杰德爾別克·馬迪尼葉提 嚴新軍 晉強 林麗

摘 要：水利類專業(yè)院校主要培養(yǎng)水利工程通用的基本技能與專業(yè)能力，并培養(yǎng)出具有創(chuàng)新精神的高級工程技術人才。對于不斷加速的工程領域現(xiàn)代化持續(xù)發(fā)展而言，就必須培育適應新時期建設行業(yè)的水利類創(chuàng)新人才。BIM技術目前在多個領域廣泛使用，但在水利行業(yè)應用緩慢，在相關的大部分高校也未開設有關的課程。作為新疆地區(qū)重點培養(yǎng)應用型人才的高校，新疆農(nóng)業(yè)大學重視并不斷改革人才培養(yǎng)體系，強化信息化教學，一直在探索BIM技術與專業(yè)充分融合的方法與培養(yǎng)BIM技術復合型人才的有效路徑。文章以新疆農(nóng)業(yè)大學水利水電工程專業(yè)為例，通過一系列的教學改革，形成了一套BIM技術應用與教學框架，可為同類專業(yè)改革提供參考。

關鍵詞：BIM技術;水利工程;課程體系;人才培養(yǎng);專題設計

中圖分類號：G642;TV61? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1673-8454（2021）06-0072-05

一、引言

信息時代的到來，創(chuàng)新了工程建設行業(yè)的發(fā)展，改變了建設項目的實施和管理，已成為不可逆轉的行業(yè)發(fā)展方向[1-3]。BIM（建筑信息模型）技術是近年來新興的工程技術，由于其可視化、精確化、模擬性及精確管理等優(yōu)勢，在工程領域應用日趨廣泛，并在設計、施工模擬、碰撞檢測及智慧管理等方面帶來高效率的工作[4][5]，BIM技術水利工程中的應用雖然還不算成熟，但對于BIM技術應用型人才的需求日益增加且不斷提高。高校作為培養(yǎng)人才的主要基地，承擔著向社會培養(yǎng)BIM技術相關人才的重任[6][7]。目前，傳統(tǒng)的人才培養(yǎng)方案和課程體系已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代水利工程相關單位的要求，主要表現(xiàn)在傳統(tǒng)課程體系開設單一、理論課程較多、沒有進行知識的復合、數(shù)字資源的缺乏等多方面[8][9]。高校應致力于培養(yǎng)具備水利工程全壽命周期的項目設計、施工、管理的BIM技術應用能力的高素質技術人才，甚至是多學科交叉型的專業(yè)人才。發(fā)達國家在教學中應用BIM技術較為成熟，如美國亞利桑那州立大學（ASU）在大一到大四部分的課程中植入BIM技術，并進行BIM 技術軟件的培訓，使學生對BIM 有全方位的運用與了解。國內部分高校也做出了創(chuàng)新性的教學改革，如河海大學蘇靜波等把BIM技術引入《水利工程制圖》課程當中，進一步加強學生的三維建模能力和結構認識能力[8][10];天津大學白學海等提出了構建“BIM+VR教學應用平臺”的理念[11][12];華北水利水電大學谷智煒等提出了BIM技術與工程造價專業(yè)課程體系的銜接方法[13][14]。水利類專業(yè)培養(yǎng)體系跟其他工程類專業(yè)有一定的區(qū)別，目前植入BIM技術或銜接BIM技術的方法極少。將BIM 技術融入到教學中，尤其是引入到專業(yè)課程、畢業(yè)設計及課程設計等方面，和傳統(tǒng)教學模式結合在一起，有利于進一步提升本科教育水平，能夠解決傳統(tǒng)教學模式中存在的眾多問題，也為高校人才培養(yǎng)方式增加了更多可能性[15]。

