融入BIM技术的教学模式研究——以通风与空调工程课程为例

董昭 陈鑫 周岩 李闽 周丽 刘清

（武汉商学院机电工程学院 湖北·武汉 430000）

0 引言

美国国家标准对BIM解释是：创建一个共享知识资源，用数字化方法表达一个设施的物理功能特性，通过分享这个设施相关信息，达到这个设施在整个生命周期中为所有对策提供可靠依据。同时在设施建设的不同阶段，让各个参与者在设施模型中嵌入、提取、更新和修改信息，以支持参与者各自职责的协同作业。它具有模拟性、协调性、可视化、优化性、可出图性等特点。

目前，BIM技术在国外许多国家得到广泛应用。在美国建筑业中，BIM应用率从2007年的28%达到了2012年的71%。[1]与之相呼应的是，BIM技术在高校教学中的应用研究也在不断发展与完善。超过70%的美国高校将BIM技术纳入到课程教学中。如：奥本大学在施工专业开设BIM课程，学生各项能力得到显著的提高；[2]萨尔福大学也开设了BIM相关课程，帮助学生提高作业的完成速度和效率。[3]

我国建筑行业使用BIM技术较晚，但BIM技术在建筑行业推广的速度极快，造成了大量的BIM人才岗位空缺。国内许多高校也开始意识到将 BIM 技术融入课堂教学中，培养新出适应建筑行业发展的复合型人才。[4]如清华大学与广联达公司共同成立BIM研究中心，以培养学生BIM软件实践操作能力[5]；大连理工大学将BIM设计融入毕业设计环节，提高了学生实践能力；[6]哈尔滨工业大学开设BIM创新实践课与BIM实验选修课程，提高了学生学习热情。[7]从总体上看，BIM技术融入课堂教学正在引起国内各大高校的注意，但在教育领域中应用的深度与广度还不够，高校教学人才培养方式已经滞后于行业发展，为扭转这一局面，亟须改革现有的课程体系教育模式[8]。

1 融入BIM技术的通风与空调工程课程的意义

（1）该课程内容枯燥，冷负荷计算公式繁多，学生理解困难。利用BIM技术，通过图文并茂，并用相应的DEST软件，直接输入条件即可得出结果。该方法方便快捷，能节省不少繁重计算时间，同时能帮助学生理解负荷计算内容。

（2）该课程侧重于理论，部分内容内已经很难适应前沿技术的发展。利用BIM技术，结合前沿技术，可帮助学生重新构建模型，锻炼学生创新思维，提高学生创新能力。

（3）以往教学只通过习题来强化学习，与实际应用联系不够，学生只能获得感性认识，训练效果不佳。通过BIM技术，如将气流组织计算模拟在三维模型中，更能强化知识的认知。

（4）建环专业与给排水、电气专业联系紧密，学习BIM技术，有助于拓展学生眼界与思路，为今后深入的学习和研究打下基础。

（5）BIM技术在施工设计行业逐级推广，对毕业生要求亦愈来愈高；将BIM技术与专业课程对接，可实现专业知识与企业要求无缝对接，为该专业良性发展和学生就业前景提供良好保障。

2 BIM技术在教学中的应用

在通风与空调工程课程教学中，BIM主要应用在空调负荷的计算，通风管道、空调冷水、冷凝水管道的布置及碰撞检查，空调风、水系统的水力计算，室内的气流组织设计以及机房的设备的选型与置。在教学过程中，通过课堂传导，有意识的将BIM技术融入课程体系中，帮助学生理解相关知识框架与结构，培养出具备理论性、创新性等能力[9]。

2.1 BIM教学内容分析

2.1.1 空调负荷的确定

根据国家节能规范要求要求，空调负荷必须按照房间单元逐时计算。大型建筑内部分区较多、功能复杂，靠CAD二维图形计算负荷，过程复杂且精度不够。而专业的BIM空调设计软件，可以将建筑模型数据通过三维图形呈现出来，并可以将相关数据直接输入到负荷计算软件中，并进行计算。此外，我国地区较多，气候环境复杂，相应的地方标准不尽相同，有的BIM自带负荷计算模块并没有包含相应的气候参数，需要用户自身调整相关参数，同时也要设定相应的围护结构参数。在后期的设计中，通过建模，可以进行能耗模拟，计算全年空调能耗，看是否符合地方节能标准要求。

