建筑信息模型技术在土木工程专业实践教学中的应用探讨

刘元珍 胡凤丽 王文婧

摘 要：实践教学是高校培养企业需要的应用型人才的关键环节，如何提高实践教学的质量是目前高校实践教学改革的关键。针对目前实践教学的不足，提出将建筑信息模型技术（BIM）运用于土木工程专业实践教学中，对实习和设计两大环节分别进行了具体的分析，并为BIM技术在高校实践教学中的进一步推广应用提出一些建议，以期实现土木工程专业创新人才实践教学体系的改革，优化教学平台，增强学生的实践能力和创新能力。

关键词：BIM；土木工程；实习；设计；实践能力

中图分类号：G640 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2018）05-0001-04

建筑信息模型（Building Information Modeling，以下简称BIM）的思想起源于20世纪70年代的美国，经过一系列的研发和探讨，得到了业内人士的广泛认可，并在一些大型的工程项目中发挥了重要的作用。BIM是一个工程项目物理及功能特性的数字化表达，是一个共享的资源，为该工程从概念设计到废弃拆除的整个寿命周期的所有决策提供可靠的依据，集中体现项目各参与方的协同工作[1]。它可以用来展示建设项目的全寿命周期，包括设计、施工、运营以及维护等过程，具有如下五大特点：可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性[2]。

随着BIM技术在工程应用领域的优越性逐渐凸显，我国政府及行业协会对BIM技术的应用也越来越重视。2011年，国家住建部在《2016～2020建筑产业化信息化发展纲要》中提出将BIM技术列入“十三五”规划发展重点推广技术之一，在全行业进行推广应用；而国家 “十一五”科技支撑计划与“十二五”建筑信息化发展纲要中也提到将BIM技术纳入研究内容；此外，一些企业也开始大量引进BIM技术人员，而BIM技术在一些大型的国家重点项目建设中如上海中心大厦、北京奥运会场馆和上海迪士尼乐园等都發挥了重要的作用，因此BIM技术的发展应用已成为一种必然的趋势。在未来几年里，BIM技术的发展会越来越广泛，对相关人才的需求将会更迫切，因此如何解决人才需求问题，成为BIM技术发展运用的最大障碍因素。而高校作为人才培养的基地，将BIM技术引入教学体系，优化教育平台，培养BIM技术人才，已迫在眉睫。

土木工程专业是需要理论和实践紧密结合的学科，企业对人才的实践能力要求较高，而现有的教学体系中虽然实践教学（实验、实习、课程设计、毕业设计等）占专业课时的30%左右，但由于土木工程专业具有周期长、分散的特点，在3～4周的实习周期或者短暂的设计过程中，学生无法完全参与从图纸设计到成品施工完成的整个过程，这就导致学生对工程项目的认知仅仅局限于抽象的课堂讲解和空间想象，无法实现理论和实践的完美结合，学生缺少实践能力和对岗位技能的认知度[3]。而BIM技术的模拟性及可视性特性可以很好地再现建筑项目的整个实现过程，即通过BIM 技术的4D虚拟施工，在计算机上模拟建筑项目的施工过程，可以直观地显示每一个分部分项目工程的施工过程，将施工现场挪到课堂，从而可以解决目前土木工程专业教学体系中存在的情景教学资源少、实操场地受限、实操成本高以及工具材料重复利用率低的问题。

一、BIM技术的国内外应用现状

目前而言，发达国家对于BIM技术的研究与应用较多，且制定了一系列BIM技术的应用标准。与之呼应，BIM技术在一些发达国家的高校教学体系中的应用也在发展与完善。如：美国奥本大学将BIM技术融入到本科施工课程的教学中，使得学生的实践能力得到很大的提高[4]；美国斯坦福大学将BIM技术融入到“建筑工程项目管理”课程中，用以提高学生综合运用不同项目管理方法解决实际问题的能力[5]；德克萨斯A & M大学在2004年已经将BIM技术引入本科教学体系中，此外还开设了BIM技术的研究生课程[6]；伍斯特理工学院在土木和环境工程专业的部分课程中也融入了BIM技术，学生完成作业的速度与效率得到了提高[7]。此外，英国威斯敏斯特大学、西英格兰大学等也在积极地开展基于BIM技术的相关课程[8]。