本文以此為背景，通過市場調研，總結了新疆農(nóng)業(yè)大學水利水電工程專業(yè)教學方面的問題，探索全新的課程體系建設，摸索出一套培養(yǎng)BIM技術復合型人才的有效方法，并指出亟待解決的關鍵問題，以使水利學院能培養(yǎng)出真正的社會亟需的有用人才?；贐IM技術開展水利類專業(yè)復合型應用人才培養(yǎng)的研究，對于水利類專業(yè)人才培養(yǎng)的發(fā)展具有重要的理論及現(xiàn)實意義。

二、水利類專業(yè)傳統(tǒng)教學方式的局限性

1.側重于二維展示

從目前大部分工科類高校情況來看，CAD輔助設計技術的應用較為成熟，即通過二維的模型展示三維模型，但即便可以熟練應用CAD，與水利水電工程專業(yè)仍然有一點脫節(jié)，同時這種教學模式中學生也無法深刻理解和學習到BIM技術[16][17]，缺乏整個建筑物或樞紐的整體性，不能詳細和全面地提供建筑結構的設計模型和具體參數(shù)，有些復雜的水工建筑物用二維的方式展現(xiàn)內容，缺乏直觀性和形象感，學生很難理解構造原理和設計原理，會影響學生學習興趣，難以達到預估的學習效果。

2.信息化協(xié)調水平不高

目前通過CAD所繪制的圖形弊端越來越明顯，主要體現(xiàn)在可視化及信息化程度不高、無關聯(lián)性等方面[18]，在CAD 繪圖中，只要修改某一圖中的圖形，就需要手動改正所對應的其他平面圖、立面圖、大詳圖中的相關信息，或者修改其中一個區(qū)域，就需要對多個圖相應位置重新修改，對于水利工程這樣的復雜工程而言，學生在畢業(yè)設計或課程設計中所繪制的施工圖紙往往比其他工程多，該工作模式大大增加了不必要的工作量和后期修改的復雜性。

3.與其他課程聯(lián)系不夠緊密

目前所上的CAD類課程及其他課程之間沒有明顯的聯(lián)系，CAD課程只是傳授軟件的操作，學生無法深刻理解其與以后專業(yè)課程的關系，難以理解所繪制的水工建筑物或者某構件的構造原理和設計原理[19][20]，也不太清楚對整個培養(yǎng)模式的邏輯關系。教師在完成教學內容的過程中，為了達到課時要求，通常會側重于概念的講解，缺乏實際的應用，意味著學生可能感受不到所學知識的價值與其他課程的聯(lián)系。BIM技術的應用不是學習軟件就可以解決問題，而是要通過一系列軟件的學習和專業(yè)知識的應用，學生會建立在全生命周期中BIM技術應用的整體框架和管理模式，同時要求學生把BIM技術應用作為一種新技術、新的工作流程來對待，這就需要將BIM技術與更多的課程聯(lián)系起來。

三、BIM技術應用于水利工程教學中的優(yōu)勢

BIM技術的出現(xiàn)，為水利行業(yè)帶來了多方面的機遇和挑戰(zhàn)，很多企業(yè)在原有的傳統(tǒng)工作模式、業(yè)務范圍及應用技術上，向新領域、新科技發(fā)展，更何況在大部分水資源已開發(fā)利用、水利相關項目越來越緊縮的背景下，大部分企業(yè)都在尋找能帶來更多價值的創(chuàng)新型人才。水利水電工程是以培養(yǎng)掌握中小型水利工程設計能力、施工技術應用能力、水利工程運行管理能力為核心的高級技術應用型人才為目標的專業(yè)。但是通過原有的培養(yǎng)模式培養(yǎng)學生，很難培養(yǎng)出BIM專業(yè)應用人才，同時BIM人才的短缺也制約了BIM技術在水利工程全生命周期中的應用與推廣。

