和技術的綜合體，學生掌握BIM需要首先了解大量的基礎專業(yè)知識、專業(yè)課程知識工程管理知識及信息化知識，學生初期培養(yǎng)的難度較大，效果也不會很明顯。因此，BIM教學不能照搬傳統(tǒng)CAD的教學模式，它既不是某個設計軟件所能代表的，也不是某種單一技術所能代表的[8]。

3 專業(yè)認證背景下土木工程專業(yè)BIM課程體系建設的建議

《華盛頓協(xié)議》是一項工程教育本科專業(yè)認證的國際互認協(xié)議，旨在建立共同認可的工程教育認證體系，實現(xiàn)各國工程教育水準的實質等效，促進工程教育質量的共同提高，為工程師資格國際互認奠定基礎。在這一大背景下，國內高校土木工程專業(yè)的BIM課程體系建設一方面應有針對性地安排相應課程并進行教學活動安排以支撐畢業(yè)要求，達到培養(yǎng)目標，體現(xiàn)OBE的基本理念； 同時，可參考國外尤其是BIM課程體系建設和教學活動開展較早的美國高校，以期符合專業(yè)認證的最根本的需求，即工程教育水準的實質等效。為此，筆者擬基于土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標及OBE理念，就課程教學內容和課程開設方式兩方面對專業(yè)認證背景下土木工程專業(yè)的BIM課程體系建設提出建議。

3.1 課程教學內容

通過對上述調研的國內26所高校土木工程專業(yè)培養(yǎng)目標，可以梳理出幾個關鍵詞，即：“基礎理論”、“專業(yè)知識”、“實踐能力”、“創(chuàng)新能力”、“組織協(xié)調”、“團隊”(概括為宏觀層面的知識、能力、素質等)和“策劃”、“勘察”、“設計”、“施工”、“管理”、“運維”(概括為具體層面的對應工程全生命期的職業(yè)技能和實踐能力)。盡管在專業(yè)認證背景下的培養(yǎng)目標為學生畢業(yè)5年左右應達成的能力，但學生在校學習的課程體系和教學過程和教學內容應能支撐畢業(yè)時的達成度，實現(xiàn)學業(yè)—就業(yè)的良好對接進而為培養(yǎng)目標的實現(xiàn)打下基礎。另一方面可以看到，培養(yǎng)目標中無論是宏觀層面還是具體層面所涉及的關鍵詞，都可與BIM的教學內容有較好的對應，如參數(shù)化建模、基于BIM的工程全生命期數(shù)字化管理等，因而，各高校可根據各自的培養(yǎng)目標，針對性地選擇設置BIM的教學內容并將具體的知識點與畢業(yè)能力要求進行矩陣對應，以支撐相應的培養(yǎng)目標對應點。同時，應注意土木工程專業(yè)認證背景下土木工程專業(yè)BIM人才培養(yǎng)目標與應用型本科、?？?、高職等院校的區(qū)別，明確人才能力培養(yǎng)不能僅僅停留在BIM軟件操作、建模能力這兩個環(huán)節(jié)，而更應該注重BIM信息的應用、BIM項目管理、BIM專業(yè)集成能力[6]以及BIM新技術、新方法的介紹和終身學習、持續(xù)改進的機制，才能真正較好地支撐畢業(yè)要求及培養(yǎng)目標?；谏鲜鰧I(yè)認證背景下培養(yǎng)目標的分析，參考國外高校及國內部分高校的培養(yǎng)方案，建議BIM課程所涉及的教學內容應涵蓋以下幾方面的內容：

(1)BIM概論：基本概念、內涵及BIM產生、發(fā)展過程和特點；

(2)BIM標準：IFC、IFD、IDM的意義和內涵及國際、國內相關BIM標準；

(3)BIM工具：BIM參數(shù)化建模、支持平臺、軟件的介紹和建?；静僮?；

(4)BIM應用：信息集成、信息交互、協(xié)同設計的基本概念和應用； BIM在工程項目全生命期各階段在各專業(yè)中的具體應用體現(xiàn)方式和實現(xiàn)；

(5)BIM價值：BIM對工程項目各參與方的價值分析與體現(xiàn)；

(6)BIM綜合：基于真實項目的BIM綜合應用；

(7)BIM未來：持續(xù)跟進行業(yè)最新發(fā)展動態(tài)，培育終身學習的方法和態(tài)度。

3.2 課程開設方式

已有研究中對BIM的課程體系建設提出了一些諸如植入式[9， 10]開新課[11]等相應的課程設置方式，并進行了相應的教學實踐，也取得了較好的教學效果。本文綜合文獻中的部分建議，結合美國高校BIM課程開設情況和國內26所高校BIM課程體系建設情況，總結以下三類課程開始方式，并分析各自的優(yōu)點和局限性，以期為各高校的BIM課程體系建設和改進提供參考。