与国外相比，我国对BIM技术的研究应用才刚起步，在广度和深度上均还不够，BIM技术主要在一些国家型特大重点项目中应用，还未得到普及，更未完全渗透到高校教学体系中，目前我国对于BIM技术的教学改革仍处于探索阶段。如，清华大学与企业建立长期的合作关系，合作成立了BIM 技术研究中心，培养学生BIM 软件的操作能力[9]；中南大学将BIM技术融入教学体系改革试验中，并取得了良好的效果[10]；东南大学、深圳大学、华中科技大学及哈尔滨工业大学等高校的土木工程本科专业开设了BIM技术的课程，从BIM 基础知识到各种商用软件的教学授课，并在实践教学环节中增加了对BIM技术的应用，同时在硕士、博士研究生培养阶段开设相关课程和毕业学位论文选题方向，以期培养更多的BIM技术人才，缓解目前BIM人才严重缺乏的现象。虽然BIM技术在我国已经引起了部分高校的重视，并进行了一系列教学改革，但是在BIM技术广泛应用、BIM技术人才紧缺的今天，这些举措远不能解决我国BIM技术人才紧缺的问题。因此，如何将BIM 技术广泛地引入土木工程等工程类本科专业教学和实践环节中是当前亟须解决的问题。而实践教学作为土木工程教学体系的重要组成部分，对提高学生的认知、实践能力起着举足轻重的作用，本文针对目前实践教学中存在的问题，提出将BIM技术应用于土木工程专业实践教学中，以期增强学生对工程的认知，提高其实践能力和创新能力。

二、BIM技术在土木工程专业实践教学中的

应用探讨

（一）实践教学现存问题

土木工程本科教学以社会需求为目标，以学生就业为导向，培养具有较高素质的应用型人才为根本目标，但纵观近年来的就业情况，学生就业形势不容乐观，尽管有部分原因是受到经济政策的调整影响，但主要原因还是实践教学环节无法达到预期的效果。实践教学环节的主要任务是通过实践手段加强学生的实际动手能力，尤其是应用基本知识解决实际问题，并逐渐形成创新思维方式的能力。土木工程实践教学环节，对于学生专业知识面的扩展、创新能力的培养、综合素质的提高、解决工程实际能力的提高，都起着举足轻重的作用。传统的实践教学由于受到技术条件和实践场地等的限制，无法达到培养应用型人才的目的，学生实践能力和创新能力差，导致许多毕业生难以胜任技能要求高的专业岗位，所受的学历教育和应用能力相脱节，不具备相应专业岗位的竞争力。其具体问题主要体现在以下方面。

1.实习教学环节。（1）实习场地联系困难。由于施工现场具有一定的安全隐患，而参与实习的学生众多，安全难以保障，基于安全考虑，许多建设单位不愿接受这种学校组织的集体实习活动。因此，实习工地的联系是实习教学的一大难题。（2）工程覆盖面窄，学生缺乏角色参与感。由于受学校社会资源和实际情况的限制，实习单位只能选择有限的几个，而实习的内容只能局限于这些单位的已建或在建工程，工程覆盖面狭窄，内容单一，对于学生全面认识工程、拓宽视野非常不利。此外，实习教学的时间有限，而工程建设周期却很长，导致学生在这有限的实习期限内仅能接触到项目施工的一个阶段或者某一局部，无法参与项目建设的整个过程，对工程项目形成直观全面的感受，而有的实习仅仅通过到场参观、指导教师讲解、学生被动听讲的方式，使学生缺少角色参与感，被动地“走马观花”。（3）考核方式较为单一。土木工程专业实习过程由于人员众多，秩序维持困难，无法客观鉴定学生现场学习的具体情况。目前实习的考核方式基本采用实习报告和实习证明的方式，在一定程度上导致抄袭实习报告等不良现象的出现，影响学风的同时还可能导致日后从业态度出现偏差。

2.设计教学环节。设计环节作为实践教学的重要组成部分，包括课程设计和毕业设计两部分。在实际教学过程中，设计教学缺乏连贯性且脱离实际，各科课程设计单独命题，缺少与其他课程的联系，加上教师讲课时也是分开教学，互不相连，因此，学生无法将所学课程知识联系起来，缺乏应对实际工程中复杂多变情况的能力，因此与实际存在脱节现象，参考价值不足，实践教育的目的未能完全实现。

