土木工程BIM教育四位一体全过程融合教学体系研究

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1、 土木工程BIM教育“四位一体”全过程融合教学体系研究 车伟 崔玥摘要:根据企业对BIM人才的层次化需求,以土木工程专业为例,在不改变现有教学体系的条件下,将BIM技术多阶段、梯度式融入本科人才培养的全过程,构建了“四位一体”的BIM教学课程体系。该体系依据课程特点,将BIM主要知识点融入专业课程的教学中。学生可依据自身能力、兴趣点和未来职业规划,找到适合自己的BIM能力需求层次培养方案,完成BIM工程项目的综合实践能力考核及毕业追踪调查,实现了BIM技术教育、实践和服务的融合创新。关键词:土木工程;BIM教育;四位一体;教学体系:TU71;G6420文献标志码:A:10052909(2019

2、)03012608建筑信息化模型(BIM)技术是继计算机辅助制图(CAD)技术后在工程建设领域的又一次革命性技术创新。该技术具有三维动态可视化、专业内及专业间的有效协同、全面数字信息化等特点,对优化设计、可持续性绿色设计、模拟施工、减少后期工程變更起到强有力的促进作用1-2。必须进一步强调,BIM不是CAD软件的简单升级,而是一种高效的项目管理思维模式,是实现项目精细化、信息化、高效化管理的重要手段。国家“十三五”信息化发展规划已明确要求建筑相关企业强化BIM技术的推广应用3。近些年,BIM技术在国内许多大型建设项目中进行了实践应用,例如,北京“中国尊”大厦是最全面应用BIM的典型代表。目前,

3、BIM推广应用的最大短板是层次化BIM专门人才的严重不足1,因此,提供专业、系统的BIM教育与实践是建筑行业未来的持续需求。中国BIM应用正在蓬勃发展,大规模培养相关专业人才日益迫切。学生是未来BIM技术推广应用的主要储备力量,针对建筑、土木工程、暖通及工程管理等与BIM相关专业,系统讲授BIM技术理念及应用才能快速实现BIM专业应用人才的量级提升。BIM教育是一个复杂的综合系统工程,也是一种高效思维管理模式的培养,不能仅通过增设一门或两门BIM课程来解决,需要系统地将BIM技术主要知识点与专业课程体系进行深度融合4-6。以土木工程专业为例,在不改变现有教学课程体系的情况下,将BIM技术知识分

4、阶段、梯度式融入本科人才培养的全过程,构建“四位一体”的BIM教学体系。一、BIM能力的层次需求BIM专业应用人才是运用BIM技术支持和完成建设项目的规划、设计、施工、经营管理等全生命周期中各种专业任务的专业人员。社会对BIM人才的需求具有多层次、多类型的特点。不同类型、不同科技含量的单位对BIM人才有不同的要求与侧重。根据职位设置和能力水平的不同,主要分为初级型、标准型、中端型、高端型,如图1所示。(一)BIM初级型人才的能力要求初级型人才主要完成专业的翻模工作,是BIM应用的初级阶段。工作职责:独立完成建筑、结构、暖通等各专业图纸的翻模工作,协助专业工程师完成初步方案设计及施工图绘图等工作

5、。能力要求:熟悉建筑、土木、暖通、工程管理等专业基础知识,具备基本读图、识图能力,了解BIM的基本建模流程框架,熟练操作BIM建模软件和相关二维绘图软件,能依据各专业的设计图纸进行三维翻模。(二)BIM标准型人才的能力要求标准型人才是在搭建BIM模型的基础上,进行BIM专业分析,完成BIM分析报告。工作职责:系统理解各专业的施工图纸,负责专业协同的BIM三维模型搭建。基于BIM信息模型,进行专业间的碰撞检查分析,对绿色建筑设计过程提出优化建议,完成BIM虚拟漫游、虚拟施工模拟等三维可视化工作。能力要求:熟悉项目全生命周期的BIM应用框架流程,具备扎实的专业知识和BIM应用实践经验,熟悉BIM应

