智能建造新专业背景下基于BIM的“土建制图”课程体系改革研究

安栋 白玉星 许海亮 王献云

摘   要：智能建造专业受到国家的高度重视，将引领土木建筑业的发展方向。对高等院校而言，智能建造专业不仅对学生学习提出了新的要求，对就业方向也提供了新的思路，同时对高校的相关课程体系也有更深入的变革。文章以“土建制图”课程体系为例，阐述了智能建造專业给目前课程体系带来的挑战，结合BIM技术的发展现状以及智能建造的专业要求，探索了智能建造新专业中“土建制图”课程的新变化，为新专业和土木工程专业的课程建设提供建议。

关键词：智能建造;建筑信息模型;“土建制图”;课程体系

1    智能建造专业建设现状

智能建造专业是以土木工程专业为基础，面向国家战略需求和建筑业的升级转型，融合机械设计制造及其自动化、电子信息及其自动化、工程管理等专业发展而成新工科专业[1]。智能建造涵盖整个建筑的生命周期（构件制作、结构设计、现场施工和管理维护等），包含多个体系（建筑体系、结构体系、施工体系、装备体系和运维体系等），其中涉及装配式建筑的构件制作是智能建造的基础，涉及建筑信息模型（Building Information Model，BIM）技术的全过程电脑辅助设计（Computer-Aided Design，CAD）是智能建造的保障、涉及交互感知的施工模拟与方案是智能建造的模式[2]。研究和发展智能建造技术受国家高度重视，引领建筑业的发展方向。同济大学于2018年首次开设智能建造专业[3]。根据《教育部关于公布2018年度普通高等学校本科专业备案和审批结果的通知》，北方工业大学已于2019年秋季学期完成招生。

BIM是土木工程相关专业的新工具[4]，是以三维建模为主、土木建筑相关的CAD。BIM可以帮助实现建筑信息的集成，从建筑的设计、施工、运行直至建筑全寿命周期的终结，各种信息始终整合于一个三维模型信息数据库中，各方人员可基于BIM协同工作，由Autodesk于2002年提出。国外大学率先将其引入到土木专业教学中[5]，以Revit等软件学习为基础开展教学，国内高校也开始了探索结合过程。北方工业大学土木工程学院土木工程专业毕业设计和CAD教学中已经引入了BIM技术，包括三维建模、结构设计优化、施工深化和算量等。

智能建造新专业背景下，势必要对现有课程体系进行修订和优化，而BIM技术是新工科中的新工具，其基础的三维建模技术理应加入到专业课程中。“土建制图”课程作为土建类专业学生在大学一年级必修的专业基础课，教学内容包含画法几何、土建制图、制图标准及计算机绘图，有理论、有实践，是一门知识量大而广的课程，该课程学习的效果直接影响学生后续专业课的学习和毕业设计的开展，如何让学生在规定学时内学好这门课程已成为教学改革的重中之重。

2    智能建造专业介绍

北方工业大学作为已经完成招生的高等院校，在智能建造专业建设方面走在了前列。新专业的培养目标是：适应国家建设需要，使学生具有较好的数学和力学基础，熟练掌握土木工程专业的基本知识，精通工程结构智能建造的基本原理和施工技术，能够应用计算机语言和机械控制原理，完成现代土木工程的智能设计、智能生产、智能施工和全过程运行维护管理。在课程设置上，包括：数学类、力学类、结构设计类、计算机语言类、大数据、物联网和人工智能类等课程，通过虚拟仿真实验室和企业共建实践基地，引导学生依托真实工程项目开展专业学习和专业实习，参与专业创新创业，最终达到促进就业的目的。专业课程主要由专业基础课、专业必修课和模块选修课组成，其中主干专业基础课包括“Python程序设计”“三大力学”“机械控制”“BIM技术基础”“智能测绘”等;主要专业必修课包括“BIM工程应用”“混凝土结构设计原理”“装配式结构设计与智能化设计”“人工智能与建造机器人”等;模块选修由建筑工程和绿色建筑、城市地下空间和工程管理等组成。

3    “土建制图”课程现状

智能建造专业以土木工程专业为基础，“土建制图”课程体系沿用土建类专业工程制图，包括“画法几何与土建制图”“土木工程CAD”两门重要课程。按照目前的教学计划，“画法几何与土建制图”为48学时必修课，“土木工程CAD”为32学时选修课和1周CAD实习，其中画法几何是数学中几何的一个分支，为绘制和阅读工程图样以及图解三维空间几何问题提供理论基础[6]。画法几何中所培养的空间想象能力为后续建筑物平立剖图的绘制提供了科学依据。“土建制图”课程主要包括建筑识图、绘图标准等内容，“土木工程CAD”主要包含房屋建筑施工图和房屋结构施工图的绘制实现、制图基本知识和AutoCAD计算机绘图[7]。“土建制图”总体学时偏少，课程内容主要是知识传授，学生主要是被动听课，实践绘图时间得不到保证。土建制图主要为模仿绘制教材和习题集上的图样，多为平面，而且是纸质样板，缺少对房屋结构空间认知程度的训练。学生到计算机绘图阶段，对建筑制图统一标准只有知识上的认识，不能有效地与图形绘制结合，绘制的平面图常缺少必要的箭头、文字、剖切符号等;立面图缺少标高等;剖面图不知哪些构件是剖到的，哪些是看到的;甚至于定位轴线的绘制都不规范，随意性较大。还有一个重要问题是学生空间思维能力弱，只能对现有的建筑施工图和结构施工图进行模仿绘制，俗称“描图”，对整个房屋的内部空间结构和外部空间构件没有整体的把握，无法形成创新实践能力。最后，学生的集体合作能力差，各画各的，只能模仿完成，不能合作完成，大型建筑物的图纸有很多，分类明确，但分组绘制时交流不畅，缺乏团队协作意识。