BIM技術具有信息集成性、可視化、模擬性、優(yōu)化性、共享性等眾多特點， 對于教學環(huán)節(jié)而言，其可視化、模擬性、優(yōu)化性的特點具有明顯的優(yōu)勢。學生通過BIM相關的軟件進行三維翻模，一般常用的基本構件如門、窗、柱、梁、板、樓梯等軟件中都包含，對于水工建筑物等異形形狀的繪制可能沒有所引用的模型，這種情況下大部分軟件都有相應的模塊來創(chuàng)建異性構件，如Revit軟件標準族等。通過三維建模，學生可在創(chuàng)建的過程中掌握設計內容和方法，這樣一方面可以提高學生的創(chuàng)新能力，也就是根據(jù)自身的理解和規(guī)范要求，大膽地去創(chuàng)建各種模型;另一方面可以提高空間想象力，進一步了解各個組成構件。在建模的基礎上，學生可以進一步應用BIM相關軟件來達到更好的效果，如把所創(chuàng)建的廠房上部結構模型應用在相關的結構計算軟件中（如Midas軟件），可以進行結構計算和配筋，若發(fā)現(xiàn)彎矩等參數(shù)過大，可以進一步優(yōu)化或縮小有關尺寸，還可以把參數(shù)化模型導入施工模擬軟件中進行施工環(huán)境模擬和進度模擬。

通過對工程相關單位企業(yè)深入調研，所歸納的主要BIM技術相關職位有BIM技術參數(shù)化設計師、BIM技術協(xié)調員、BIM技術開發(fā)人員、BIM技術施工現(xiàn)場觀察員及軟件產(chǎn)品經(jīng)理等多方向，主要體現(xiàn)在工程繪圖能力、生產(chǎn)和施工技術應用能力、信息化管理能力、工程計劃及結算能力等方面。通過對學生培養(yǎng)上述的BIM技術重要特點，其可以基本勝任以上幾個相關職位的需求。通過系統(tǒng)的BIM技術學習，學生可以對水利工程項目全生命周期有清晰的了解，并彌補不足的專業(yè)知識。

四、BIM技術在實踐教學中的實現(xiàn)

新疆農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院在建設國家重點學科水利水電工程中，結合水利工程信息化發(fā)展，立項BIM技術應用復合型人才的專項課題，開始組織相關課程的開設，并不斷研究現(xiàn)有的課程、畢業(yè)設計、課程設計與BIM技術銜接的方法。通過改革，有效提高了水利水電工程基礎教學的科學性和系統(tǒng)性，并取得了顯著效果：學院已開設一門《BIM技術應用基礎》專業(yè)選修課程，報名人數(shù)已超過100人;從2019年年底開始組織學生參與各項不同等級的BIM相關科技競賽，如“首屆全國水利行業(yè)BIM應用大賽”“第六屆全國高校BIM畢業(yè)設計大賽”等;在2020屆畢業(yè)設計中成功應用了BIM技術;同時學院2019年年底通過新疆科技廳批復，成功建立了“新疆BIM及裝配式工程技術研究中心”，為后期BIM技術人才培養(yǎng)和BIM技術的推廣奠定了良好基礎。

1.植入BIM技術的水利水電工程專業(yè)課程體系

根據(jù)水利行業(yè)未來發(fā)展趨勢及現(xiàn)有的人才需求，學院對課程體系的優(yōu)化及BIM技術的植入進行了一系列的探索。對于缺乏關聯(lián)性的專業(yè)理論課程和課程設計，發(fā)揮BIM技術顯著的作用，將其貫穿水利工程從概念設計、施工運營、竣工驗收直到運營維護的建設項目的全生命周期。要把BIM技術融入到原有的課程體系中，形成有效的教學體系，需要在開設的各種專業(yè)基礎課程和專業(yè)課程中融入BIM技術相關內容，同時也需要開設BIM技術軟件實操課程，但根據(jù)目前大多數(shù)院校的教學方案來看，經(jīng)過多年的實施優(yōu)化已完善，沒有更多的學時來學習BIM技術，因此需要合理協(xié)調，抓重點內容來學習。