(1)植入式

植入式是指將BIM的授課內容融合入已經開設的成熟的主干課程中，以成熟課程帶動新型內容，建議的植入方式和授課方式安排如表3所示。

表3 植入式BIM課程安排建議

不難發(fā)現(xiàn)，植入式課程體系設置中，BIM主線清晰，循序漸進，對原培養(yǎng)方案影響不大，學生理論和實訓結合，有利于提高BIM和專業(yè)理論綜合素質； 學習方式較為靈活，學習目的明確； 教學方式多樣化，有利于提高學生學習積極性。同時，學生BIM能力與市場接軌，符合人才培養(yǎng)OBE理念，因而對畢業(yè)目標和培養(yǎng)目標有較好的支撐作用。然而，植入式存在一定的難度，包括教材和參考資料、專業(yè)及專業(yè)方向各課程的連續(xù)性、連貫性及課程要求難統(tǒng)一； 對任課教師要求提高，對涉及的公共課和專業(yè)課之間的專業(yè)協(xié)同性、不同專業(yè)方向間的協(xié)調及專業(yè)要求要求較高； 對學生課堂學習能力、學習積極性、自主學習能力的要求高； 對軟、硬件條件要求高。由此可見，盡管植入式有諸多優(yōu)點，但組織難度較大，對學校的培養(yǎng)條件要求高。建議對師資充裕、專業(yè)全面的綜合性重點高?？梢越Y合自身條件及培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求進行相應的探索和實踐。

(2)替換式

替換式是指將原有課程體系中相應的課程，尤其是制圖類、軟件學習類的課程替換為BIM相關課程。主要包括將計算機繪圖軟件類課程替換為BIM建模課程，將諸如結構設計軟件應用、工程概預算軟件應用等課程替換為相應的BIM結構正向設計和協(xié)同設計及BIM5D等課程。

這種方式BIM課程相對較為集中，便于教學安排； 同時教材選擇方便，涉及調整的授課教師少； 培養(yǎng)方案調整幅度不大； 學生理論和實訓結合，有助于提高BIM和專業(yè)理論綜合素質； 學生學習難度相對而言不大。同樣地，替換式對任課教師要求高； 同時因涉及專業(yè)方向不多，不利于學生全面掌握BIM在全專業(yè)中的應用； 學生偏向于軟件操作，相對于其他類型高校土木工程專業(yè)學生的市場競爭優(yōu)勢不大。

(3)必修新課式

從前述對國內高校BIM課程體系建設現(xiàn)狀的調研結果可見，目前各大高校以選修式設置BIM課程的方式較多，這種方式的弊端是學生對選修課積極性不高，且一般選修課的課時較少，難以支撐畢業(yè)要求，因而培養(yǎng)的人才與市場和行業(yè)需求有一定距離。必修式新課式的建議是在6、7學期分別開設“BIM概論與初級建?！?2學分，16課時理論+16課時上機)、“BIM綜合應用”(2學分，4課時理論+28課時上機)兩門必修課程，總學分為4，總課時為64。這種方式與斯坦福大學、南加州大學及福州大學的課程設置相似。這種課程設置方式BIM課程集中，因而便于教材選擇和教學安排； 同樣地，所涉及的授課老師少，對原有培養(yǎng)方案影響小，學生的重視程度會大幅提升，學生學習目標明確，學習時間集中，學習進度快，有利于提高BIM理論和專業(yè)知識的結合及學生綜合素質培養(yǎng)。當然，這種方式對于任課教師的要求最高； 此外，因為涉及專業(yè)多，跨度大，所以對學生所掌握的基本理論和知識結構要求高； 盡管設置為必修課，但因為考慮到必要的選修課而將BIM課程開設的學期靠后，所以學生學習組織難度較大。針對上述問題，一方面可以通過學工協(xié)助加強學生的學習組織和課堂考勤考核，另一方面可以考慮適當安排實務部門的專家結合學校老師進行團隊授課，并可以考慮MOOC、翻轉課堂等先進的教學手段，以提高教學質量，提升學生的學習積極性。

4 結論

本文調研了9所美國典型高校土木工程專業(yè)最新的開課計劃，對相關的BIM課程內容及開設方式進行了梳理總結； 調研了26所國內通過工程專業(yè)認證的高校土木工程專業(yè)BIM相關及緊密課程體系建設現(xiàn)狀，總結了國內高校BIM課程設置的特點及存在的問題。參考美國高校課程先進經驗，結合土木工程專業(yè)認證OBE理念，提出了土木工程專業(yè)認證背景下BIM課程教學內容，并建議國內各高校視自身特點將土木工程專業(yè)BIM課程以植入式、替換式和必修新課式三種方式開設，同時分析了三種方式的優(yōu)點和局限性，對存在的局限性提出了相應的建議解決方案。