4    改革思路

结合专业发展规划，提出BIM技术与智能建造、土木工程专业的制图课程相结合的教学目标和教学内容。整合“土建制图”课程体系，建立包括“画法几何”“土建制图”“制图标准”“土木工程CAD”“三维建模”“BIM技术基础”等内容的课程群，根据不同培养阶段的课程特点及学生能力设置上述课程群。根据教育部教学指导委员会和工程认证的指标要求，按照智能建造新专业的教学目标，依托现有“画法几何与土建制图”“土木工程CAD”等课程的教学力量，对原有“土建制图”课程体系进行分解重构，建立层次分明、循序渐进、重点突出的“土建制图”课程群，为新工科、新专业、新技术形势下的专业建设提供参考。

“土建制圖”课程体系的构建，包括“画法几何”“土建制图”“制图标准”“土木工程CAD”“三维建模”“BIM技术基础”等内容。按照每部分内容的学时内容要求，构建适合学生发展、满足教学目标、达到培养要求的课程群。现有课程包括“画法几何和土建制图”“土木工程CAD”“土木工程CAD实习”等。按照现有教学内容，整合科学理论、徒手绘图、平面绘图、三维建模等内容，结合各门课程部分，将平面图形实体化、二维绘图三维化。将Revit等BIM建模类软件引入“土建制图”和“土木工程CAD”等智能建造和土木工程的专业基础课程中。

5    教学措施

智能建造新专业给高等院校的学生提出了新的要求，计算机的普及和BIM技术的进步为专业的发展提供了必要的帮助。将“土建制图”课程与BIM技术结合起来，利用BIM技术的可视化、三维化、信息化等优势，提高学生对“土建制图”课程的学习实践应用能力。软件方面，传统的“画法几何学”听课容易、习题难做[8]，学生对直线、平面等元素认识有限。使用Sketchup软件建立模型，可以有效地帮助学生形成三维概念。建筑构件的平立剖不容易理解，采用Revit族创建，进行一系列构件的生成，包括门、窗、楼板、楼梯等三维构件，在计算机上进行剖切操作，直观地让学生看到构件的平面、立面和剖面。“土建制图”课程中结合制图标准，采用AutoCAD软件进行符合标准的参数设置，包括轴线、线型、尺寸标注等，结合软件出图等帮助学生将枯燥的知识转化为实际应用，最终呈现出符合标准的图纸。“BIM技术基础”将会是智能建造专业的必修课，“画法几何学”是“土建制图”的理论基础，“土建制图”及“制图标准”是“土建制图”的核心，而“BIM技术基础”是“土建制图”的最终落脚点。Revit软件的使用为“BIM技术基础”提供了重要帮助，该软件以对应于建筑构件的绘图命令将建筑物的各个部分按照一定的次序绘制完成，虽然要求学生有一定的房屋建筑学知识，但更重要的是，在建筑物的相应视图上，以平面的形式绘制三维建筑，对学生掌握房屋建筑的基本构造以及完成教学目标有着极大的帮助。

6    结语

智能建造专业受到国家的高度重视，将会引领土木建筑业的发展方向。基于BIM技术的“土建制图”课程作为智能建造专业的重要课程，对高等院校而言，其课程体系建设是一个重要而长远的任务，如何构建一个适合学生学习的课程体系对专业的发展非常重要。本文从软件方面出发，探索了智能建造新专业中BIM技术在“土建制图”课程的应用，为新专业和土木工程专业的课程建设提供建议。

[参考文献]

[1]周建亮，吴跃星，鄢晓非.美国BIM技术发展及其对我国建筑业转型升级的启示[J].科技进步与对策，2014（11）：30-33.

[2]SACKS R，PIKAS E.Building information modeling education for construction engineering and management I：industry requirements，state of the art and gap analysis[J].Journal of Construction Engineering and Management，2013（11）：1-12.

[3]叶晓芹.关于新形势下画法几何学课程教学设计的探索[J].工程图学学报，2004（4）：168-171.

[4]李富平，皇甫平，郭铁能.提高土建类专业学生制图创新实践能力的探讨[J].高等建筑教育，2019（3）：116-121.

[5]胡海军，裴金萍，杨秀娟，等.土建类专业画法几何与工程制图课程教学改革探讨[J].高等建筑教育，2017（3）：66-68.

[6]段乐珍.新形式下《土木工程制图》课程教学模式改革探讨[J].长沙铁道学院学报（社会科学版），2009（1）：62-63.

[7]李怀健，陈星铭，谢玮，等.少学时土建工程制图课程建设的思考与实践[J].东华大学学报（自然科学版），2008（3）：380-382.

[8]谢坚，马彩祝.立足土建专业，寻求改革创新-新编《土木工程制图》特点分析[J].黑龙江教育（高教研究与评估），2014（9）：39-40.

Abstract：Intelligent construction specialty is highly valued by the state and will lead the development direction of civil construction industry. As far as colleges and universities are concerned， intelligent construction major not only puts forward new requirements for students learning， but also provides new ideas for the direction of employment， and at the same time， there are more in-depth changes in the relevant curriculum system of colleges and universities. Taking the course system of “Civil Engineering Drawing” as an example， this paper expounds the challenges brought by intelligent construction specialty to the current curriculum system， combined with the development status of BIM technology and the professional requirements of intelligent construction， probes into the new changes of “Civil Engineering Drawing” course in the new specialty of intelligent construction， and provides construction for the curriculum construction of new major and civil engineering specialty.

Key words：intelligent construction; building information model; “Civil Engineering Drawing”; curriculum system