基于BIM的工程管理仿真实验教学平台建设的研究*

吴京戎 蒋 翔 吴京戎

（1.湖北工业大学工程技术学院，湖北 武汉 430068；2.湖北工业大学 土木建筑与环境学院，湖北 武汉 430068）

在工程管理人才培养中，实验教学对学生的实践能力、工程素质和创新能力培养具有非常重要的作用。而工程管理、土木工程专业学生在开展实习实训过程中，由于建设企业的安全规定，对学生直接参与现场操作较为谨慎，学生很难参与企业的直接生产过程。为了解决这一问题，就必须加强信息技术相关能力的培养[1]，这就需要高校加大精力投入高度仿真的平台建设。早在20世纪70年代，Chuck Eastman博士就提出了建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)[2,3]。如今，各大高校已经将BIM教学引入课程，本项目将工程管理BIM实验教学平台整合、建设，逐步实现了工程管理与其他学科、其他专业的交叉融合与实践，紧密地联系到教学实践和教育科研的工作中，把先进科学理念、研究成果体系和研究方法有机融入三维实验课程教学，为促进学生的主动探究学习、独立动手实践学习和自主创新学习实践活动创造了条件，促使BIM 三维实验课程教学实践作为学生自主探究解决学科基础理论问题研究的最主要手段，构建理论课堂互动和教学实践研究基地有机互动结合的科学桥梁，进而为实现教育、研究理论与教学实践活动的科学有机互动融合而打造平台。

1 研究的作用及意义

建设BIM 实验室平台，能够解决BIM 实验教学与专业课程教学之间相融合的问题，更好地构建教学体系和建设教学团队；同时，BIM 实验教学平台资源的开发和建设，能够大大提高学生的创新意识。

(1)结合现有CAD、BIM实验室，充分整合各类实验教学资源；构建以能力培养为主线，多平台、多层次、多模块的，与课程体系相对应的工程管理BIM 实验教学平台教学体系。

(2)通过建设BIM 实验教学平台，不断优化师资队伍和管理水平，建设一支“双师双能型”BIM实验教学管理与教学团队；利用学院实验室参与企业横向课题研究。

(3)提出一套BIM实验教学平台与实体实验的结合机制，发展基于专业仿真软件和多媒体技术的虚拟仿真实验教学手段，构建BIM 建筑模型实验环境和实验对象，使学生能够了解在建筑施工中，任何一个环节中的信息都对整个工程产生着举足轻重的影响，可以加深学生对工程管理在整个建筑生命周期作用的理解。

2 研究背景

(1)基于学校长期围绕建设特色鲜明的高水平应用型大学为目标，坚持深入推进产教融合，与实验室相关的特色建设、双师队伍建设、创新创业教育都取得了丰硕成果，在实验室设备资产、师资队伍、管理模式等研究条件上夯实基础。

(2)利用学校现有教育部产教融合协同育人平台、省级虚拟仿真实验室平台、湖北省荆楚卓越工程师建设平台以及与湖北省住建厅的科研课题、与企业正在进行的横向课题。校企合作深入，师资力量雄厚、科研层次丰富。

(3)此项目所在学校近三年年均实验建设经费逾千万元，建立有BIM实验室、CAD机房、土木实训车间，还有BIM协会、建筑设计协会、工程成图协会等数量众多的特色实验室和学生兴趣协会，还与湖北省地质工程院、海波重工、中诚信达咨询公司、北京柏慕进业等建立有产教融合基地。

(4)学校老师指导学生连续在众多国家级竞赛中取得佳绩。近三年，在全国大学生结构竞赛、全国大学生成图竞赛、天正杯BIM 竞赛、湖北省工程训练竞赛、挑战杯大赛、斯维尔BIM全国赛上均取得了好成绩，体现了教师团队和学生的综合能力。

(5)项目团队教师重视实验实践教学改革，学校设立有寒暑假教师下企业锻炼制度，目前双师型比例超过50%；团队教师积极开展教学研讨活动，互相交流教学过程中遇到的问题以及改进措施，多次选派教师外出培训学习、到兄弟院校进行调研交流，为教学水平的提高、学科建设和实验室建设奠定了很好的基础。

3 研究内容

(1)BIM系统主要包括建模软件(建筑、结构、设备)、绿色建筑分析软件、工程造价计算分析软件和施工组织设计软件。整合网上及学院教学资源，完成工程管理BIM实验教学体系和资源的框架建设。

