趙全勝 梁小勇 趙媛媛 梁日

［摘 要］ 在新時代背景下，人類步入第四次工業(yè)革命，建筑行業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級勢在必行，而智能建造的提出恰為此指明了方向，各大高校也響應(yīng)國家政策相繼增加了智能建造專業(yè)。首先在介紹智能建造的背景及意義的基礎(chǔ)上對高校培養(yǎng)方案的制訂進(jìn)行了闡述，然后從建設(shè)項目的設(shè)計、施工、運維管理角度對智能建造中的BIM技術(shù)、3D打印、智能機械、人工智能等主要內(nèi)容進(jìn)行了介紹，并由此展開了對智能建造專業(yè)人才培養(yǎng)的探討，為智能建造專業(yè)人才培養(yǎng)提供參考。

［關(guān)鍵詞］ 新工科；智能建造；人工智能；教學(xué)模式；人才培養(yǎng)

［基金項目］2021年度河北省科技廳引進(jìn)智力項目“新工科智能建造關(guān)鍵技術(shù)”（2021012）；2020年度國家教育部國家第二批新工科項目“面向區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的地方高校傳統(tǒng)工科專業(yè)改造升級探索與實踐”（E-ZYJG20200211）；2021—2022年度河北省教育廳高等教育教學(xué)改革研究與實踐項目“新工科背景下土木類人才信息與智能素養(yǎng)路徑的探索與實踐”（2021GJJG188）

［作者簡介］ 趙全勝（1968—），男，河北石家莊人，碩士，河北科技大學(xué)建筑工程學(xué)院教授，主要從事土木工程研究；梁 日（1998—），男，河北石家莊人，河北科技大學(xué)建筑工程學(xué)院2021級土木工程專業(yè)碩士研究生（通信作者），研究方向為新型材料。

［中圖分類號］ G642.0［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）20-0082-04［收稿日期］ 2022-05-10

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，建筑行業(yè)也有了十足的進(jìn)展，眾多世界級工程完工并投入使用。我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)，產(chǎn)業(yè)升級逐漸成為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要抓手。近年來，隨著計算機信息技術(shù)的飛速發(fā)展，國家提出了新工科的概念，融合了傳統(tǒng)土木工程的人工智能便是其中的重要組成部分。而且隨著我國進(jìn)入經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展新階段，智能建造已經(jīng)成為建筑業(yè)發(fā)展的必然趨勢和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要內(nèi)容［1］。

智能建造是結(jié)合了BIM技術(shù)、計算機大數(shù)據(jù)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)的新型交叉學(xué)科，在新一輪的建筑業(yè)革命中起著引領(lǐng)作用［2］。世界各國均立足國情制定并逐步建立了以智能建造為核心的產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略及人才培養(yǎng)體系。世界主要發(fā)達(dá)國家在項目建設(shè)過程中均要求工程項目必須應(yīng)用BIM技術(shù)，并在3D打印、人工智能等方面也建立起了相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，投入了大量資金支持［3］。2017年同濟(jì)大學(xué)成功申報智能建造專業(yè)，隨即北方建筑大學(xué)、北方工業(yè)大學(xué)等6所院校成功獲批，截至目前已有64所院校開設(shè)相關(guān)專業(yè)。然而作為新建專業(yè)，每所院校都有自己的特色，但是其課程體系（培養(yǎng)方案）如何能夠緊密地與第四次工業(yè)革命結(jié)合、適應(yīng)社會的發(fā)展，這將是新開設(shè)智能建造的院校一大難題。

一、智能建造培養(yǎng)方案制訂

培養(yǎng)方案是培養(yǎng)人才的頂層設(shè)計，是實現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)的書面保證，更是教師開展教學(xué)活動的依據(jù)和建立專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的載體。智能建造是傳統(tǒng)土木工程專業(yè)的升級，制訂培養(yǎng)方案時除了應(yīng)滿足國家工程教育認(rèn)證的要求外，還應(yīng)打破學(xué)科的壁壘，建立以土木工程核心課程為主線，深度融合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、BIM等先進(jìn)的信息技術(shù)及一般機械和控制工程原理、工程管理相關(guān)知識的教學(xué)方案，完成建設(shè)工程的設(shè)計、生產(chǎn)、施工和全過程運行維護(hù)管理。

