張?zhí)忑?路平 韓銀龍 趙勁松

[摘 要] 為滿足我國城市地下空間建設(shè)發(fā)展的需要，在總結(jié)城市地下空間工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)不足的基礎(chǔ)上，通過分析BIM技術(shù)在城市地下空間工程實(shí)踐教學(xué)中應(yīng)用的必要性、可行性和有效性，探索了基于BIM的三維模型創(chuàng)建、施工圖深化設(shè)計、電子招投標(biāo)、虛擬施工模擬等實(shí)踐教學(xué)實(shí)施過程。結(jié)合校企合作平臺的建設(shè)，有效訓(xùn)練了學(xué)生運(yùn)用BIM技術(shù)分析、評價和初步解決復(fù)雜地下工程問題的能力，學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力得到了顯著提升，并且為相關(guān)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)提供參考和借鑒。

[關(guān)鍵詞] BIM技術(shù);地下空間工程;實(shí)踐教學(xué);虛擬施工

[基金項目] 2020年度海南省高等學(xué)校教育教學(xué)改革研究項目“裝配式建筑視角下BIM協(xié)同型畢業(yè)設(shè)計綜合實(shí)踐模式創(chuàng)新研究”（Hnjg2020-24）;2020年度海南大學(xué)教育教學(xué)改革研究項目“裝配式建筑視角下BIM協(xié)同型畢業(yè)設(shè)計綜合實(shí)踐模式創(chuàng)新研究”（hdjy2018）

[作者簡介] 張?zhí)忑垼?988—），男，山西太原人，工學(xué)博士，海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院講師，主要從事數(shù)字建造與工程防災(zāi)研究;路 平（1986—），男，河北唐山人，工學(xué)博士，海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院副教授（通信作者），主要從事巖土與地下工程研究;韓銀龍（1990—），男，甘肅平?jīng)鋈耍T士，國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司工程師，主要從事地質(zhì)勘察與巖土工程研究。

[中圖分類號] G642.0;TU93 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）19-0081-04 [收稿日期] 2021-10-14

近年來隨著我國城市地下空間開發(fā)規(guī)模增長迅速，對緩解城市土地資源緊張壓力，建設(shè)宜居城市具有重要意義。2016年住房城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布《城市地下空間開發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》要求進(jìn)一步加強(qiáng)人才的培養(yǎng)。截至目前，全國已有85所高等院校開設(shè)地下空間工程專業(yè)，也有部分院校在土木工程類招生專業(yè)下設(shè)置地下工程方向。該專業(yè)開設(shè)時間較短，建設(shè)經(jīng)驗不足，人才培養(yǎng)體系仍處于初期探索階段[1，2]。由于地下工程具有隱蔽多樣、規(guī)模龐大、建造周期長、施工技術(shù)復(fù)雜等特點(diǎn)，同樣導(dǎo)致該專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)難度非常大。

BIM（Building Information Modeling）技術(shù)作為一項新型的信息化技術(shù)，在國內(nèi)外建筑業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。然而，目前我國BIM技術(shù)人才缺口較大，尤其是城市地下空間工程與BIM技術(shù)復(fù)合型人才嚴(yán)重匱乏。因此，有必要將BIM技術(shù)融入城市地下空間工程專業(yè)各實(shí)踐教學(xué)課程中，利用其可視化、可出圖、可模擬等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)該專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的不足，有效提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

一、城市地下空間工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀

實(shí)踐教學(xué)是學(xué)生鞏固理論知識、理論聯(lián)系實(shí)際的重要途徑，目前各高等院校城市地下空間工程專業(yè)均開設(shè)了較為豐富的實(shí)踐教學(xué)體系[3，4]，其中包括實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)、課程實(shí)驗、課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計等，通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)存在以下問題。

（一）校內(nèi)實(shí)踐教學(xué)重視度不夠

大多教師工程經(jīng)驗少，對實(shí)踐教學(xué)不夠重視，重理論輕實(shí)踐現(xiàn)象普遍存在。課程設(shè)計方面，指導(dǎo)教師任務(wù)書選題難度較低，與實(shí)際工程結(jié)合度不高，考核形式單一，每年布置內(nèi)容的重復(fù)率較高，導(dǎo)致學(xué)生存在抄襲現(xiàn)象。校內(nèi)實(shí)訓(xùn)基地方面，大多院校實(shí)訓(xùn)室均配有建筑和橋梁實(shí)體模型，而城市地下空間工程模型配置較少，如深基坑、隧道工程、地下車站等。并且固定、靜態(tài)的設(shè)備與構(gòu)件模型無法滿足新技術(shù)、新設(shè)備的更新速度，對學(xué)生的理解、掌握和運(yùn)用的提高十分有限。