6、用技术相关规范,熟练使用BIM软件及各类设定信息参数的含义。(三)BIM中端型人才的能力要求中端型人才主要进行专业之间的综合协调,具体负责BIM项目的团队组建、工作计划等全方面工作。工作职责:作为BIM建设项目的第一负责人,全面负责BIM执行全过程,负责组建BIM项目团队,确定人员组成及角色职责,负责模型创建、计算分析、图纸绘制等专业间及设计环节间的综合协调工作,负责BIM项目工作进度的管理与监控及相关技术指导。能力要求:具备深厚的建筑、土木、暖通和工程管理等相关专业背景,具有建筑行业实际项目的设计与管理经验,具有独立负责大型BIM建筑工程项目的团队管理经验,熟悉BIM专业软件操作并深刻理解构

7、件信息参数的设定与选择,具有良好的组织、协调、沟通和领导能力。(四)BIM高端型人才的能力要求高端型人才要求具备更强的BIM应用能力,对BIM理论有更深层次的理解,可依据企业的不同实际需求进行BIM的二次开发。工作职责:依据特定企业的业务需求,制定合理的BIM技术实施方案,并测试BIM软硬件系统应用的可行性与高效性。针对不同企业的实际业务需求,负责BIM软件的二次高级研发工作。能力要求:具备计算机应用、软件开发和建筑工程类专业等专业级知识背景,能熟练掌握ASP.Net等高级开发环境,熟悉企业所用BIM软件的开发接口,具备一定的软件开发经验。面对企业的层次化BIM人才需求,高校要与时俱进,深化B

8、IM相关专业的教学体系改革,培养符合行业未来发展需要的高素质BIM人才。二、“四位一体”BIM教学体系依据BIM人才需求的层次化与技能教育的特点,在整个专业培养过程中建立一个分阶段、层次化、梯度式的BIM人才培养框架是可行且必要的。学习过程中,每个学生可依据自身能力、兴趣点和未来的职业规划,精确定位自己的适合层次,实现 “以学生为主”的教学体系。BIM能力培养不是简单的软件学习过程,而是BIM思维的综合建构。BIM课程体系的设计,应以BIM理论为基础,BIM软件平台为手段,强调工程建设项目全生命周期,构建包含理论知识、软件操作、教学实践和综合实践的“四位一体”BIM人才培养教学体系,见图2。结

9、合“四位一体”的理念和现有教学体系的特点,将BIM学习过程分为四个阶段:认知学习期、集中教学期、综合实践期和追踪反馈期。针对不同阶段的教学计划,将BIM相关内容嵌入到现有课程或开设独立的BIM新课程。(一)认知学习期认知学习期是BIM学习的初级阶段,主要在大一、大二开设的专业导论课和专业认识实习中进行融合。在此期间,通过多媒体、动画视频、行业专家讲座、BIM工程案例等直观的可视化手段,使学生对BIM理念产生基本的感性认识。明确BIM是什么,为什么学BIM,如何学BIM,逐步激发学生的BIM学习兴趣,促进学习BIM的主观意识。围绕以上3个基本问题,建立了如表1所示的认知学习期相关課程BIM学习内

10、容和教学要求。(二)集中教学期集中教学期贯穿大三、大四的整个专业课学习阶段,是BIM知识掌握的重要时期。此阶段主要学习BIM的理论方法和具体实践应用,每个BIM知识点都配套设置相应的实践操作教学环节,加强学生的BIM操作运用能力,达到理论与实践融合理解。现有的土木工程专业课程体系依据建设阶段主要包含三大类课程:设计类课程、施工类课程和建造管理类课程。各阶段的BIM运用侧重点不同,下面针对不同的侧重,设置相应的教学内容和能力培养方案。1.设计类课程在设计类课程的BIM教学中,重点帮助学生从2D到3D的设计理念转换,使学生理解建筑设计中的材料性能、构件空间关系、专业内及专业间图纸的碰撞分析等问题,

11、能进行主体结构、管线系统的综合冲突分析,达到优化结构设计,减少施工变更的效果。根据高等学校土木工程本科指导性专业规范7,将设计类相关课程进行BIM一体化融合。打通房屋建筑学、钢筋混凝土结构、钢结构等设计专业课,实现建筑建模、结构建模和模型应用的一体化教学,优化各设计课程及相应课程设计实践的关系。2.工程施工类课程在施工类课程的学习和课程设计阶段,学生可将时间进度数据集成到BIM 3D设计模型中,实现4D模拟。主要学习三方面内容:(1)施工现场布置模拟。基于BIM技术动态展现施工现场的场地划分、施工路线,确定塔吊、材料堆放区、材料加工区和生活区等合理位置和最优施工路线。(2)施工过程模拟。引入时