（一）打破學(xué)科壁壘

目前我國分為14個學(xué)科門類，下設(shè)113個一級學(xué)科。2020年新增了第14類“交叉學(xué)科”，這也給其他學(xué)科指引了方向。從目前而言，學(xué)科交叉是必然趨勢，傳統(tǒng)的土木工程已不適應(yīng)現(xiàn)在社會的發(fā)展，必須打破傳統(tǒng)的土木工程學(xué)科界限，重構(gòu)核心課程。智能建造專業(yè)在保證土木工程專業(yè)知識傳授的同時，注重建造信息化、智能化新技術(shù)、新思維的引導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，樹立堅定的信念，建立“五位一體”的培養(yǎng)模式（見圖1），將計算機科學(xué)與技術(shù)、機械工程、電氣工程、管理科學(xué)與工程、土木工程學(xué)科進(jìn)行深度融合，并且結(jié)合各自院校的特點形成特色方向。

（二）培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維

高校是教書育人的圣地，最基本的職責(zé)是傳授學(xué)生專業(yè)知識，使學(xué)生適應(yīng)社會的發(fā)展，更重要的是培養(yǎng)具有一定的創(chuàng)新意識的人才。新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革背景下，綜合國力的競爭本質(zhì)上是創(chuàng)新能力的競爭。新工科背景下要求高校在制訂新的培養(yǎng)方案時必須革新傳統(tǒng)的教學(xué)理念，重視學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。智能建造專業(yè)的學(xué)生只有具備較高的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力才能在畢業(yè)之后促使建筑業(yè)的變革，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展［4］。然而，在智能建造專業(yè)的培養(yǎng)方案中如何融入創(chuàng)新能力的培養(yǎng)才能充分提升學(xué)生創(chuàng)新能力？一是可以通過增設(shè)創(chuàng)新類的實踐課程，如在培養(yǎng)方案中增設(shè)“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)和個性教育”課程，學(xué)生可以通過參與“全國結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽”“全國高校BIM畢業(yè)設(shè)計大賽”“全國大學(xué)生交通科技大賽”等賽事獲取學(xué)分，不僅培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識，而且還提高了創(chuàng)新能力；二是可以設(shè)置一些課程實驗，如“混凝土3D打印技術(shù)試驗”“裝配式技術(shù)實驗”等，不僅能夠提高學(xué)生動手能力，而且也潛移默化地使學(xué)生形成一定的創(chuàng)新意識。

二、智能建造專業(yè)培養(yǎng)方向

在高校教學(xué)中，智能建造專業(yè)要在傳統(tǒng)土木教學(xué)中加入融合了新技術(shù)的施工案例，增加機械工程智能機器人、人工智能算法的學(xué)習(xí)。因為大量新課程的加入容易讓學(xué)生摸不到重點，學(xué)得太泛而不夠精，故在具體實踐中，高校可在智能建造專業(yè)前兩年進(jìn)行大類培養(yǎng)，在打牢土木工程知識的基礎(chǔ)上，再加入機械原理與設(shè)計和計算機原理基礎(chǔ)課程，讓學(xué)生對智能建造有整體性的認(rèn)識。在第三年進(jìn)行分類培養(yǎng)，學(xué)生從自己的興趣出發(fā)進(jìn)行選擇，分為智能建造設(shè)計班、智能建造裝備班及智能建造算法班三個方向，分別對智能建造中的智能設(shè)計、智能裝備及智能機器人和人工智能算法進(jìn)行重點培養(yǎng)。

