建筑信息模型技術在土木工程專業實踐教學中的應用探討

劉元珍 胡鳳麗 王文婧

摘 要：實踐教學是高校培養企業需要的應用型人才的關鍵環節，如何提高實踐教學的質量是目前高校實踐教學改革的關鍵。針對目前實踐教學的不足，提出將建筑信息模型技術（BIM）運用于土木工程專業實踐教學中，對實習和設計兩大環節分別進行了具體的分析，并為BIM技術在高校實踐教學中的進一步推廣應用提出一些建議，以期實現土木工程專業創新人才實踐教學體系的改革，優化教學平臺，增強學生的實踐能力和創新能力。

關鍵詞：BIM；土木工程；實習；設計；實踐能力

中圖分類號：G640 文獻標識碼：A 文章編號：1002-4107（2018）05-0001-04

建筑信息模型（Building Information Modeling，以下簡稱BIM）的思想起源于20世紀70年代的美國，經過一系列的研發和探討，得到了業內人士的廣泛認可，并在一些大型的工程項目中發揮了重要的作用。BIM是一個工程項目物理及功能特性的數字化表達，是一個共享的資源，為該工程從概念設計到廢棄拆除的整個壽命周期的所有決策提供可靠的依據，集中體現項目各參與方的協同工作[1]。它可以用來展示建設項目的全壽命周期，包括設計、施工、運營以及維護等過程，具有如下五大特點：可視化、協調性、模擬性、優化性和可出圖性[2]。

隨著BIM技術在工程應用領域的優越性逐漸凸顯，我國政府及行業協會對BIM技術的應用也越來越重視。2011年，國家住建部在《2016～2020建筑產業化信息化發展綱要》中提出將BIM技術列入“十三五”規劃發展重點推廣技術之一，在全行業進行推廣應用；而國家 “十一五”科技支撐計劃與“十二五”建筑信息化發展綱要中也提到將BIM技術納入研究內容；此外，一些企業也開始大量引進BIM技術人員，而BIM技術在一些大型的國家重點項目建設中如上海中心大廈、北京奧運會場館和上海迪士尼樂園等都發揮了重要的作用，因此BIM技術的發展應用已成為一種必然的趨勢。在未來幾年里，BIM技術的發展會越來越廣泛，對相關人才的需求將會更迫切，因此如何解決人才需求問題，成為BIM技術發展運用的最大障礙因素。而高校作為人才培養的基地，將BIM技術引入教學體系，優化教育平臺，培養BIM技術人才，已迫在眉睫。

土木工程專業是需要理論和實踐緊密結合的學科，企業對人才的實踐能力要求較高，而現有的教學體系中雖然實踐教學（實驗、實習、課程設計、畢業設計等）占專業課時的30%左右，但由于土木工程專業具有周期長、分散的特點，在3～4周的實習周期或者短暫的設計過程中，學生無法完全參與從圖紙設計到成品施工完成的整個過程，這就導致學生對工程項目的認知僅僅局限于抽象的課堂講解和空間想象，無法實現理論和實踐的完美結合，學生缺少實踐能力和對崗位技能的認知度[3]。而BIM技術的模擬性及可視性特性可以很好地再現建筑項目的整個實現過程，即通過BIM 技術的4D虛擬施工，在計算機上模擬建筑項目的施工過程，可以直觀地顯示每一個分部分項目工程的施工過程，將施工現場挪到課堂，從而可以解決目前土木工程專業教學體系中存在的情景教學資源少、實操場地受限、實操成本高以及工具材料重復利用率低的問題。

一、BIM技術的國內外應用現狀

目前而言，發達國家對于BIM技術的研究與應用較多，且制定了一系列BIM技術的應用標準。與之呼應，BIM技術在一些發達國家的高校教學體系中的應用也在發展與完善。如：美國奧本大學將BIM技術融入到本科施工課程的教學中，使得學生的實踐能力得到很大的提高[4]；美國斯坦福大學將BIM技術融入到“建筑工程項目管理”課程中，用以提高學生綜合運用不同項目管理方法解決實際問題的能力[5]；德克薩斯A & M大學在2004年已經將BIM技術引入本科教學體系中，此外還開設了BIM技術的研究生課程[6]；伍斯特理工學院在土木和環境工程專業的部分課程中也融入了BIM技術，學生完成作業的速度與效率得到了提高[7]。此外，英國威斯敏斯特大學、西英格蘭大學等也在積極地開展基于BIM技術的相關課程[8]。

