基于BIM技术的建筑工程虚拟仿真实训中心的建设研究

戴晓燕, 刘 超

(1. 湖北第二师范学院 建筑与材料工程学院, 湖北 武汉 430205；2. 武汉大学 纪委、监察部, 湖北 武汉 430072)

包括虚拟现实在内的第四次工业革命是一次全新技术革命,已悄然到来到我们所处的社会。这也是一场全新的绿色工业革命,其技术突破的总体方向是数字化、网络化、智能化、绿色化。随之而来的便是支撑工业发展的工程教育,将面临应对我国新经济与新产业对新工科人才战略需求的新机遇、新挑战。因此,教育部于2017年2月提出了我国高等工程教育的新工科行动计划。“新工科”是一种新型的工程教育理念,即“大工程观”,强调培养跨界整合能力、创新创业能力、应用实践能力的综合、复合型工程科技人才,服务于产业现实急需和未来经济发展需要[1]。培养土木类人才的应用型本科院校,迎来了很好的发展契机,更应致力服务区域新经济的现实需求,创建基于BIM技术的建筑工程虚拟仿真实训中心(以下简称BIM虚拟仿真实训中心),是学校可持续发展的有效举措。

1建设BIM虚拟仿真实训中心的必要性

1.1 BIM技术是新工科建设中土木类专业人才所必须要熟练掌握和应用的新技术、新工具

从CAD技术到BIM技术的需求变化,是在以新技术、新业态、新产业、新模式为特点的新经济蓬勃发展背景下的产物[2]。BIM(building information modeling,建筑信息模型)是在建筑领域应用信息技术,实现对设计、施工和管理过程仿真和模拟的一种技术和管理方法[3]。推行BIM技术应用,发挥其可视化、虚拟化、协同管理、成本和进度、质量、安全控制优势,将减少返工浪费,有效缩短工期,提高工程质量和投资效益,极大提升项目全过程精细化管理水平,从而促进绿色建筑发展、提高建筑产业信息化水平、推进智慧城市建设和实现建筑业转型升级。

因此BIM技术被誉为建筑行业的第二次革命,在欧美、日本及我国香港地区的工程建设领域已取得了大量应用成果,在我国建筑业的应用推广也进入快速发展新时期,整个建筑行业对掌握 BIM 技术的人才需求非常迫切,目前国内面临BIM技术人才匮乏的窘境。BIM技术人才培养和学校息息相关,在国家政策驱动下,已成为全国院校关注、发展的新方向。“新工科”建设中土木类专业人才更应与时俱进,掌握社会所需的BIM技术,从而提升就业核心竞争力。

1.2 建设BIM虚拟仿真实训中心可为土木类专业办学在新工科建设中提供虚实并举、互为补充的有效解决方案

虚拟仿真教学作为高等教育信息化建设和实践教学的重要手段,是学科专业知识体系和信息技术深度融合的产物[4]。土木类专业具有实践性强的显著特点,需要学生在工程实践中掌握岗位技能,但鉴于工地施工安全生产因素复杂的行业特点,使得学生的实践教学往往不能落到实处,实践环节的效果往往不尽如人意,BIM虚拟仿真实训中心建设恰好可以解决这个一直以来令学校棘手的难题。

通过BIM技术可以运用其信息处理及动态仿真的特点,营造生动立体的可交互式施工现场模拟场景,模拟仿真建筑施工现场的各部分工作,建立立体课堂,使学生身临其境,更加真切地了解施工工艺与工程项目管理流程,达到实践训练的效果[5]。能够扩大课堂内涵，弥补传统教学手段的不足,实现教学运行经费高效利用,有助于培养高素质工程应用型创新人才,可以有效推动新工科人才培养改革。