2.1.2 空调水管、风管的布置与碰撞检查

空调设计中水管、风管的管径选取与布置除了要满足水力平衡要求外，还要尽可能的保证安装方便。在传统的教学过程中，往往只满足水力平衡条件，简单粗暴地体现在CAD图纸中即可。但在实际施工现场中，安装条件严苛，往往出现管道打架的情形。因此，在教学过程中引入BIM建模，将管道连接、升降、爬坡、阀件弯头的布置链接到一起进行集成，通过设置碰撞实验条件，进行碰撞模拟，检查管路碰撞情况，然后不断调整交叉碰撞管路参数，直至符合要求。BIM模型可以多角度旋转观察，还可以进行勾践拆分，在教学过程中完全可以摒弃二维图纸进行讲解，通过对三维视角的讲解，学生学习效率和教学效果将获得大力提升。

2.1.3 空调系统水力计算

根据水力计算方法结合碰撞实验，将模型数据输入软件中，根据最不利环路比摩阻，计算确定管径，并对整个并联回路进行阻力平衡分析与调整，使之满足水利平衡要求。

2.1.4 气流组织的确定

在通风章节中，传统的PPT讲授只能局限在一般的计算过程，对计算后的结果合理性无法进行验证，最终学生对气流组织相关知识无法深刻理解。采用BIM可视化功能，将气流组织计算结果进行模拟，可以很好地验证所得结果是否合理。例如，在验证贴附射流气流状况时，可以根据计算结果，不断调整贴附射流风口个数、高度以及出口风速等参数，在软件中模拟室内的气流状况，分析不同设计对室内空气流动的影响。在喷口送风中，可以调整喷口角度，模拟出整个空间空气流场分布情况，得出最佳的喷射角度。这些能帮助学生理解各种因素对室内气流组织的影响，也能够帮助学生深刻理解到速度场对维持房间参数的恒定起着至关重要的作用。

2.1.5 机房设备的布置与设计

传统的教学方式中，教师都是使用二维图纸来表达机房设备之间的空间关系，这种方式抽象难懂，有些空间能力不强的学生不能很好理解，无法表达出设备之间的作用以及内部的工作原理。将BIM引入教学中，利用BIM软件建模，可以使得模型与真实设备外观一致，通过构建及族的拆解，为学生展示内部结构及工作原理，甚至可以通过动画的方式演示整个系统的运行过程。在教师利用三维模型讲授空调系统原理，空调系统形式如何根据机房特点进行选择这些知识时，无形中就把相关的空调设计过程传授给学生，这种潜移默化过程中，加深对知识点的理解、联系与迁移。

2.2 教学改革

2.2.1 教学手段改革

随着BIM技术不断引入课堂，势必要对课程大纲，教学目标进行改动。在满足教学计划的前提，在课堂授课中，增加必要的BIM环节，这些环节可以利用课后大作业的方式，让学生以小组或者团队完成。例如针对气流组织章节，可提前划分几个小组，针对某个用户环境，每个小组做不同类型的气流组织方案模拟，以抽签的方式让他们计算并模拟出贴附送风、散流器送风、孔口送风、喷口送风过程，并得出最后得结论。通过这种联系，加深对BIM技术的应用能力，既可以提高学生学习兴趣，又可以提高学生动手能力，培养学生团队协作以及解决工程实际问题的能力。

2.2.2 考核方式的改革

针对学生实践环节，对平时成绩进行调整，削减部分考试环节比例，增加实践环节分数，具体方案可以采用平时考勤加课堂表现占比10%；实践环节采用设计作品的形式，其分值占比30%；期末考试采用线上加线下模式，线下为理论知识考试，占比30%；线上完成相关BIM某个环节操作，如气流组织设计中出调整最优风口设置，碰撞检查实验等，该分数占总比30%。

2.2.3 教学平台建设

我校与广联达公司在工程造价课程建设过程中有过合作，可以借助契机，进一步加强合作。企业提供培训服务，为教师或者学生做好相关培训。同时通过校企合作方式，与就业企业联合人才培养模式，企业为学校投资，建立相应的实训室，学校和企业共享开放平台。

2.2.4 用学科竞赛促进教学

本校建环专业学生之前主要参加的是“全国机械创新大赛”，“全国大学生节能减排大赛”等，在BIM领域还未涉及。因此，可以鼓励学生参加BIM大赛，学生自由组队，指导老师带队指导的方式，激励学生主动学习，既丰富学生的理论知识，又培养了学生的实践创新能力。

3 结语

通过将BIM技术融入通风与空调工程课程中，使得整个教学过程更加形象、全面，能够让学生学习效率更高。另外还可以借助翻转课堂，建立线上和线下混合式教学，让学生获得足够的训练，锻炼学生综合创新能力。同时，还可以推广到相关课程，可以形成一个教学系统，整体提高教学质量。其他与建筑相关专业也可以根据自己的特色，还可以适当借鉴引用，进而提高整体的教学效果。