基于BIM的土木工程课程体系教学改革

黄海生，吴丹丹

(1．莆田学院　土木工程学院，福建　莆田　351100；2. 莆田学院　环境与生物工程学院，福建　莆田　351100)



基于BIM的土木工程课程体系教学改革

黄海生1，吴丹丹2

(1．莆田学院土木工程学院，福建莆田351100；2. 莆田学院环境与生物工程学院，福建莆田351100)

摘要：BIM技术给建筑工程的发展带来了新的变革，但由于BIM技术人才的缺乏阻碍了它的创新。本文基于BIM在国内外的教育现状，探讨了在土木工程专业的BIM教学过程中教学目标的确定、课程体系的建立、跨学科协同课程的设置和师资队伍的建设等问题，以期为BIM在土木工程专业中的教学改革提供借鉴。

关键词：土木工程；教学改革；BIM；课程体系

建筑业目前正处于一个重大的技术改革和转型之中。随着科技的发展，各种可持续高性能的建筑材料和建筑信息模型BIM(BuildingInformationModeling)正逐渐的应用到建筑项目中，这使得建筑行业处于一个关键、重大的技术改革和转型之中，其中BIM技术在土木工程中的应用正受到越来越多的关注。BIM概念最早是于1975年由“BIM之父”ChuckEastman首先提出[1]，后来得到不断的完善。而目前比较完整的是美国国家BIM标准(NationalBuildingInformationModelingStandard,NBIMS)的定义：“BIM是设施物理和功能特性的数字表达；BIM是一个共享的知识资源，是一个分享有关这个设施的信息，为该设施从概念到拆除的全寿命周期中的所有决策提供可靠依据的过程。在项目不同阶段，不同利益相关方通过在BIM中插入、提取、更新和修改信息,以支持和反映各自职责的协同工作”[2]。

建筑信息模型BIM对建筑业和建筑工程师来说是一次巨大的信息技术革命。斯坦福大学综合设施工程中心研究了32个采用BIM技术的工程得出了如下的使用BIM技术的优点[3]：(1)节约了高达40%的预算成本；(2)成本估算的精度在3%之内；(3)减少了高达80%由于时间产生的成本估算；(4)通过冲突检测节省了10%的合同价值；(5)减少了7%的项目时间。

正由于BIM的这些优点，越来越多的企业都已经开始使用建筑信息模型BIM技术。BIM技术的应用开始于美国，由美国总务管理局在2003 年推出了国家3D-4D-BIM计划，并陆续发布了系列BIM指南，之后在其它的国家如欧洲、日本、韩国等也得到了迅速的发展。中国的建筑行业对于BIM技术的应用也始于2003年，十二五期间住建部将BIM技术列为重点推广技术，国内也有很多著明的工程引进了BIM技术，如北京奥运会水立方馆、上海世博会德国国家馆、中央音乐学院音乐厅等。虽然近几年BIM技术也得到了不断的推广，但是目前使用者还是以小部分的设计单位为主，就BIM技术的使用的深度和广度来说，目前也还只是刚刚起步[4]。

一、BIM在国内外高校的教学改革现状

尽管BIM技术已在建筑行业得到广泛的认可，而且企业也意识到BIM技术能够简化施工的过程，节约企业的时间和成本，但是由于BIM技能人才的缺乏限制了这些企业对BIM技术的使用，而缺乏足够的培训是BIM技能人才缺乏的最主要原因。在新的技术变革和创新的传播中高校发挥了其突出的作用，尤其是在建筑领域，高等教育的教师应该是教育改革的关键因素，在变革的过程中通过对学生进行BIM技术的基础性训练完成知识的传播。

BIM技术改变着现代土木工程的构建方式。这种新兴的技术需要新的思维和技术技能，以实现它的效率性和成本控制性。土木工程的高等教育多年来作为建筑行业主要的人才培养基地，为建筑企业的人才输送发挥了至关重要的作用。在高等教育中进行BIM技能的教育不仅能够降低建设企业BIM技能培训的成本负担，也能够更高效、更大范围的为企业培养出拥有BIM技能的储备人才。在土木工程的高等教育中，学生作为受教育的主体，必须掌握先进技术的使用技能，他们才会成为这个行业的领导者和先行者。学生只有掌握了BIM这一新兴的技能，他们才会在未来的工作中更具有竞争力,更加受到建筑企业的欢迎。