與國外相比，我國對BIM技術的研究應用才剛起步，在廣度和深度上均還不夠，BIM技術主要在一些國家型特大重點項目中應用，還未得到普及，更未完全滲透到高校教學體系中，目前我國對于BIM技術的教學改革仍處于探索階段。如，清華大學與企業建立長期的合作關系，合作成立了BIM 技術研究中心，培養學生BIM 軟件的操作能力[9]；中南大學將BIM技術融入教學體系改革試驗中，并取得了良好的效果[10]；東南大學、深圳大學、華中科技大學及哈爾濱工業大學等高校的土木工程本科專業開設了BIM技術的課程，從BIM 基礎知識到各種商用軟件的教學授課，并在實踐教學環節中增加了對BIM技術的應用，同時在碩士、博士研究生培養階段開設相關課程和畢業學位論文選題方向，以期培養更多的BIM技術人才，緩解目前BIM人才嚴重缺乏的現象。雖然BIM技術在我國已經引起了部分高校的重視，并進行了一系列教學改革，但是在BIM技術廣泛應用、BIM技術人才緊缺的今天，這些舉措遠不能解決我國BIM技術人才緊缺的問題。因此，如何將BIM 技術廣泛地引入土木工程等工程類本科專業教學和實踐環節中是當前亟須解決的問題。而實踐教學作為土木工程教學體系的重要組成部分，對提高學生的認知、實踐能力起著舉足輕重的作用，本文針對目前實踐教學中存在的問題，提出將BIM技術應用于土木工程專業實踐教學中，以期增強學生對工程的認知，提高其實踐能力和創新能力。

二、BIM技術在土木工程專業實踐教學中的

應用探討

（一）實踐教學現存問題

土木工程本科教學以社會需求為目標，以學生就業為導向，培養具有較高素質的應用型人才為根本目標，但縱觀近年來的就業情況，學生就業形勢不容樂觀，盡管有部分原因是受到經濟政策的調整影響，但主要原因還是實踐教學環節無法達到預期的效果。實踐教學環節的主要任務是通過實踐手段加強學生的實際動手能力，尤其是應用基本知識解決實際問題，并逐漸形成創新思維方式的能力。土木工程實踐教學環節，對于學生專業知識面的擴展、創新能力的培養、綜合素質的提高、解決工程實際能力的提高，都起著舉足輕重的作用。傳統的實踐教學由于受到技術條件和實踐場地等的限制，無法達到培養應用型人才的目的，學生實踐能力和創新能力差，導致許多畢業生難以勝任技能要求高的專業崗位，所受的學歷教育和應用能力相脫節，不具備相應專業崗位的競爭力。其具體問題主要體現在以下方面。

1.實習教學環節。（1）實習場地聯系困難。由于施工現場具有一定的安全隱患，而參與實習的學生眾多，安全難以保障，基于安全考慮，許多建設單位不愿接受這種學校組織的集體實習活動。因此，實習工地的聯系是實習教學的一大難題。（2）工程覆蓋面窄，學生缺乏角色參與感。由于受學校社會資源和實際情況的限制，實習單位只能選擇有限的幾個，而實習的內容只能局限于這些單位的已建或在建工程，工程覆蓋面狹窄，內容單一，對于學生全面認識工程、拓寬視野非常不利。此外，實習教學的時間有限，而工程建設周期卻很長，導致學生在這有限的實習期限內僅能接觸到項目施工的一個階段或者某一局部，無法參與項目建設的整個過程，對工程項目形成直觀全面的感受，而有的實習僅僅通過到場參觀、指導教師講解、學生被動聽講的方式，使學生缺少角色參與感，被動地“走馬觀花”。（3）考核方式較為單一。土木工程專業實習過程由于人員眾多，秩序維持困難，無法客觀鑒定學生現場學習的具體情況。目前實習的考核方式基本采用實習報告和實習證明的方式，在一定程度上導致抄襲實習報告等不良現象的出現，影響學風的同時還可能導致日后從業態度出現偏差。

