BIM技术在建筑智能化人才培养中的应用研究①

黄津津，沈维莉

（江苏信息职业技术学院，江苏 无锡 214153）

一、引言

在建筑行业内，建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）是继CAD之后又一革命式的三维数字技术，它给建筑领域带来了一场顺应时代潮流的驱动性变革[1]。BIM以三维模型为基础对建筑信息赋予特定的数字信息，将所有项目数据信息整合成一个信息模型，并对其进行详细描述。与传统的CAD技术相比，BIM具有协同、仿真、可视化、优化和图形化能力五大优势[2]。将BIM技术应用到工程项目中，可以最大限度地避免从设计初期到施工后期的返工，节省人力、物力，提高工作效率。在项目从设计、建设到竣工再到拆除的整个过程中，为了实现项目的数字化、智能化，从根本上缩短项目周期，就需要建筑模型在各个软件中完成信息交换、模型传递和模拟分析等工作，因此，能否将信息完整、规范、有效地赋予建筑模型并进行传递是关键。在国际上，BIM数据传输标准主要内容包括数据模型IFC（Industry Foundation Classes）标准、数据字典IFD（International Framework for Dictionaries）标准和过程信息分发手册IDM（Information Delivery Manual）。基于此，美国、日本、新加坡等国相继推出BIM标准手册，将BIM技术规范化并推广应用。在国内，自“十一五”规划以来，基于IFC的信息模型开发刚刚起步[3]，2007年中国建筑标准设计研究院提出了JG/T198-2007标准以后，各企业和高校相继开展BIM信息数据交换研究，这将为建筑行业的变革开辟重要路径。

建筑能耗是社会总能耗的重要部分，在全球的建筑能耗占比中，30%是建筑运行能耗，5%是建筑建造能耗，因此，在建造之前充分利用数据优势对建筑进行能耗分析是建筑节能的重要环节。而在我国传统的建筑设计中，建筑能耗模拟并不理想，这主要是由于跨专业人才的缺乏和建筑信息的复杂性，导致在能耗分析的过程中一直缺乏有效的数据，而BIM软件之间具有互通性，可以将信息融合在建筑模型中，通过导出不同的格式在各软件之间进行交换，并且在建筑信息模型中也包含了能耗分析的基础数据，也可以通过云平台进行数据及时的协作更新，进行后续的持续能耗分析，因此，BIM技术在建筑能耗模拟分析中占有绝对优势，BIM数据转换技术的发展对建筑行业的节能减排具有重大意义。

二、BIM技术在建筑智能化工程中的应用

BIM技术在建筑智能化工程应用中涉及整个项目周期，主要包括设计、施工和运维。在我国传统的建筑设计过程中，设计基本流程为可行性分析、方案设计、初步设计、深化设计、施工图设计等，而大部分的能耗分析和运行设计均在施工图阶段之前，如果在设计的前期出现修改或者方案的变动将会导致大量的返工，尤其是建筑方案的修改将会造成下游专业包括暖通、给排水、电气、消防等设计的重复工作，这也是自CAD绘图替代手工绘图以来困扰设计师的最大问题，造成了大量的人力和能源的浪费。建筑信息模型可以在初步和深化设计阶段将模型进行搭建并将建筑信息包括材料、型号、尺寸等融合在模型中，在各专业尤其是设备专业协同正向设计的过程中，各专业负责人能够及时发现设计的疏漏之处，包括管道与结构、管道与建筑之间的硬碰撞、系统之间的交叉影响等，能够大幅度减少后期施工过程中的技术问题，同时也能减少造价专业的计算工作，因此，大多数设计院在近年来首先引入BIM技术，在广州、上海、深圳等城市相继在建筑行业提出BIM正向设计要求。