2 BIM虚拟仿真实训中心建设内容

2.1 BIM虚拟仿真实训中心组成

BIM虚拟仿真实训中心以提升BIM实践能力为核心,按照学习流程分成4个实训室,具体组成如图1所示。

图1 BIM虚拟仿真实训中心组成

BIM虚拟仿真实训中心以BIM技术为核心,融合虚拟仿真技术,将二维学习模式转化为三维学习模式,以“教、学、练”为体系,以工程实训为背景,使土木类专业学生在校期间能够完成从建筑构造识图、Revit三维建筑模型创建到BIM5D(3D+进度+成本)综合虚拟建造管理等跨学科一体化的课程,通过实际案例学习工程建设项目全生命周期的工程项目管理,满足学生对新经济下的社会需求,更好地达到新工科人才培养目的。

2.2 BIM虚拟仿真实训课程体系

BIM虚拟仿真实训中心以硬件环境为依托、软件学习为载体、教学师资为保障,开设BIM一体化建筑工程虚拟仿真实训课程,如图2所示。

(1) BIM虚拟仿真实训中心以具体工程项目为实训案例,根据建设周期各阶段BIM业务内容,设置实践性更强的BIM一体化实训课程,有益补充理论课程。实训课程体系设计遵循螺旋式教学,从单项技能到综合技能,培养土木类专业学生BIM综合应用能力；实训课程内容以工作中实际业务为主线,进行任务划分,让学生在做中学、学中做；实训课程学习方式以学生小组学习形式为主,在校内提高学生的团队协作能力,毕业后能更好地融入工作环境。

(2) BIM虚拟仿真实训中心综合应用BIM技术、虚拟现实技术VR、增强现实技术AR实现沉浸式教学,在明显降低实训成本的同时,可实现三维可视及情境仿真化,使学生能在虚拟的三维环境中,直观地感受到建筑工程各个部位的造型、施工工艺,并可利用交互虚拟操作参与真实的建造过程,学会方案优化、虚拟施工和碰撞检测,如图3所示。

此外,中心还可建立实体模型、环幕硬件系统等,借助实体模型与虚拟模型,通过虚拟仿真技术使“软”“硬”结合,更加逼真地呈现出工程项目施工全过程,使学生身临其境地感受现场施工的氛围[6]。引导学生将课堂学习融入工程实践,通过可视化教学方式培养学生掌握施工现场工艺及质量控制方法等,解决学生空间想象力不足等具体问题,如图4所示。

图2 BIM虚拟仿真实训课程体系框架图

图3 通过BIM技术三维展示、虚拟建造示意图

图4 BIM虚拟仿真教学中的虚实结合示意图

2.3 BIM虚拟仿真实训中心运行与管理

(1) BIM虚拟仿真实训中心成员由实训中心主任及相关任课教师组成,负责中心建设与实施全过程。首先应制定各项规章制度来规范管理,从制度上保证中心的正常运行。同时为更好地完成实践教学任务,应另设由其他有经验的教师组成的中心教学监督组,制定一套完善的质量监督体系,并负责对中心运行效果进行监督,包括对中心管理的意见反馈和对任课教师教学质量的定期考评,考评结果作为教师年度工作成绩考核的重要依据之一[7]。同时,也会定期组织学生座谈和开展学生评教工作,使教学工作处于学生的监督之下,促进教师不断改进教学方法,提高教学质量。

(2) BIM虚拟仿真实训中心面向学生采取全天候开放形式,中心教学资源实行对外开放制,学校师生可在需要的时候申请使用,完成教学任务及科研任务[8]。中心也鼓励师生利用课外时间走进实训中心,积极利用BIM技术平台参加相关BIM职业技能大赛,使现有资源最大限度地得到利用。

(3) 鼓励有条件的企业参与BIM虚拟仿真实训中心建设,协同育人。 企业可利用开发实力和支持服务能力,与学校信息化教学资源充分整合,同时也可为企业软件产品的市场推广、人才培训提供支持,做到校企战略合作,培养应用型人才,为地方经济发展提供人才服务,保障中心可持续发展,最终达到共赢的效果[9]。