學院最初以興趣小組的形式開設了一門BIM技術的基礎應用課程，報名人數(shù)已超過100人，同時申請了一門10學時的公共選修課程，但是由于學習內容不系統(tǒng)、涵蓋面窄，學生學到的內容有限，通過一系列的摸底和研究，目前在課程體系中單獨增加了一門32學時的專業(yè)選修課程，主授Autodesk公司Revit軟件（學生版）建筑、結構、機電（管道）建模技巧、Dynamo參數(shù)化編程建模及Navisworks施工模擬和碰撞檢測技術等內容。課程內容以某實際項目為準來進行授課，由于選課學生主要來自土木和水利兩個方向，學習側重點有所不同，教學內容也分兩大塊來講解，分別是Revit軟件為主的某幼兒園建筑、結構、機電模型實戰(zhàn)操作，和Revit、Dynamo、Navisworks為主的某重力壩結構、機電模型實戰(zhàn)操作，重點培養(yǎng)學生的設計能力、建模識圖能力以及施工組織設計能力等。

2.BIM技術與現(xiàn)有課程的銜接

BIM技術與現(xiàn)有的課程相結合，需要本專業(yè)相關課程教師相互配合，將水利水電工程相關專業(yè)知識與BIM技術鏈接起來，形成一套系統(tǒng)的教學模式，讓學生能夠很好地將這些知識融會貫通，真正學到有用的知識。但由于缺乏雄厚的師資力量、沒有合適的教學資料以及不熟練BIM技術系列軟件等原因，施行起來難度比較大。在這樣的現(xiàn)實條件下，學院根據(jù)實際情況主要探索總結了以下方法：

（1）水利水電工程專業(yè)主要的核心課程包括《水工建筑物》《水電站》《水利工程施工》及《水工鋼筋混凝土結構》等，在授課過程中，可以適當調整課程內容，引用BIM技術來輔助教學，一般計算模型與自己所構思的模型之間存在一定的差異，而BIM技術所創(chuàng)建的模型中涵蓋各種信息，并且能夠進一步完成復雜分析和計算，因此教師可以利用BIM技術來展示整個過程的演變，鞏固和關聯(lián)實際建筑物和模型之間的關系，同時制作建筑物施工動態(tài)演示來展示整個樞紐或者建筑物的施工順序、施工組織設計和水流模擬，并且利用畢業(yè)設計、課程設計中學生所做的成果也能達到一定的效果，因此也是一個循環(huán)漸進的過程。圖1是在課堂當中所展示的案例教學成果，包括施工順序模擬和虛擬漫游。

（2）學院通過機房的改造，在《計算機輔助設計實驗》《水工CAD》等必修課程中，引入了Revit軟件的教學內容，在大一授《計算機輔助設計實驗》課程時，介紹BIM技術的理論知識，結合一些工程案例激發(fā)學生的興趣，同時授簡單建筑物的建筑和結構模型構建等內容（8學時），這種學習模式對后期的BIM技術應用帶來許多益處。在大二《水工CAD》課程中，深入學習BIM技術的應用，尤其是在大壩參數(shù)化設計、工程量統(tǒng)計以及動態(tài)演示方面（8學時），充分培養(yǎng)學生動手能力和BIM技術應用能力，同時為在后期的畢業(yè)設計、課程設計中應用BIM技術做好充分準備。圖2是學生所創(chuàng)建的參數(shù)化模型。