（一）智能建造設(shè)計

智能建造設(shè)計方向主要解決智能建造中的智能設(shè)計問題，其中重點是建筑信息化模型，打破以往計算、繪圖、施工的傳統(tǒng)模式，增強學(xué)生的智能設(shè)計理念。在課程設(shè)置上重點學(xué)習(xí)BIM技術(shù)與3D打印技術(shù)。

BIM技術(shù)是將建筑物用數(shù)字化的理念表達(dá)，通過數(shù)字模型數(shù)據(jù)實現(xiàn)對工程建設(shè)全壽命周期內(nèi)的精細(xì)管理，并以此加強工程技術(shù)人員對建筑信息做出正確理解與高效應(yīng)對的能力［5］。在美國，BIM技術(shù)已為其帶來超半數(shù)的投資回報率，國內(nèi)各大企業(yè)也在積極推動BIM技術(shù)的應(yīng)用。目前，我國還處于BIM人才緊缺狀態(tài)，雖然有不少高校開設(shè)了BIM技術(shù)相關(guān)課程，但多為選修課，學(xué)生參與程度不高。因此智能建造設(shè)計班重點培養(yǎng)學(xué)生的BIM能力，除了進(jìn)行BIM的建?；A(chǔ)教學(xué)，還要針對具體的工程實例進(jìn)行訓(xùn)練，鼓勵學(xué)生積極參加BIM競賽，充分調(diào)動學(xué)生積極性，真正做到學(xué)以致用［6-7］。

智能建造設(shè)計班開展3D打印課程，基于3D打印快速成型技術(shù)，重點教授工作原理與實際操作。讓學(xué)生了解到適用于打印的先進(jìn)材料，掌握一定算法，實現(xiàn)簡單的打印編程，課程中可以讓學(xué)生親身體驗3D打印的過程。除此之外，還可加強校企合作，讓國內(nèi)先進(jìn)的3D打印企業(yè)參與培養(yǎng)過程，跟進(jìn)工程實例，掌握最新的行業(yè)動態(tài)。

（二）智能建造裝備

智能建造裝備方向主要解決智能建造中的智能施工問題，追求施工的少人化、無人化及建造過程的規(guī)范化，重點在于基于機械自動化的智能裝備及智能施工機器人［8］。傳統(tǒng)的施工現(xiàn)場，現(xiàn)場人員施工設(shè)備繁雜，較難做到施工的精細(xì)化管理［9-10］，而智能機器人可有效解決這一問題。由于施工現(xiàn)場的復(fù)雜性，一般針對重復(fù)性大的施工工序進(jìn)行智能機器人的研發(fā)［11］。智能施工平臺就是融合了多種作業(yè)場景、施工設(shè)備、施工工序的作業(yè)平臺，在計算機系統(tǒng)的控制下實現(xiàn)多工序的自動化施工［12］。

針對上述建筑行業(yè)現(xiàn)狀，在智能建造裝備班中應(yīng)深入學(xué)習(xí)進(jìn)階機械類課程，對機械課程進(jìn)行調(diào)整，深入發(fā)掘與土木工程相關(guān)內(nèi)容，重點學(xué)習(xí)智能機器人相關(guān)課程。在班級中設(shè)置博士學(xué)位導(dǎo)師制，讓學(xué)生盡早接觸科研內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生分析施工工藝背后的原理，理論結(jié)合實踐，為進(jìn)一步研發(fā)適合機器人自動化施工的工藝打下基礎(chǔ)。另外，鼓勵教師成果落地并作為案例引入課堂，使學(xué)生在科研探索中提高發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力［13］。

（三）智能建造算法

智能建造算法方向主要解決智能建造中的智能運維管理問題，重點利用人工智能算法搭建模型框架，對施工過程進(jìn)行感知、分析、修正，全面提升項目的管理精細(xì)度，降本增效。