(2)基于广联达、BIM 5D、REVIT、PKPM的建筑设计及施工、算量软件，使学生掌握应用软件进行建筑设计与建模，所建模型可以供下游绿色建筑分析软件、造价计算与分析软件直接使用，后者无须重复建模。并进一步推广到实际工程应用中，提高学生的专业技能，为之后的毕业设计和工作奠定基础。

(3)实现一键将一个已开发完成项目中的二维的BIM设计量模型自动转化成三维的设计算量模型、安装的设计算量模型等的模块，涵盖了3D Max、Navisworks、Revit、建筑设计、MEP、绿化和环保工程模型以及多个专有的应用软件所支持到的数据格式。

(4)主要对建筑结构进行计算与分析，可以进行上部结构计算、基础计算、砌体计算及结构施工图设计。支持多种软件兼容或提供接口，如Revit、PKPM、Midas、Etabs、探索者等。将建筑模型导入后，可以直接进行绿色建筑设计，利用绿色设计实现可持续性发展目标，包括自然采光、自然通风、建筑节地设计、节水设计和室内外通风等。

(5)当导入建筑模型数据并在软件系统内自动进行三维建模计算后，即可自动完成对工期进度的精确测算控制和综合分析，利用施工进度管理的系统功能，对施工过程实现了4D、5D 的实时施工和进度跟踪管控，把模型数据导入安装计算量软件模块中，即可自动完成全面和专业级别的施工碰撞和检测，完成地下管线综合设计、工程设计流程优化设计和优化施工管理方案设计等。

(6)导入建筑模型后完成项目施工及现场环境的初步设计规划和现场布置，制定施工项目进度计划，供建筑模型完成4D、5D 建筑的现场模拟，提供项目招标文件范本，对接招标计价软件系统，导入项目工程量清单编制和投标报价，制定投标文件并开展项目招投标[4]。

4 研究方法

(1)文献收集与调查法。查阅收集与本项目相关的国内外文献及案例，对比仿真实验教学与传统实验教学模式的共同点和不同点。有目的、有计划收集实验资料，并对这些资料进行分析、比较和归纳，揭示BIM实验平台建设总体框架和运行的最优设计。

(2)实验法。根据研究需要，通过小型项目试运行，借助一些方法和技术消除一些可能影响最终结果的因素，从而重新认识研究对象；通过上述方法确定研究对象之间的因果关系。

(3)实际案例法。将BIM 平台与实际实验相结合，根据BIM 类项目横向课题，选定一个特定对象进行调查和分析，并与实体实验结果进行对比分析，弄清楚其特点和主要的形成过程，通过实际项目的推行完善平台建设，并引导学生参与实际项目，建立创新性人才培养机制。

(4)模拟实训和交流学习法。模拟实际实验项目，开展BIM 仿真实验实训，着重培养学生理论结合实践的能力和创新能力，组织相关教师到国内外相关院校观摩学习，组织参加高校BIM 实验教学中心建设与发展研讨会，组织学生参加全国性的BIM类竞赛，增进与其他院校的交流与联系。

5 仿真实例

5.1 BIM建筑建模实训

学生将通过使用Revit、Navisworks、BIM 5D、Lumion、3D Max、AutoCAD 等专业软件，实现三维全流程专业的BIM 施工模式系统的快速构建设计和集成运用，借助专业软件的碰撞点检测等检测功能，快速检测导出碰撞点模型的设计优化，反复多次测试和调整优化后最终获得施工模型。整个BIM建筑技术系统的使用操作流程图如图1所示。

图1 BIM技术应用流程图

5.2 碰撞检测

对管线进行优化设计，使用BIM可进行管线碰撞检测，降低管线返工风险。运用Navisworks对系统进行碰撞检测，按照吊顶高度、安装与操作、运行与功能、养护与检测设备等技术条件，全面地做出相应的技术调整，达到国家相关标准的规定[5]。碰撞点示例如图2所示。

图2 碰撞点示例

5.3 优化管线综合排布

在三维环境下，可以查看模型中任意角度，特别对于管线布置纵横交错、设备复杂位置的项目来说，通过Revit Mep深化后出施工图纸，能提高施工效率。

在尽量确保管线符合地下建筑设计要求与地下利用空间功能要求的前提下，管道、管线应尽量暗埋在地下管井、电井筒和吊顶内，运用BIM技术才能最好地实现优化设计。

利用Lumion软件制作三维动画，机械停车库、车道视频漫游等全面展示设备、管线、建筑结构的位置、轴线标高关系，有助于项目管理人员掌握整个工程的空间关系，如图3所示。