3.BIM技術與畢業(yè)設計的銜接

把BIM技術融入到畢業(yè)設計中，可以加深學生對專業(yè)知識的認識與應用，有效提高其綜合實踐能力和學習能力，同時也可以改變水利水電工程專業(yè)畢業(yè)設計脫離工程實際的現(xiàn)狀，為將來從事BIM技術相關工作奠定基礎。但是對于沒有接觸過BIM技術的學生來講，直接應用有一定的難度和門檻，主要是因為過程中涉及的軟件較多，應用知識體系龐雜，同時應遵循一定的規(guī)律等。因此需要制定詳細的畢業(yè)設計組織計劃，尤其在前期的培養(yǎng)過程中融入好BIM技術相關知識，要具備一定的軟件操作技能，分配任務后展開建模、算量、投標報價、虛擬建造等一系列工作，采用一體化協(xié)同設計方案，可以有效系統(tǒng)地整合水利水電工程專業(yè)本科四年所學課程。我院通過一系列研究，在畢業(yè)設計改革方面取得了顯著成果，在2020屆本科畢業(yè)設計中采用BIM團隊協(xié)同設計與合作方案，以多個設計專題為主，成功地進行了以BIM技術為主的畢業(yè)設計全過程，既培養(yǎng)了學生團隊合作精神，又提高了設計效率與質量，逐步形成了水利水電工程“專業(yè)知識+BIM 技能”的復合型人才培養(yǎng)體系。圖3是學生在畢業(yè)設計階段完成的三維透視圖和二維施工圖圖紙。

圖3所設計的是當?shù)乇容^典型的一座水電站，電站主要由引水渠道、壓力前池、壓力管道、電站廠房及尾水渠組成，所有學生前期都會參與水能計算、裝機容量確定、主廠房布置、壓力前池和管道設計等內容，但由于所涉及的設計范圍不一致，同時其中每個學生專題設計內容不一致，根據(jù)學生目前所掌握的BIM技術應用情況來看，劃分了十項專題內容。專題既有各專業(yè)模型搭建的逆向設計過程，又有結構計算、優(yōu)化結構等正向設計內容，同時考慮到以后到施工單位就業(yè)的學生，也融入了施工有關的專題設計。在專題設計過程中，鼓勵學生采用不同軟件操作驗證和比較各項設計內容的準確性和優(yōu)化效果。詳細劃分情況如圖4所示。

4.其他方面

在課程體系中實踐復合型應用人才培養(yǎng)的基礎上，根據(jù)不同年級的知識結構特點，依托大學生創(chuàng)新項目和全國舉辦的各類科技創(chuàng)新競賽，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，使學生在實踐中鍛煉多學科交叉的創(chuàng)新思維和解決實際工程問題的基本技能。學院與外企合作建立了實習基地，充分利用建設基地服務條件，進一步培養(yǎng)BIM技術應用實踐能力，同時學院多措并舉，多次邀請BIM 技術應用經(jīng)驗豐富的企業(yè)來學院或以在線的形式開展學習交流活動，不同層次的BIM技術應用成果在院內得以呈現(xiàn)，進一步提高學生的興趣與技術水平，達到了提升教學水平與培養(yǎng)人才的目的。同時鼓勵教師多次參加與BIM技術有關的研討會、培訓班，提高了學院本身的師資隊伍力量。

在研究生培養(yǎng)方面，近幾年依托橫向課題已培養(yǎng)多個BIM技術應用方面的人才，主要研究參數(shù)化建模過程、輕量化引擎應用與二次開發(fā)、Revit軟件二次開發(fā)及復雜施工過程展示等方面，尤其在Revit二次開發(fā)方面，根據(jù)企業(yè)要求開發(fā)出了一整套渠系建筑物穩(wěn)定計算和水力計算插件，并應用在實際工程當中。在應用型本科教育的推進和轉型中，學院既提升了學生的應用型技能，又培養(yǎng)了社會亟需的BIM技術應用人才，將BIM技術的優(yōu)勢發(fā)揮到了最大化，從而實現(xiàn)了教學效果與提供經(jīng)驗的目的。

本文通過多方面的分析，提出了植入BIM 技術的課程體系教學模式，將BIM 技術融入水利工程教學實踐中，與傳統(tǒng)教學方法相結合，可以改變學生對水利工程建筑、設計、施工等相關因素的理解，不僅大大提升了實踐教學水平與教學效果，學生還可以真正了解BIM 技術在實踐中的核心建筑信息共享的優(yōu)越性，為培養(yǎng)出更具備綜合能力的BIM技術應用型人才提供基礎，為同類專業(yè)的教學與培養(yǎng)方式改革提供參考。

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（編輯：魯利瑞）