基于BIM技术的土木工程专业数字化教学改革探索

马玉彬，刘红波，李彦苍

（河北工程大学 土木工程学院，河北 邯郸 056038）

2017年2月以来，教育部积极推进新工科建设［1］，倡导将产业和技术的最新发展、行业对人才培养的最新要求引入教学过程，更新教学内容和课程体系，建成满足行业发展需要的课程和教材资源，积极推进信息技术与教育教学的深度融合。高等院校适时融入BIM技术进行土木工程专业数字化教学改革，这不仅响应了教育部新工科建设的号召，还是培养国家高素质工程复合型人才、保障建筑行业健康发展的需要。

一、我国BIM技术推广应用前景

2020年8月，住房和城乡建设部等部门发布《关于加快新型建筑工业化发展的若干意见》，明确指出大力推广建筑信息模型（BIM）技术［2］。BIM技术已成为我国建筑行业未来的发展趋势，其推广与应用对建筑行业的转型升级与科技进步将产生深远影响。目前，我国既精通土木工程专业知识又具备BIM技术能力的人才缺口较大，难以满足建筑行业适应新型建筑工业化发展趋势的需求，该问题已经成为我国通往建筑工业化4.0时代的主要瓶颈。因此，为提高建筑工业化应用领域专业技术人员的知识水平与技术能力，满足建筑企业对BIM技术专业人才的需求，在全国高等院校中开展融入BIM技术的土木工程专业数字化教学改革势在必行。

二、BIM技术融入土木工程专业教学的探索实践

BIM技术的融入是现阶段土木工程专业数字化教学改革的机遇，国内各大院校陆续开展BIM技术在土木工程专业教育教学体系中的探索实践。柳锋等［3］在土木工程专业人才培养模式、教学方法和教学内容几方面探讨了BIM技术在高校土木工程教育中的应用。刘红勇等［4］分析了普通高校开设BIM实践教学的可行性并给出了BIM教学的内容、目标、方式方法等方面的建议。郝丽［5］对BIM技术融入工程专业教学的多种可能形式进行了积极探索。黄海生等［6］提出了土木工程专业BIM课程设置和师资队伍建设的具体思路，指出了工程经验是限制BIM技术应用在高校人才培养中的主要障碍。邢栋等［7］分析了土木工程专业BIM教学改革面临的问题，并给出了BIM知识融入土木工程专业教学的实施建议。孙巍巍等［8］探寻了一条以BIM模型为主线开展专业课程协同教学改革思路，可帮助实现不同课程中建筑模型、结构模型、施工模型的有效衔接。李昕［9］在新工科建设背景下探讨BIM技术运用于土木工程专业的教学现状，并提出了专业课程协同教学改革思路。

综上所述，大部分院校对BIM技术融入土木工程专业教学体系的改革研究仍处于各自探索阶段，尚未能形成系统的BIM技术融入土木工程专业教学的建设标准，难以指导高等院校实施BIM技术融入土木工程专业人才培养和课程体系构建的教学改革方案。

三、BIM技术在我校土木工程专业教学中的应用

（一）构建BIM技术课程体系

根据新工科建设要求，通过分析我校土木工程专业本科教学改革现有传统知识体系，在相关课程中增加BIM技术知识，重构传统专业知识课程与BIM技术知识体系相融合的新工科课程体系。首先，沿用由浅入深的教学理念规划课程体系。大一、大二阶段在专业课程教学中融入BIM技术，针对学生进行BIM技术启蒙认知教学，使学生了解BIM技术的基本概念及工程应用，提高学生的学习兴趣。大三阶段开设“BIM技术与应用”课程，系统讲授BIM软件的操作应用，进而将BIM软件和所授专业知识相结合，以具体工程项目为依托完成BIM建模和结构分析。大四毕业设计阶段，开展BIM方向的工程项目施工与管理类型毕业设计，针对实际工程案例项目，在方案设计、细部构造、项目管理等方面采用BIM技术完成预定任务，以此提高学生的实践能力和创新能力，实现专业知识与BIM技术的整合应用。通过以上方式，培养学生在学习专业知识的同时，潜移默化地熟悉并掌握BIM技术的应用能力。