图3 虚拟动画漫游图

最后进行成果图输出，包括三维图、局部大样图和剖面图、支吊架、安装顺序和工程量清单等，如图4所示。

图4 施工成果图

5.4 全过程一体化管理

运用现代BIM建筑技术，通过对地下管线进行综合分析的信息系统整合，导出地下管道构件的分项工程量清单统计，见表1。并可同招标投资和监理部门统计出的分项工程量清单数据进行横向比较和修正，为编制招标投资预算文件提供数据基础。对管道结构工程实施精细化管理与流程规范化管理，在结合了RFID技术应用与GPS定位技术应用衔接点后实施的安全生产与施工管理阶段，进行了全生命周期过程的统一管控。

表1 管道明细表

5.5 实训小结

通过BIM 技术的渗透学习，从建模到最后的BIM 5D综合应用管理，引导学生参与分析、讨论、表达等，使学生在具体的问题情境中积极思考、主动探索，以培养学生综合能力，使学生快速参与项目实施全过程，掌握BIM虚拟仿真应用技能。

6 研究重点、特色及创新

6.1 研究重点

通过建立虚实结合的工程管理BIM 实验教学平台，形成与专业课程相对应的仿真实验项目，完善仿真实验项目教学大纲，拓展实验及实践教学的深度和广度，使学生能通过虚拟仿真BIM实验融合，学习实验步骤，验证实验原理，掌握专业技能，巩固理论知识，全面提升学生的专业素养和创新能力。

6.2 研究特色

(1)建立虚实结合、虚实互补的实验教学新模式，结合构建BIM模型虚拟仿真技术与真实实验环境和实验操作相互补充，激发学生的学习兴趣，充分启发学生的创造性思维，大大缓解实验教学和实验资源有限的矛盾，利用可视化的动态仿真实验使学生直观地认识实验结果，使学生更为系统地掌握专业理论知识，提高人才培养质量。

(2)运用多种信息化手段，实现从传统的实验室人工运行模式到基于网络通信和数据库等技术的实验室智能运行新模式转变，整合优质实验教学资源，降低实验室维护及耗材成本，实现信息技术与实验教学体系的有机结合，使得实验室管理、教学、科研与信息化技术携手并进。

(3)以培养学生创新意识和创新能力为宗旨，利用互联网技术与信息技术，构建具有贴近工程、高度仿真、开放共享的工程管理BIM实验教学资源。

6.3 研究创新

(1)工程管理专业BIM综合实验与教学实践平台系统的建立，一方面能够真正使学生系统地接受涉及从建筑设计、施工、算量、管理流程等的全知过程、全方位知识的专业综合实践理论知识，另一方面训练学生培养由专业理论应用到工程实际、理论应用与工程实际的交叉融合应用的专业综合实践能力，达到专业知识、能力、素养三者协调发展的专业培养目标。

(2)该平台开设的试验教学项目与科研相结合，坚持以最前沿的科研成果和虚拟仿真技术为先导，保证工程管理BIM平台的先进性，保证人才培养的质量。

(3)平台不仅是在校生实训的场所，同时可作为社会人员继续学习、培训、提升的基地，创新土木工程实验教学与人才培养模式。

7 结语

(1)工程管理BIM 仿真实验教学平台的建设，可为建筑设计、土木工程施工、工程造价管理、工程项目管理、桥梁结构、BIM 技术推广应用等其他模块虚拟仿真教学平台的建设提供参考和解决方案，进一步为土木工程、道路桥梁专业等综合虚拟仿真实验中心的建设打下基础。

(2)工程管理BIM实验教学平台项目成果具有可操作性、可复制性，可在各高校及职校嫁接使用。通过实例演练，学生利用BIM技术的能力得到了很好的提高，还可以参与各类课题与真实项目。

(3)工程管理BIM 实验教学平台的运行，给学生提供从工程认知学习到专业实践、综合应用训练多层次能力提升路径，可有效提升学生的工程实践能力、专业建设和社会服务能力，促使学生更好的就业，产生良好的经济与社会效益。