在施工阶段，成本控制和施工质量是衡量项目质量的关键因素，目前，大多数企业是通过现场驻场设计师对施工人员进行技术指导，而在现场施工的过程中一旦出现问题，将需要多专业的配合，很大可能会导致工期延误，进而造成施工成本的增加，此时如果涉及方案的修改是不现实的且浪费大量人力，因此，利用建筑信息模型预测并提前分析施工过程中可能遇到的问题并及时提出解决方案是BIM技术在施工现场的主要作用，而目前国内大多数施工人员在信息化模型方面的知识和技能较为缺乏，多数企业停留在利用BIM软件进行模型建造和渲染方面，这就忽视了BIM技术核心的功能，因此，利用BIM技术预测建造问题、提供技术解决方案，最终服务于项目全过程的质量和成本精准把控是其优势所在。

三、BIM技术在建筑智能化人才培养中的必要性

（一）智慧建造的发展需求

智慧建设概念的提出是以美国IBM公司在2009年提出的“智慧城市”理念中对城市智慧的理解[4]，基于我国建筑产业的发展，智慧建造涉及施工现场的进度管理、科学设计施工安全指标、制定危险识别系统、完善施工方案设计、深化施工质量监管、控制施工成本以及后期自动化运维等方面[5]，将BIM技术融合到项目生命的全过程，主要体现在以下三个方面。

1.可以优化设计方案、预测施工问题、透明维护系统，尤其是建筑设备专业本身较为复杂，涉及水、暖、电、消防各专业的管线综合排布，利用BIM技术能够有效解决碰撞问题。

2.在后期运行过程中出现故障可以通过三维模型快速找到问题所在，有效降低运维成本。

3.通过BIM技术搭建智慧平台进行数据共享和转换，能够根据业主需要快速匹配建筑模型，利用传感技术快速调节室内温度及湿度，为用户提供更加舒适的居住环境。

（二）节能低碳的需求

在建筑的使用期限内，建筑设备的运行能耗包括采暖、制冷、通风、灯光等，是建筑能耗的主要部分，调查研究表明，在中国社会总能耗中，建筑运行能耗的占比约为22%，相比之下，建造能耗占比仅为11%。在“十四五”规划纲要中提出推动绿色发展，促进人与自然和谐共生，这对建筑节能提出了更高的要求，因此，在建设前期利用BIM技术优化建筑能耗分析，降低建筑设备运行能耗，是推进“碳达峰”工作的目标要求。

（三）人才培养的定位需要

建筑智能化工程涉及专业面较广，其子系统包括综合布线系统、网络系统、电话系统、电视系统、视频监控系统、入侵检测系统与巡更系统等，建筑智能化工程专业人才定位为能够从事施工管理、工程造价、资料管理、物业管理、智能化系统工程设计、施工、调试运行及维修保养等工作的高素质技术技能人才。由于传统建筑设备专业和新兴的建筑智能化专业人才的结构断层，近年来，建筑行业体制改革呼声越发强大。2021年，全国建筑业总产值同比增长11.04%，与此同时，工程建筑行业的生产率增长明显低于其他行业[6]，基于我国提出的2030年“碳达峰”和2060年“碳中和”的“双碳目标”，如何提高建筑建设全过程的效率、优化资源配置、降低建筑能耗成为关键问题，因此，建筑设备方向的人才需求将趋于对智能化建设的更高要求，即能够在建筑过程中使用计算机、信息集成等技术，提高建筑的采暖、电气、消防、安防等综合性能，实现建筑的通信、办公、安防、消防自动化[7]，而BIM技术对设计采购模式、施工管理模式、建造方式和运维模式的突破则是推动智能建造的有力支撑。

四、建筑智能化课堂实践案例

（一）课程设计

建筑智能化专业主要学习建筑设备的安装及其系统运行管理，包括电气控制、水电设备安装、计量计价、综合布线等，这对学生的三维空间想象能力有较高的要求，BIM建模技术则能很好地解决这一问题，因此，BIM技术在国内市场逐渐开始大规模应用，设计单位、施工单位和部分第三方机构对BIM技术的研究也逐步展开，这就导致建筑市场对“BIM+X”技能型人才需求增大，据住建部2018年“‘十三五’中期建筑信息化发展研究”课题调研显示，有37.65%的中小型建筑设计企业，信息技术理念落后、前瞻性不足，成为建筑设计行业智能建造升级的短板[8]。因此，为了适应建筑市场对综合应用型人才的需求，BIM建模和BIM集成将成为职业院校为建筑智能化专业开设的核心课程，同时，BIM技术系列课程如渲染技术、计量计价的同步开设，能够使学生快速掌握BIM信息化模型的概念，推动新一代信息技术与建筑工业化技术的协同发展，为建筑行业培养高质量的综合应用型人才。