（二）成立河北工程大学BIM技术研究中心

河北工程大学BIM技术研究中心拥有Revit、Navisworks、广联达系列、Tekla、PKPM、品茗、鸿业等几十种通用BIM软件，现已构建土建、钢结构、道路与桥梁等多个专业研发小组，团队先后开展了BIM相关标准参编、资源协同平台搭建、关键技术等实践研究，与广联达、鸿业、杭州品茗等多家BIM软件公司展开深入合作，兼顾组织BIM技能等级考试与培训。

（三）注重师资队伍BIM能力建设

我院充分认识BIM技术在建筑行业中的发展潜力，在教师的BIM能力培养方面给予充分的政策支持和资助。积极组建BIM教学科研团队，鼓励教师参加各种BIM学术会议、讲座，选拔骨干教师利用寒暑假时间集中进行BIM应用技能培训。鼓励教师编写BIM技术应用类高校土木工程专业课程配套教材，通过撰写BIM相关教材提高教师对BIM技术的认知与了解程度。我院教师自编《装配式建筑中的BIM技术应用》教材并应用于专业教学，教学反馈良好。通过校企合作方式引导教师到企业挂职锻炼，通过参与实际项目积累BIM技术应用经验，以此提升我院教师BIM技术的应用能力。此外，我院还从企业选聘具有BIM技术的专业人才以校外导师身份指导学生进行BIM方向的毕业设计，以此补充我院BIM师资队伍。

（四）建立BIM实践基地，探索校企产学协同育人模式

开设BIM实践基地，可以将BIM有效地融入专业实践教学，也是完善BIM教学体系的重要环节。我院积极与企业合作，建立BIM实践基地，充分发挥BIM软件公司在优质人才资源和BIM软件应用的优势和经验，在企业的指导下共同开发BIM教学资源，提升我院BIM技术教学水平。基于BIM实践基地开展创新创业、培训认证、社会服务等项目，推进土木工程专业新工科人才培养的转型升级。通过组织并指导学生参与实际工程项目锻炼，帮助学生积累BIM技术应用经验，弥补学生在一般实践教学中工程案例参与不足的缺陷。目前，依托该基地已完成“雪如意”国家跳台滑雪中心施工模拟、河北工程大学新校区三维场地布置与施工模拟、邯郸市新媒体产业园模型搭建及施工模拟、鄂尔多斯葫芦素煤矿储煤仓气膜穹顶优化设计等多项工程咨询服务。培养出多届学生，学生的BIM技术应用能力受到用人单位的充分认可。

（五）指导学生参加BIM类竞赛，以赛促教

为进一步提高学生的BIM技术应用能力与实践创新能力，我院十分重视BIM人才培养，鼓励和支持学生参加全国各类BIM竞赛。近年来，我院承办及参加多项BIM类赛事并取得优异成绩，具体情况见表1。通过比赛，增强了我校学生的创新与实践能力，拓展了学生的BIM技术应用能力，取得了良好的育人效果，实现了以赛促教目的。

（六）建立BIM+智慧工地实训教学平台

河北工程大学土木工程学院设有BIM+智慧工地实训教学平台，依托该平台将土木工程专业土木工程施工及工程项目管理等实践教学环节与智慧工地管理功能相结合，设置具体实训项目，不仅有助于学生掌握先进的生产管理工具和流程，而且可以提升学院实训教学质量及行业影响力。

四、基于BIM技术的土木工程专业教学改革实施路径

本文整合国内外BIM技术教育改革经验，总结BIM技术在土木工程专业课程教学中的融入思路，为兄弟院校开展土木工程专业数字化教学改革提供参考。

（一）理论教学课程的BIM技术融入思路

在诸如“土木工程导论”等先导课程中介绍BIM技术在当前建筑行业的发展与应用情况，在学生知识体系中建立BIM技术概念，为后续课程中的BIM技术应用进行启蒙教育；在具体工程案例讲解过程中，借助BIM建模软件Revit建立建筑三维模型，进行立体动态展示，使授课内容更加生动形象，让学生更加直观地感受土木工程专业的魅力，激发学生对土木工程专业的学习兴趣。