當(dāng)今社會，人工智能已經(jīng)在各個領(lǐng)域得到了快速發(fā)展并形成了眾多算法［14］。世界范圍內(nèi)也都在努力將計算機信息技術(shù)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行創(chuàng)新融合，以促進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的升級換代。建筑行業(yè)的智能化、信息化程度雖然較低，但人工智能在土木工程中卻有著廣闊的應(yīng)用前景［15］。人工智能在智能建造中主要體現(xiàn)在基于算法的深度學(xué)習(xí)。劉占?。?6］等基于數(shù)字孿生的技術(shù)，綜合利用物聯(lián)網(wǎng)、BIM和有限元模型搭建了智能建造方法的框架。

因此，智能建造算法方向重點開展深度學(xué)習(xí)方面的研究。在教學(xué)中，從最新的工程實例出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生增強對算法與土木工程實踐相結(jié)合的理念。

結(jié)語

隨著國家新基建戰(zhàn)略的提出，雖然我國建筑行業(yè)的智能化、信息化還處在初步發(fā)展階段，但順應(yīng)新發(fā)展格局的智能建造必將在未來發(fā)光發(fā)熱。其中智能建造人才的培養(yǎng)是重點，高校作為人才培養(yǎng)的主戰(zhàn)場，必須肩負(fù)起這一責(zé)任，努力創(chuàng)建新的人才培養(yǎng)模式，培養(yǎng)適合新時代的智能建造復(fù)合型人才。

第一，在課程體系上要突出重點。對原有淘汰落后的土木工程技術(shù)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行刪減，增加BIM技術(shù)與3D打印技術(shù)的內(nèi)容，更新課程設(shè)計；加快教授科研成果轉(zhuǎn)化，并將其應(yīng)用于教學(xué)當(dāng)中。

第二，打破原有課程壁壘。加入機械原理與設(shè)計、智能機器人、人工智能和算法相關(guān)課程，通過對這些課程與土木工程的專業(yè)課程的有機結(jié)合，讓學(xué)生接觸到建筑前沿內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生興趣，提升其利用計算機技術(shù)、人工智能等前沿科技解決土木工程問題的能力。

第三，把握好傳統(tǒng)課程與新增課程的關(guān)系。智能建造專業(yè)培養(yǎng)人才，要以工程建設(shè)為核心，而不是傳統(tǒng)課程與機械計算機類課程的簡單相加。要在學(xué)生土木工程專業(yè)知識扎實的基礎(chǔ)上，增加新技術(shù)類課程，并把握好兩者的學(xué)時分配，在傳統(tǒng)課程中提升理論學(xué)習(xí)占比，在新技術(shù)類課程上提升實踐占比。

第四，堅持理論與實踐相結(jié)合。在理論學(xué)習(xí)的同時增加實踐環(huán)節(jié)，除了傳統(tǒng)的現(xiàn)場實地實習(xí)，還要增強高校與企業(yè)的合作，堅持產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合，使學(xué)生真正走入真實的工作環(huán)境，更好適應(yīng)社會需求。

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Research on Talent Training Mode of Intelligent Construction under the Background of

New Engineering Education

ZHAO Quan-sheng， LIANG Xiao-yong， ZHAO Yuan-yuan， LIANG Ri

（School of Civil Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang，

Hebei 050018， China）

Abstract： Under the background of the development of the new era， human beings have entered the fourth industrial revolution， and the industrial upgrading of the construction industry is imperative. The proposal of intelligent construction points out the direction for this. Major colleges and universities have also increased intelligent construction majors in response to national policies. Based on the introduction of the background and significance of intelligent construction， this paper first expounds the formulation of training programs in colleges and universities， and then introduces the main contents of BIM technology， 3D printing， intelligent machinery， and artificial intelligence in intelligent construction from the perspectives of design， construction， and operation and maintenance management of construction projects， and discusses the training of intelligent construction professionals， hoping to provide reference for the training of intelligent construction professionals.

Key words： new engineering education; intelligent construction; artificial intelligence; teaching mode; talent training