在毕业设计环节，目前大多数院校采取与实际工程相结合的方式，即所谓“真题真做”，但在实际操作中受到设计时间和规范等熟悉度的制约，设计内容往往经过大幅度简化，因此涉及的实际问题较少，需要学生分析的客观资料不多；从设计内容来看，高校毕业设计内容基本类似，大多是选择框架结构或砌体结构的办公楼、

宿舍、教学楼，覆盖面较为固定，缺少创新，与实际工程有一定差距，与日新月异的土木工程发展存在较大的脱节。

（二）BIM技术在认识实习环节的应用探索

认识实习是学生在学习掌握了一些课程之后进行的第一个实践性课程，对于培养学生的兴趣，建立对工程项目构造和施工工艺的感性认识具有重要的作用，可以让学生了解自己所学专业的用途，解决学生心中“我学这个以后能做什么”的疑惑。将BIM技术引入认识实习，构建基于BIM技术的不同类型工程的典型案例教材库。在大一学生入学之初通过BIM软件虚拟仿真模拟技术，进行建筑施工全过程的通识教学，让学生对建筑结构构造、施工工艺等形成全面的认识，解决实习场地受限、工程覆盖面狭窄、安全问题难以保证等问题。此外，学生通过BIM技术动画演示对认识实习的内容提前了解，带着问题去参观，有的放矢，从而达到事半功倍的效果，避免了盲目的走马观花和填鸭式讲解。

（三）BIM技术在生产实习和毕业实习环节的应用探索

生产实习和毕业实习是学生学习掌握专业课程后，以一名实际工作者的身份，深入到施工第一现场，参加实际施工的过程，是学生将理论知识应用到实际工程的重要步骤，对培养学生实践能力和创新能力具有重要的作用。传统的生产实习教学，缺少实习预演和准备，只依靠指导教师联系工地参观学习或辅助以专家讲座的形式，最后以一份实习报告作为结束，缺少事前准备和后续总结，浪费精力、经费的同时却达不到预期的效果。利用校园网络作为实习整合的平台，通过BIM技术可视化虚拟仿真模拟特性，设立建筑工程项目网络施工模拟实验室。BIM网络施工模拟实验室可以生动形象地还原施工现场以及过程控制，使学生直观地感受工程的动态变化，完成理论与实践的完美结合，从而解决当前生产实习存在的问题。在开始生产实习之前，将学生分为若干小组，每个小组负责一个子项项目，根据即将实习的工程图纸，通过BIM软件进行模拟建模和四维虚拟施工演练，并将每组的模拟结果上传共享，作为以后实习考核的一个参考，改变原有的单一考核方式。由于每组负责的项目子项不同，杜绝了抄袭雷同的现象，保证了实习教学的质量。而且通过对施工图纸和施工工艺的实际模拟操作，加深了学生对实习内容的认识，提高了学生的综合运用能力，实现了理论知识和工程实践的很好整合。此外，改变原有的集中时段实习方式，将学生的实习分开、分段进行，根据工程项目的实际进度情况，先让学生进行实習内容的BIM模拟建模，模拟结束后，利用课余时间，分小组由指导教师带到工地进行现场学习，根据自己在模拟施工过程中学到的工艺方法到施工现场真正参与施工，同时解决模拟中的问题和疑问。而每次实习后，再根据自己实际工程经验和技术总结完善虚拟施工过程，达到两者相辅相成的效果，真正实现实践教学的目的，有效地提高学习效率和教学质量。此次实习结束后，等待实习项目施工进行到下一个关键进程，重复以上步骤，在不大量增加学时的情况下，将实习分散到不同的工法和部位，避免传统实习过程中出现的“实习开始时基坑开挖，实习结束了还在基坑开挖”的现象。

（四）BIM技术在设计教学环节的应用探索

土木工程实践教学体系包括实习教学和设计教学两大环节，对于培养企业所需的应用型技术人才，两者缺一不可[11]。在优化实习教学，提高教学质量的同时，要进一步优化设计环节，建立基于BIM技术的交互实践平台。学生通过BIM虚拟教学的初步认识和网络施工模拟的具体操作将实习所得进行深化，通过化整为零的方式进行课程设计，化零为整的方式进行毕业设计，建立实习和设计的交互平台。将实习所得内容作为设计环节的前提与基础，而通过具体设计过程使学生更加系统地掌握所学的理论知识和实习内容。在整个过程中，要求学生将设计和实习资料都在平台上进行保存，并分门别类管理，方便学生查阅和修改。此外，还可以借鉴国内外已有的BIM技术在设计环节应用的经验，设计中，建筑、土木、工程管理不同专业的学生协同作业，共同完成一个实际工程项目的综合设计，按专业划分成不同组块，分工设计，协作完成；同时，同一专业学生可以分成不同的小组，小组之间、小组内部详细分工，每名参与者负责不同内容，例如BIM建模、模型分析和模型管理等。通过这种方式可以锻炼学生团队之间的交流协作能力和知识综合运用的能力，为以后的工作奠定基础[12- 13]。