（二）校外基地實(shí)習(xí)效果不佳

由于不同城市的地下空間發(fā)展程度不一致，學(xué)生前往大型地下工程施工現(xiàn)場的實(shí)習(xí)機(jī)會并不多，有些城市或區(qū)域甚至沒有地鐵和隧道項目以供學(xué)生實(shí)習(xí)，難以滿足所有課程需要。針對地下工程施工現(xiàn)場的復(fù)雜性和風(fēng)險性，校外企業(yè)大多僅安排以參觀為主的實(shí)習(xí)，學(xué)生看得多、做得少，實(shí)習(xí)效果難以保證。地下工程規(guī)模大，工期長，受學(xué)校實(shí)習(xí)時間的限制，學(xué)生往往只能了解或掌握其中一、兩項施工工藝，無法適應(yīng)項目全過程實(shí)習(xí)的要求，校外基地全過程實(shí)踐教學(xué)難度大。

（三）難以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的重要手段。在目前的城市地下空間工程實(shí)踐課程中，實(shí)習(xí)前往的項目都是正在建設(shè)或者已建成的地下工程，學(xué)生很難深入?yún)⑴c施工方案的制定，如施工場地、施工人員、施工材料等諸多方面，學(xué)生不能將自己所學(xué)理論知識和創(chuàng)新理念運(yùn)用到地下工程實(shí)踐中，導(dǎo)致學(xué)生無法滿足采用專業(yè)理論知識、交叉學(xué)科知識及相關(guān)工具，進(jìn)行復(fù)雜工程問題的分析、評價、論證，以及提出初步解決方案的能力目標(biāo)。

二、BIM技術(shù)在城市地下空間工程實(shí)踐教學(xué)的可行性分析

（一）必要性

在“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”及新工科等背景下，對城市地下空間工程專業(yè)人才的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力提出了更高的要求，對該專業(yè)實(shí)踐教學(xué)模式的創(chuàng)新更加迫切。2015年住房城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)《關(guān)于推進(jìn)建筑信息模型應(yīng)用的指導(dǎo)意見》，要求新立項項目在勘察設(shè)計、施工、運(yùn)營維護(hù)等全壽命期階段，大力推廣BIM技術(shù)應(yīng)用。2016年住房城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)《2016—2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》，要求在“十三五”時期，全面提高BIM等建筑業(yè)信息化水平，注重培育精通BIM等信息技術(shù)和工程業(yè)務(wù)的復(fù)合型人才。因此，在國家相關(guān)政策推行背景下，十分有必要將BIM技術(shù)引入城市地下空間工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系。

（二）可行性

BIM技術(shù)的快速發(fā)展，導(dǎo)致國內(nèi)外眾多土建類院校將BIM技術(shù)引入教學(xué)各個領(lǐng)域，據(jù)統(tǒng)計截至2021年9月，在中國知網(wǎng)搜索“BIM教學(xué)應(yīng)用”等相關(guān)主題的文獻(xiàn)多達(dá)400多篇，其中BIM在全國各院校建筑工程[5]、道橋工程[6]、工程管理[7]等專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中已得到廣泛應(yīng)用，但是BIM在城市地下空間工程專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)鮮有研究。因此，借鑒BIM技術(shù)在建筑工程、道橋工程等土建類相關(guān)專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗，將其引入城市地下空間工程專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)改革是可行的，本文提出的融入BIM技術(shù)的城市地下空間工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系如表1所示。

（三）有效性

BIM的優(yōu)勢在于集成建筑設(shè)計、施工和運(yùn)營維護(hù)等項目全過程信息數(shù)據(jù)，并通過三維可視化技術(shù)增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果，既緩解了校內(nèi)實(shí)訓(xùn)模型空缺，也解決了學(xué)生想象困難問題。運(yùn)用BIM可以實(shí)現(xiàn)虛擬建造技術(shù)，使學(xué)生作為項目參與人和管理者，將被動學(xué)習(xí)改為主動學(xué)習(xí)，運(yùn)用相關(guān)知識模擬城市地下空間工程的設(shè)計、施工等全過程，解決了學(xué)生看得多、做得少、實(shí)習(xí)時間和內(nèi)容受限等難題，有效保證了實(shí)踐教學(xué)的效果。與實(shí)際建造過程相比，虛擬施工技術(shù)允許學(xué)生不斷修改錯誤，逐漸優(yōu)化方案，可以使學(xué)生大膽地想、大膽地做，提高了學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性，很大程度鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高了學(xué)生運(yùn)用所學(xué)理論知識和創(chuàng)新理念解決復(fù)雜地下工程問題的能力。