将BIM课程引入到高等教育中，欧美国家走到了我们的前面。20世纪90年代，美国的乔治亚理工学院就开始研究BIM技术了，它们成立了BIM建筑学院，提供了相关的课程，专注于对特定的行业进行BIM软件开发。而大部份的美国高校引进BIM课程是在2003开始的，截至2012年，将近103所高校开设了BIM课程[5]。相对于发达国家，国内的高校在BIM技术的教育还处在探索阶段，只有少数的高校开设了BIM的相关课程，如，哈尔滨工业大学开设BIM技术应用课程，北京工业大学开设了BIM创新实践课和选修课，大连理工大学在毕业设计环节开设了BIM方向，大连民族学院开设了BIM实验选修课程[6]。

二、土木工程专业BIM教学体系改革

1.BIM课程体系的教学目标

课程教学体系目标的确定是新课程建立最为重要的阶段，因为它体现了学生在完成该课程后需要了解、理解、掌握、运用的知识。课程目标的确立需考虑许多的因素，比如：建筑业中BIM技术的使用给企业带来的机遇和挑战；BIM在建筑企业中的应用情况；在建筑业中BIM教育的情况；建筑企业的BIM技术人才要求。综合考虑上述因素，结合高校专业发展的规划特点，形成各自专业特色的课程体系目标。如美国的德克萨斯A&M大学，建立了BIM专题课程，其教学目标涵盖了BIM从设计到设备管理的建筑生命全周期内的应用、原理和方法，主题包括计算机辅助设计、参数化建模、数据库、网络技术、设计性能仿真和可视化等。美国的华盛顿大学，开设了项目管理理念课程，其教学目标包括可视化、三维碰撞检测、制造自动化、数字化的现场布置、4D模型、竣工模型生成和利用BIM进行数字化信息管理，探讨如何利用可视化和信息技术进行项目的策划与执行[7]。

2.BIM课程教学体系的建立

由于BIM具有很好的交互性和更高的绘图效率、各专业的相互协作性，所以BIM技术的学习必须通过一整个课程体系，国外常见的课程设置方法有新开设BIM课程和在现有的专业课程中植入BIM两种。BIM课程体系应根据不同的教学目标、不同的专业特点进行设置。BIM的应用能力包括BIM软件的操作能力和工程技术能力，国内土木工程本科专业人才培养方案一般在低年级主要学习基础课程，进入三、四年级才进入主要的专业课学习。故在BIM课程体系的设置上，在低年级应主要学习BIM的初级知识，包括BIM的发展历史和趋势、BIM的定义和概念、常用的基础的BIM软件(包括Navisworks,Revit,Bentleyt和GoogleSketchUp)的建模、一些建筑构件的参数化建模等等。而在进入高年级时，应注重将BIM和专业知识体系整合起来，把BIM植入到不同的专业课程里，使学生更加全面深刻的掌握BIM知识。

BIM的可视化信息技术包括3D、4D和5D三种。3D主要是通过三维空间的方式表述建筑构件模型，包括建筑的整体效果、构件的大小形状、以及构件的材料组成等，通过3D技术可以实现建筑三维的可视化、构件材料信息的数字化、三维的碰撞检测。并且通过BIM的3D技术，可以直接生成用户所需要的建筑的效果图、立面图、断面图等传统2D表示的图纸，最为效率的是当3D模型修改时，这些图纸能够自动更新。学生利用3D的模块能够对建筑构件的形状和特点更加直观的认识，特别是一些建筑的细节，比如梁、柱的配筋构造特点等。而4D技术是在3D技术的基础上增加了时间的维度，能够模拟建筑工程的施工过程，从而对施工过程进行模拟和控制。通过4D模拟施工过程，学生对建筑施工的流程更有深刻的认识。而5D是在4D的基础上加上成本的维度，通过5D的技术，不仅能够进行建筑工程的预算，且能够对工程进行动态的成本管理，从而实现虚拟施工模型[8]。