3 特色与创新

3.1 BIM技术承载信息广,可与相关课程有机结合

BIM技术核心是通过建立建筑信息模型,使得工程建设项目全生命周期内不同阶段不同参与方均可获得所需要的数据,BIM虚拟仿真实训中心可帮助学生以实际项目为载体,按照建设程序,实现数据共享和信息化管理,实际体验从设计、招投标交易、施工组织设计到施工项目管理及竣工交付各个阶段的工作流程,提升项目精细化管理和控制水平,最终实现智慧建造。

除了单设的实训课程之外,还可将建筑工程制图、建筑材料、房屋建筑学、工程项目管理、工程造价管理、毕业设计等课程体系通过嵌入相应BIM技术元素而有机联系起来,如图5所示。如在建筑施工技术课程中融入BIM施工模拟,展示更加直观可形象感知的施工过程；在工程项目管理理论课程融入BIM5D(3D+进度+成本),并通过BIM+VR技术来展示建筑安全管理类内容；对于建筑工程制图、房屋建筑学及建筑材料等课程可采用三维模型轻量化来讲解；在毕业设计环节中,结合具体的工程项目实例,提高学生融会贯通BIM技术的综合能力。

图5 建筑工程虚拟仿真实训中心适用课程

3.2 提高学生实践技能,提升就业竞争优势

BIM虚拟仿真实训中心为提高人才培养质量提供了有力的技术手段,为学生理解BIM技术在工程项目建设中的应用提供了信息交互的环境。一体化实训课程体系全面,教学模式能立足前沿而贴近实际,从而提升院校教学水平及综合实力。中心在抓好第一课堂教学的同时,也可充分发挥第二课堂在学生创新实践能力培养中的重要作用[10],通过成立BIM社团等形式,为广大BIM兴趣爱好者提供交流学习平台。鼓励学生积极参加全国高等院校BIM应用技能大赛等各种赛事活动,以赛促教、以赛促学,实现高校土木类专业之间的BIM协同合作,提高学生的实践及创新能力,增强选手的团队协作能力,缩短社会适应期,提升就业竞争力。

3.3 打造教科研团队, 提高实践教学水平

师资队伍是新工科建设中人才培养的引擎,BIM虚拟仿真实训中心可以帮助教师通过BIM专业培训、参与企业BIM工程实践、专题调研等方式,全面了解建筑行业人才需求,提高教师对新技术、新方法的应用能力,适应社会发展需要。教师在完成规定的实训教学任务前提下,还可利用中心搭建的平台组建BIM项目研究团队,充分发挥学术、技术优势,开展BIM相关教科研课题研究,促进学校适应新形势进行教学改革,增强实践教学活力,从而打造实践教学水平过硬的“双师型”队伍。

3.4 提供社会服务,提高社会影响力

新工科建设倡导应用型本科院校主动对接企业技术创新需求,把握行业人才需求方向,深化产教融合、校企合作。BIM虚拟仿真实训中心可利用自身资源,充分挖掘潜力,在保证学校内部实训教学任务的前提下,可面向周边辐射开展社会服务与交流合作[11],提高中心的运行效率。如为各项BIM技能大赛提供场地及面向社会开展BIM应用技能培训服务,包括对行业内企业开放共享资源学习、提供职工教学培训、下岗人员再就业培训及农村转移人群技能培训等。中心也可承接BIM工程项目,开展建筑全过程的BIM技术咨询服务,为学校带来经济效益的基础上,解决区域经济现实需求,促进地区产业发展。

4 结语

工程实训是土木类专业学生培养的重要环节,工程实训中心在培养学生的创新意识、创新能力和实践能力中的地位日益重要[12]。 随着BIM技术在建筑业的广泛应用,对于开办土木类专业的应用型本科院校,应主动对接地方经济发展需要,凝练办学特色,重视BIM人才培养,加快BIM虚拟仿真实训中心建设,促进学科专业与BIM信息技术的交叉融合,提升学生实践与创新能力,培养具有较强行业背景知识、工程实践能力、胜任行业发展需求的应用型人才,从而推进高等教育新工科建设。