三、BIM技術(shù)在城市地下空間工程實(shí)踐教學(xué)的實(shí)施

（一）創(chuàng)建三維模型

在城市地下空間工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中，各種地下結(jié)構(gòu)類型的課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計主要通過CAD輔助設(shè)計技術(shù)進(jìn)行設(shè)計、分析與計算。CAD作為學(xué)生繪圖的工具，不能詳細(xì)和全面地提供地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計模型和具體參數(shù)，最終提交成果容易產(chǎn)生錯漏碰缺。指導(dǎo)教師以實(shí)際工程項目為主線，可以通過設(shè)計院或施工企業(yè)咨詢項目案例圖紙，作為學(xué)生的設(shè)計依據(jù)，學(xué)生可根據(jù)圖紙自由設(shè)計方案并進(jìn)行計算，最終利用BIM技術(shù)將設(shè)計成果轉(zhuǎn)變?yōu)槿S可視化模型，便于學(xué)生或教師直觀地發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的問題并及時糾正，還可以根據(jù)需求調(diào)整參數(shù)，從而優(yōu)化和創(chuàng)新設(shè)計方案，使得學(xué)習(xí)效果顯著提升。

（二）施工圖深化設(shè)計

在傳統(tǒng)的課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計中，學(xué)生繪制結(jié)構(gòu)施工圖主要采用平面整體設(shè)計方法（平法施工圖）進(jìn)行鋼筋標(biāo)注。然而平法標(biāo)注很難看到鋼筋真實(shí)的位置和形狀，二維圖紙表達(dá)不直觀，無法直接指導(dǎo)施工。尤其是復(fù)雜的空間三維節(jié)點(diǎn)區(qū)域，鋼筋碰撞問題無法通過平面、剖面等簡單幾何關(guān)系來解決。在施工圖設(shè)計過程中，學(xué)生利用BIM技術(shù)對鋼筋工程開展施工圖深化設(shè)計，建立復(fù)雜節(jié)點(diǎn)區(qū)域鋼筋三維模型，實(shí)現(xiàn)鋼筋尺寸、形狀及定位精準(zhǔn)化模擬，并且可提前進(jìn)行鋼筋排布碰撞校核，對節(jié)點(diǎn)構(gòu)造不合理、可能會影響后期施工之處給出調(diào)整方案。

（三）電子招投標(biāo)與虛擬施工模擬

目前包括海南省等部分省市率先要求建筑行業(yè)應(yīng)用BIM技術(shù)開展電子招投標(biāo)，因此，教師需要對傳統(tǒng)的施工組織課程設(shè)計和概預(yù)算課程設(shè)計進(jìn)行改革。在商務(wù)標(biāo)編制方面，學(xué)生需要建立工程項目BIM模型，然后將其導(dǎo)入國內(nèi)知名造價軟件如廣聯(lián)達(dá)、斯維爾等，完成工程計量和計價文件的編制，相比手算BIM大大縮短了計算時間。在技術(shù)標(biāo)編制方面，學(xué)生可以建立“電子工地”，對施工現(xiàn)場的大型機(jī)械設(shè)備、臨時設(shè)施等做出合理的規(guī)劃布置;然后可以編制施工進(jìn)度計劃，并將進(jìn)度信息賦予BIM模型，能夠以專業(yè)、樓層、流水段、構(gòu)件類型等維度進(jìn)行施工進(jìn)度動態(tài)模擬，規(guī)避各施工工序沖突，從而有效縮短工期。除此之外，學(xué)生可以結(jié)合城市地下空間工程項目施工中的重點(diǎn)和難點(diǎn)部位，利用BIM技術(shù)進(jìn)行虛擬施工方案模擬和工藝動畫展示，預(yù)先發(fā)現(xiàn)施工過程中可能碰到的問題，提前避免和減少返工。

（四）校企合作實(shí)踐教學(xué)平臺建設(shè)