（二）教学设计

基于建筑智能化工程技术专业核心课程和专科层次学生综合素质目标要求，BIM技术课程的开设时间集中在大二阶段，现以目前建筑行业已经推广使用的建模技术为例展开教学设计。

在BIM软件群中，最有代表性的建模软件是Revit系列，利用Revit可以实现对建筑整体模型的搭建，包括建筑主体、结构和设备系统。因此，在设置课程时，将建模技术分为两个课程，包括BIM建模技术和BIM集成技术，BIM建模课程目标为培养掌握建筑模型搭建的基本操作技能，使学生具备BIM技术的基础理论知识，BIM集成课程目标是使学生在具备基础建模操作和理论知识的基础上，拓展能够进行建筑设备系统建模的能力，包括对给排水、采暖、通风空调、电气和消防等专业的管道综合协调能力。此外，培养学生深入学习BIM技术的兴趣，对接渲染、碰撞检测和能耗分析等BIM系列外接软件，为学生后续成长为综合型高端技术人才打下基础。

建筑智能化工程技术在企业中多从事建筑设备领域，因此BIM集成技术是学生的核心课程，教学过程以4课时为一个完整环节，教学设计如下：

1.课前导学：在课程开始之前学生通过“智慧教学平台”下载本节课任务资料，包括CAD图纸、模板文件等，教师通过上节课程的反馈，动态调节在线课程的视频教学重难点，学生通过提前建立的在线课程，观看本节任务的操作视频，明确本节课程需要掌握的实操技能。

2.课堂教学：本环节学生将通过“两练一观，任务驱动”完成课堂目标，“两练”即首先通过教师带练，一步一个操作，解构教材知识点，其后，学生进行拆解练习，重构机电模型；“一观”即在课中环节，由学生观看工程视频，将模型与实际相结合，进而独立完成本节课的机电模型，此时，教师则通过评判学生模型构架和操作步骤，对错误较多的关键部位进行统一讲解；“任务驱动”即学生在课堂上可以通过扫描课件中的二维码，解锁未知任务，在完成教材模型之后的剩余时间内自由发挥，最后作为本节课的评分依据。

3.课后自学：本环节主要是培养学生的个人兴趣，锻炼其自主学习能力，学生在课后可以登录“智慧教学平台”下载课后作业，作业量并不大，主要为零散的机电模型，以防止难度过大影响学习动力，完成后的作业可以通过云平台上传，或者通过Revit自带的Autodesk Viewer建立个人账户，将模型上传到云平台随时查看，培养学生对BIM技术的兴趣。

（三）案例应用

以BIM集成课程第五章“给排水BIM建模”中的第七部分内容“绘制排水支管”为例展开本文提出的教学设计在应用中的案例介绍。

课前导学：学生通过“智慧教学平台”上发布的资料和视频进行自学，提前下载好本环节所需要的1～3层给排水平面图及卫生间排水大样图，对于工程人员而言，利用BIM进行建模是基于设计好的施工图展开模型搭建，这是建模操作技能的基础，学生只有在对图纸充分认识的基础上才能开展建模工作，因此，首先，要通过阅读给排水设计总说明明确排水管道的坡度、管径、管道标高等，通过阅读线上规范了解给排水设计基本原则，为后期调节管道打下基础。其次，进一步观看基础操作视频，完成线上课前预习任务点。