在“力学”课程教学中，力学问题均来自工程结构中构件受力的抽象简化，学生在学习过程中难以理解。利用BIM技术的三维虚拟仿真及可视化特点建立普通力学问题的一般实际结构受力模型，并对受力分析进行动画演示，借助BIM模型，将枯燥的力学知识点以案例教学形式形象直观地展现出来，可帮助学生迅速理解课程中的重点难点问题。

在诸如“土木工程CAD”等实践性强的制图类课程中，传统的教学方式是利用Auto CAD软件进行二维平面绘图，不利于培养学生三维立体的空间思维。通过引入Revit等BIM建模软件，培养学生的空间想象力以及实践应用能力。BIM建模软件还具备可缩短绘图时间、提高图纸绘制精度与质量等优势，可起到提升教师的教学水平以及培养学生BIM技术应用能力的效果。

在“混凝土结构设计”“建筑钢结构设计”“结构抗震设计”以及“高层建筑结构设计”等专业核心课程教学中，专业理论知识晦涩难懂，不易理解。可利用BIM建模软件建立诸如梁板柱构件、框架结构、单层厂房，钢屋架、空间网架及节点等三维立体模型资料库，利用BIM技术的可视性帮助学生从空间角度观察结构构造及其受力特点，降低专业课学习难度，激发学生学习热情，进而促进教学顺利展开。Revit软件建立的模型可导入Navisworks等软件，实现建筑结构的4D施工模拟，在施工模拟动画过程中，学生可清晰观察建筑结构由单个构件按照传力路径搭建起来的过程，并了解各构件的名称、空间位置及作用，加深对所学专业知识的理解和认识，提高理论教学的有效性。

在“工程项目管理”“土木工程施工”等管理属性较强的课程教学中，可利用BIM的3D、4D可视化技术构建施工动态仿真教学模型，模拟工程项目的施工全过程并进行碰撞检查，帮助学生直观地认识工程项目的具体建造过程，让学生对施工工序、施工方法选择、施工现场组织等问题有更深入的理解。结合BIM的5D技术可在BIM模型中体现工程项目各部分的工程造价及材料清单。

（二）实践教学环节的BIM技术融入思路

土木工程专业实践教学主要包含土木工程试验、课程设计、毕业设计、毕业实习等环节。在土木工程试验教学中，可依靠BIM三维建模软件和VR技术构建虚拟仿真试验教学系统，该系统可进行一般结构或构件的基本实验过程模拟，以及演示一般结构或构件的应力分析和破坏过程。虚拟仿真试验教学丰富了试验教学的内涵和手段，并可形成常规结构试验和数值试验相融合的创新试验教学模式，全面激发学生的创新思维。

在课程设计中可运用BIM建模软件直接生成三维立体结构模型，再由三维结构模型导出建筑结构的二维平面、立面及剖面图，采用该方法可避免学生由于空间思维不足导致的二维平面绘图细节错误。可在毕业设计中增设BIM方向的任务课题，以实践任务的形式模拟解决实际工程项目中建筑结构设计与施工管理问题，培养学生综合运用BIM技术的能力。

将BIM技术引入认识实习，构建基于BIM技术的多种类型工程案例教材库。通过观看基于BIM虚拟仿真技术的建筑施工全过程模拟，帮助学生对建筑结构构造、施工工艺等形成初步认识。在生产实习环节引入BIM技术，设立建筑工程项目网络施工模拟实验室，可以生动形象地还原施工现场以及过程控制，使学生直观感受工程的动态变化。还可在毕业实习阶段通过BIM软件进行工程项目建模和4D虚拟施工演示，通过训练学生对施工工程和施工工艺的实际模拟操作，提高学生对实习内容的认识和综合运用能力。

结语

在新工科建设背景下，我国高等院校开展基于BIM技术的土木工程专业数字化教学改革已经成为发展趋势，土木工程专业作为建筑行业复合型人才的输送来源，培养具有BIM技术能力的土木工程专业人才已迫在眉睫。各高校应紧跟建筑工业化4.0时代发展方向，加快BIM技术融入土木工程专业教学改革的探索与实践，尽快形成融入BIM技术的土木工程专业人才培养体系，为我国建筑行业的发展输送更多优质人才。