城市地下空間工程實(shí)踐教學(xué)過程離不開企業(yè)的合作與支持，復(fù)合型人才培養(yǎng)必須深化校企合作力度，共建校企合作實(shí)踐教學(xué)平臺。筆者所在學(xué)校成立BIM工程研究中心，廣泛聯(lián)系對接企業(yè)，積極開展產(chǎn)學(xué)研合作，先后承擔(dān)大量BIM橫向項目與課題研究，打造了一批教學(xué)水平高、實(shí)踐能力強(qiáng)的“雙師型”教師隊伍。學(xué)校成立了BIM協(xié)會等校級社團(tuán)，由研究中心教師擔(dān)任指導(dǎo)教師，對學(xué)生深入開展BIM培訓(xùn)的同時，組織學(xué)生前往企業(yè)開展BIM項目實(shí)習(xí)，使學(xué)生更快地適應(yīng)企業(yè)的工作模式和技術(shù)規(guī)則。在校企合作平臺建設(shè)背景下，近幾年，學(xué)生BIM綜合實(shí)踐能力突飛猛進(jìn)，先后在“龍圖杯”“優(yōu)路杯”“斯維爾杯”、全國結(jié)構(gòu)設(shè)計信息技術(shù)大賽、全國BIM畢業(yè)設(shè)計大賽中，斬獲特等獎2項、一等獎4項、二等獎及其他獎項若干。

結(jié)語

將BIM技術(shù)應(yīng)用到城市地下空間工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，不僅能彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)模式的不足，更能滿足建筑行業(yè)對信息技術(shù)和城市地下空間工程業(yè)務(wù)復(fù)合型人才的迫切需求。學(xué)生通過利用BIM技術(shù)，開展三維模型創(chuàng)建、施工圖深化設(shè)計、電子招投標(biāo)與虛擬施工模擬等項目全過程應(yīng)用，提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣和動力。同時，校企合作實(shí)踐教學(xué)平臺的建設(shè)為學(xué)生實(shí)踐教學(xué)提供了保障和支持，切實(shí)提高了學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和解決復(fù)雜工程問題的能力，值得向相關(guān)專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)進(jìn)一步推廣。

參考文獻(xiàn)

[1]姚志雄，吳琛，陳軍浩，等.新工科背景下工程核心能力實(shí)踐教學(xué)體系探索——城市地下空間工程專業(yè)建設(shè)實(shí)踐[J].教育評論，2021（4）：54-60.

[2]劉勇健，梁文添，鄧滸標(biāo)，等.基于OBE的城市地下空間工程實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建[J].大學(xué)教育，2021（6）：68-70.

[3]戎賢，張健新，劉平，等.新工科背景下土木工程專業(yè)實(shí)踐改革研究[J].教育教學(xué)論壇，2019（1）：131-132.

[4]張揚(yáng).土木工程課程設(shè)計改革與實(shí)踐[J].教育現(xiàn)代化，2019，6（55）：47-48.

[5]楊文東，薄純杰，張如林，等.BIM技術(shù)在建筑工程實(shí)踐教學(xué)中的探索[J].實(shí)驗技術(shù)與管理，2020，37（4）：164-166.

[6]衛(wèi)星，巨云華.基于BIM+VR技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)橋梁教學(xué)實(shí)踐改革研究[J].圖學(xué)學(xué)報，2018，39（6）：1231-1238.

[7]宮培松，羅仁玉秋，等.基于OBE-CDIO理念的工程管理專業(yè)BIM實(shí)踐教學(xué)改革[J].工程管理學(xué)報，2020，34（3）：153-158.

Application of BIM Technology in the Practice Teaching of Underground Space Engineering Major

ZHANG Tian-long1， LU Ping1， HAN Yin-long2， ZHAO Jin-song3

（1. School of Civil Engineering and Architecture， Hainan University， Haikou， Hainan 570228， China;

2. National Nuclear Power Planning and Design Institute Co.， Ltd.， Beijing 100098， China; 3. School of Architecture， Tianjin University， Tianjin 300072， China）

Abstract： To meet the needs of the development of urban underground space construction in China， based on summarizing the insufficiency of the practice teaching of urban underground space engineering major， the necessity， feasibility and effectiveness of applying BIM （building information modeling） technology in the practice teaching of urban underground space engineering major are analyzed. The implementation process of practice teaching is proposed， including BIM-based 3D modelling， the deepened design of construction drawings， the electronic bidding， and the virtual construction simulation. Based on the school-enterprise cooperation platform， the students’ ability of analyzing， evaluating and initially solving complex underground engineering problems has been trained effectively and the students’ innovative thinking and practical ability have been significantly improved， which can provide useful references for the practice teaching of related majors.

Key words： BIM technology; underground space engineering; practice teaching; virtual construction