通过以上分析，本文建立了土木工程专业的BIM课程体系如表 1。在这些课程中除了传统的由教师课堂讲授的方法，还应采用实践教学、行业专家讲授的方式。实践教学的方式可通过课程设计或上机实践方式相结合，能使学生更加熟练的掌握BIM的知识，包括建筑模型的建立、工程施工模拟、日照节能分析、三维碰撞检测、数字化的现场建模、工程量计算和施工性审查等。而行业专家讲授方式是通过聘请行业内拥有丰富的BIM技术使用的多年经验，结合其在实际工程中遇到的典型案例和相关的经验，弥补学生在校内工程经验的不足，使学生更高效的掌握BIM技能。

表1　土木工程专业的BIM课程体系

3.跨学科协同课程的设置

建筑工程设计和施工过程涉及到许多不同的主体，这些不同的主体包括业主、建筑设计师、结构设计师、项目经理、水电工程设计师、设备工程师、现场管理人员、监理工程师、施工方、机械工程师等。在实际工程中，各主体之间的配合非常复杂，且效率低下。学生很难去弄懂实际工程中项目真正的构建过程。

BIM拥有一项强大模块就是协同工作，通过协同工作能使不同专业的设计师能够实现直观的三维显示沟通，动态更新修改后的模型。通过建立BIM跨学科协同课程使学生能够对建筑构造的实际的工作流程更加直观的了解，使学生在专业知识上的学习更加有效率。跨学科课程相对于单一的课程来说更加的复杂，因为它需要把不同学科的专业知识都整合在一起，而不同学科的专业特点、教学目标、课程安排都不一样，这就需要成立相关部门对不同学科的课程设置进行统筹的考虑与安排。

4.BIM师资队伍的建设

BIM教学体系建立的重点在于与体系内相关课程的植入，这就要求相关课程的教师都能够掌握相应的BIM知识和相关工程经验，而BIM技术在国内刚处在推广阶段，大部分的老师对其都不太熟悉，所以BIM课程体系建立的第一重点便是BIM师资队伍的建设。应成立BIM技术教学研究中心对相关教师进行相关培训，同时也可通过访学、进修、攻读学位和接受社会培训的方式使得相关教师的BIM技能得到不断提升。

三、结语

本文研究的目的是为在土木工程专业中开发一个基于BIM技术教学的新课程体系提供向导，目的是在本科的教学过程中，更有效率的传授BIM的知识和技能，培养更多的BIM技术人才，以适应建筑企业对BIM人才的需求。而限制BIM在高等院校人才培养的一个重要的障碍就是它需要相当的工程经验，而这在短短的四年的本科教育中是不可实现的，所以BIM技术人才的培养不能停止在本科教育，它也需要社会企业加大相应BIM技能培训，为BIM技术人才的培养提供支持。

参考文献:

[1]EastmanC,AndOthers.AnOutlineoftheBuildingDescriptionSystem.ResearchReportNo. 50.[R].ArchitecturalDrafting，1974.23.

[2]NationalInstituteofBuildingSciences.UnitedStatesNationalBuildingInformationModelingStandard[S].

[3]AzharS.BuildingInformationModeling(BIM):Trends,Benefits,Risks,andChallengesfortheAECIndustry[J].Leadership&ManagementinEngineering，2011, 11(3): 241～252.

[4] 何清华，钱丽丽，段运峰，等.BIM在国内外应用的现状及障碍研究[J]. 工程管理学报，2012，(1): 12～16.

[5]BarisonMB,ETSantos.BIMteachingstrategies:anoverviewofthecurrentapproaches[C].Notringham:ProceedingoftheLnternationalConforenceComputinginCivilandBuildingEnginecering,2010.

[6] 郝丽.BIM技术融入高校工程类专业教学的应用研究[J]. 土木建筑工程信息技术，2015，(4): 108～111.

[7]YongHA,ChoCS,LeeN.BuildingInformationModeling:SystematicCourseDevelopmentforUndergraduateConstructionStudents[J].JournalofProfessionalIssuesinEngineeringEducation&Practice，2013, 139(4): 290～300.

[8] 张尚，任宏，AlbertP.C.Chan.BIM的工程管理教学改革问题研究(二)——BIM教学改革的作用、规划与建议[J]. 建筑经济，2015，(2): 92～96.

文章编号：2095-4654(2016)04-0074-04

收稿日期：2016-02-23

基金项目：福建省教育厅社科A类项目(JAS14759) ；莆田学院教改项目(JG201432)

中图分类号：G642.0

文献标识码：A