三、BIM技术在土木工程专业中的其他应用

BIM技术作为当前建筑行业的一个新兴技术，对于降低建筑成本，提高工程项目的建造效率等方面具有重要的作用，BIM技术在建筑领域的应用已成为一种趋势，为适应社会的发展和企业对人才的需要，高校在土木工程专业本科教学中也要积极地进行教学改革，将BIM技术引入到土木工程专业本科教学体系中，并不仅仅局限于实践教学体系。笔者根据当前国内外已有的BIM技术教学探索，对将BIM技术引入教学体系提出以下建议。

（一）构建BIM技术的课程体系

根据教学目的和要求，编写BIM技术教学大纲，选定适合土木工程专业教学的BIM课程教材，规划课程体系和授课的顺序。沿用目前土木工程专业教学由浅入深的教学模式，在大一、大二阶段主要进行与BIM技术有关的基础课程以及软件模块认知教学，使学生了解BIM技术的基本概念、发展历程、工作原理、实现方式和工程应用等，提高学生对BIM学习兴趣的同时，兼顾学生BIM软件的操作能力。而进入到大三、大四阶段主要进行软件的实际操作，将BIM软件和所学专业课整合，完成具体工程项目的建模和分析，使学生将所学的知识运用到实践操作中，提高其实践能力和创新能力的同时，巩固其理论知识，实现课程与课程之间的衔接。

（二）将BIM技术作为辅助教学手段

Runder认为BIM技术在建筑设计、施工等方面具有如下作用：帮助学生了解整体建筑设计；将概念设计理念和建筑设计相结合，有助于学生考虑建筑的成本、可施工性和环境的影响等因素；可以帮助学生学习团队之间的协调和合作能力[14]。因此，在土木工程专业的一些课程教学中，利用BIM技术的可视化特性，采取专业讲解和动画演示相结合的方式进行，增加学生的学习兴趣，提高教学效果。例如，BIM的3D技术和工程制图、结构设计等结合，将原本的二维识图转换为三维可视，降低了识图的难度，改变单纯利用抽象空间想象能力的学习方法；BIM的4D技术与“土木工程施工”等课程结合[15]，模拟施工过程，帮助学生直观地认识项目的具体建设过程，让学生对施工工序、施工方法的选择、施工现场的组织等问题有更好的理解；将BIM的5D技术和“建筑工程造价”“施工组织设计”等课程结合，模拟成本动态变化过程，使学生更好地理解工程量计算、进度计划编制和施工定额的套用等。

（三）建设BIM技术师资队伍

目前BIM技术在国内的研发应用还刚刚起步，人才的缺乏是目前BIM技術在我国大力发展最重要的阻碍，而高校作为人才培养的关键基地，在BIM人才培养方面起着举足轻重的作用，人才的培养需要专业的师资队伍。目前，太原理工大学专业教师队伍中，熟练掌握BIM技术的人员较少，需要大力加强这方面教师队伍的建设。首先，鼓励教师通过自学、培训、考察、参与项目、申报课题等方式提高专业知识和教学水平；其次，考虑引进这方面的优秀人才，以点带面，提高学院在BIM方面的教学水平和科研能力；最后，可以聘请行业专家，承担部分课程、提供知识讲座等形式，弥补课堂教师资源不足的问题。

BIM技术应用于土木工程实践教学中是对信息技术和课程整合的一大补充，为实践教学改革提供了一个新的视角，对实现土木工程专业创新人才实践教学体系的改革，优化教学平台，增强学生对工程的认知度，提高其实践能力和创新能力，具有重要的意义。因此，作为人才培养基地的高校应该加强对BIM技术教学应用，将BIM技术融入到本科教学体系中，制定BIM教学改革的方案，为企业培养行业所需的应用型人才。

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