课堂教学：首先，教师明确本环节所需掌握的新操作技能，包括使用Revit软件中“MEP设置”对新增管道坡度的设置，根据图纸绘制出排水管道并保证排水干管和支管、支管和设备之间的正确连接。在“两练”环节，教师对管道绘制顺序进行拆分，主要包括添加排水坡度、绘制排水横干管、绘制排水支管、连接排水设施、绘制排水立管、连接排水管道系统、设置存水弯，使学生了解排水管道绘制的主要步骤，明确建筑内部废水的排除是依靠重力作用，所以随着水流的聚集管道直径逐渐增大。其次，学生跟随教师的演示步骤，逐一完成各个环节的操作命令学习，这一环节使学生掌握基本操作命令，熟悉Revit软件界面功能。在“一观”环节，通过播放实际排水管道安装工程施工视频，使学生意识到排水管道安装中的重点在于位置和坡度的精确，材料尺寸的合适以及气密性的重要性；通过观看局部排水动画，使学生认识到存水弯和通气管的重要性，这是保证居住环境内的废气排出室外而不向室内扩散的关键，排水管道一般是安装在楼板以下以节约管道空间保证排水畅通，由于废水内物质繁杂，排水管道材料需要耐腐蚀且具有一定的强度。通过“两练一观”教学，使学生对BIM技术的认知不仅停留在三维模型的概念，将抽象复杂的信息化概念具体化，学生更加容易理解。在应用过程中，结合施工的案例可以将数据输入图元属性中，包括水流量、温度、水泵扬程等，这对深入展开流体模拟进行管道水力计算有重要意义。在“任务驱动”环节，区别以往教学的练习模式，通过互联网技术提高学习兴趣，教师将拆解的简单任务点上传到云链接，学生通过扫描二维码，解锁各个任务点，每完成一个建模任务获得相应的课堂积分，任务以简单的三维模型为主，告别了晦涩难懂的做题模式，获得的积分实时可见，更容易调动学生的积极性。

课后自学：本环节不设置特定任务，学生自主在云平台下载资料，深入拓展学习BIM技术链接技术，可以将自己的模型通过Revit自带的Autodesk Viewer上传到个人账户中分享给大家，也可以将模型导入Navisworks或Lumion等软件中进行渲染，或者将模型导出为GBXML或DXF格式文件，将其直接导入BIM技术能耗模拟软件Ecotect中进行能耗分析。学生所得到的数据和资料可以在个人账户进行分享，以供大家共同交流学习。

五、结语与展望

本文通过对BIM技术的发展和应用分析，剖析了BIM技术在建筑能耗分析以及施工全过程的优势，并结合建筑智能化的发展，研究了BIM技术在建筑智能化人才培养中的应用，最后以实际的课堂案例介绍了BIM技术在建筑智能化课堂的教学实践。

1.通过分析BIM技术在设计到施工全过程的应用，提出BIM技术是测建造问题、提供技术解决方案，最终服务于项目全过程的质量和成本精准把控的重要手段。

2.本文对数据交换和能耗模拟分析中BIM技术的关键作用展开论述，阐述了BIM技术在建筑节能中的优势，提出通过BIM技术实现数据交换，结合建模和模拟分析软件展开建筑能耗的模拟和预测，在建设前期辅助调整设计方案，这对节能减排具有重大意义，有利于实现“碳中和”的目标。

3.从行业体制改革、社会需求、节能低碳、人才培养定位四个方面分析了BIM技术在建筑智能化工程人才培养中的应用，提出在建筑智能化工程课程中引入BIM技术教学，展开基于BIM技术的建模、计量计价、渲染技术、碰撞检测等BIM群的教学对培养高质量综合应用型人才具有重要意义。

4.本文通过实践教学案例，提出基于BIM建模技术的教学设计，以“绘制排水支管”为例展开本文提出的教学设计在应用中的案例介绍。教学效果表明通过“两练一观，任务驱动”教学设计，区别以往教学的练习模式，通过互联网技术提高学习兴趣，学生对BIM技术的信息化理解加深，学习动力明显提升，通过课后对BIM软件群的探索，学生自主学习能力明显提高，从而提高了建筑智能化工程技术专业人才培养质量，为该领域培养高端综合应用型人才打下基础。