12、间维度,按照施工工序进行动态施工方案模拟,展示重要施工环节动画,分析不同施工方案的优劣,并确定最佳施工方案,优化设备材料进场、劳动力配置、机械排班等各项工作,发现可能的施工隐患。(3)重、难点关键部位精细化施工过程模拟。对施工的重点、难点和关键部位,进行动态施工及安装模拟,提供虚拟现实信息,优化关键工艺的施工安装方法。例如,预应力钢结构复杂部位的安装、设备管线的安装顺序等。3.建造管理类课程建设项目的建造管理包括物料管理、成本管理、质量管理、安全管理等。在管理类课程的教学过程中,学生通过BIM技术可实现对项目全生命周期的动态观察。(1)物料管理。通过BIM模型对构件及材料的信息化表达,直接生成

13、可清晰表达空间剖面关系的构件三维加工图、加工构件和需求材料的数量表,实现物料管理的数字化,也解决了未来建造3D打印技术的数字建模问题。(2)成本管理。学生运用BIM模型,纳入时间和成本维度,建立成本的5D关系数据库,对各个阶段进行快速、多维度的动态成本核算,实现造价信息的不间断追踪管理。(3)质量管理。通过BIM设计模型与阶段施工产品三维激光扫描模型的对比分析,可对现场材料、构件及施工产品进行动态跟踪监控,掌握影响施工质量的不确定性因素。(4)安全管理。通过BIM模型的施工仿真模拟,发现各种不安全因素,解决和消除潜在的施工隐患。在集中教学期,各专业课程的BIM教学内容和具体要求如表2所示。(三

14、)综合实践期BIM技术强调专业间的协调和建设阶段间的相互配合。根据BIM教育的阶段化特点,在大四本科毕业实习和毕业设计阶段,通过实际BIM项目的综合实践应用,提高学生的BIM实践能力,同时注重培养学生的组织协调能力和BIM二次开发能力。1.毕业实习与题目设置与BIM企业建立“校企合作基地”,安排学生到企业进行毕业实习,使学生熟悉企业BIM项目的实施流程和实施方案。根据实际工程项目特点及企业需求,确定毕业题目,坚持“项目相同专业方向(或兴趣点)不同,专业方向(或兴趣点)相同项目不同” 的原则,有效解决了项目团队制与毕业设计“一人一题”的矛盾。2.BIM毕业设计过程团队小组中设置BIM项目经理角色

15、,负责协调各角色成员的分工协作问题。依据进度要求,定期通过三维模型展示每位学生的进展。最终实现项目的设计、施工、管理整个全生命周期的信息化分析,形成BIM分析的总报告和分报告(各自的毕业论文)。指导教师在过程中扮演指导及评审专家角色。对具有软件开发兴趣及掌握一定编程基础的学生,可引导进行BIM产品定制开发的毕业设计工作。(四)追踪反馈期建立“BIM校友交流微信群”,定期举办BIM校友沙龙,邀请毕业校友为在校学生开展BIM主题讲座,分享BIM学习的乐趣和经验,及时获取BIM相关企业单位的需求信息和毕业生的反馈信息。持续改进BIM应用的教学实践内容,实现高校-毕业生-企业间的三方良性循环互动。三、

16、教学体系的实施及效果评价(一)实施保障为保障“四位一体”BIM教学体系的有效实施,中国地质大学(北京)土木工程学科团队在2015年制定了中国地质大学(北京)土木工程专业建筑信息化技术应用教学体系实施方案,方案给出了BIM教学实施保障体系(见图3)。实施方案主要从以下几个方面保障BIM技术的课程融合教学:1)培养目标上明确加入“具备一定的BIM应用能力”的要求;2)调整或增设了部分课程的教学大纲、教学内容及评分标准。例如,将建筑CAD调整为建筑CAD与BIM,学时由32增加到48,课程前半段讲授CAD的基本知识,后半段讲授Revit软件操作。评分标准要求学生根据任务书建立Revit 3D模型并生成图纸,在CAD中根据制图规范标准进行修改,以三维模型和图

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