2.設計教學環節。設計環節作為實踐教學的重要組成部分，包括課程設計和畢業設計兩部分。在實際教學過程中，設計教學缺乏連貫性且脫離實際，各科課程設計單獨命題，缺少與其他課程的聯系，加上教師講課時也是分開教學，互不相連，因此，學生無法將所學課程知識聯系起來，缺乏應對實際工程中復雜多變情況的能力，因此與實際存在脫節現象，參考價值不足，實踐教育的目的未能完全實現。

在畢業設計環節，目前大多數院校采取與實際工程相結合的方式，即所謂“真題真做”，但在實際操作中受到設計時間和規范等熟悉度的制約，設計內容往往經過大幅度簡化，因此涉及的實際問題較少，需要學生分析的客觀資料不多；從設計內容來看，高校畢業設計內容基本類似，大多是選擇框架結構或砌體結構的辦公樓、

宿舍、教學樓，覆蓋面較為固定，缺少創新，與實際工程有一定差距，與日新月異的土木工程發展存在較大的脫節。

（二）BIM技術在認識實習環節的應用探索

認識實習是學生在學習掌握了一些課程之后進行的第一個實踐性課程，對于培養學生的興趣，建立對工程項目構造和施工工藝的感性認識具有重要的作用，可以讓學生了解自己所學專業的用途，解決學生心中“我學這個以后能做什么”的疑惑。將BIM技術引入認識實習，構建基于BIM技術的不同類型工程的典型案例教材庫。在大一學生入學之初通過BIM軟件虛擬仿真模擬技術，進行建筑施工全過程的通識教學，讓學生對建筑結構構造、施工工藝等形成全面的認識，解決實習場地受限、工程覆蓋面狹窄、安全問題難以保證等問題。此外，學生通過BIM技術動畫演示對認識實習的內容提前了解，帶著問題去參觀，有的放矢，從而達到事半功倍的效果，避免了盲目的走馬觀花和填鴨式講解。

（三）BIM技術在生產實習和畢業實習環節的應用探索

生產實習和畢業實習是學生學習掌握專業課程后，以一名實際工作者的身份，深入到施工第一現場，參加實際施工的過程，是學生將理論知識應用到實際工程的重要步驟，對培養學生實踐能力和創新能力具有重要的作用。傳統的生產實習教學，缺少實習預演和準備，只依靠指導教師聯系工地參觀學習或輔助以專家講座的形式，最后以一份實習報告作為結束，缺少事前準備和后續總結，浪費精力、經費的同時卻達不到預期的效果。利用校園網絡作為實習整合的平臺，通過BIM技術可視化虛擬仿真模擬特性，設立建筑工程項目網絡施工模擬實驗室。BIM網絡施工模擬實驗室可以生動形象地還原施工現場以及過程控制，使學生直觀地感受工程的動態變化，完成理論與實踐的完美結合，從而解決當前生產實習存在的問題。在開始生產實習之前，將學生分為若干小組，每個小組負責一個子項項目，根據即將實習的工程圖紙，通過BIM軟件進行模擬建模和四維虛擬施工演練，并將每組的模擬結果上傳共享，作為以后實習考核的一個參考，改變原有的單一考核方式。由于每組負責的項目子項不同，杜絕了抄襲雷同的現象，保證了實習教學的質量。而且通過對施工圖紙和施工工藝的實際模擬操作，加深了學生對實習內容的認識，提高了學生的綜合運用能力，實現了理論知識和工程實踐的很好整合。此外，改變原有的集中時段實習方式，將學生的實習分開、分段進行，根據工程項目的實際進度情況，先讓學生進行實習內容的BIM模擬建模，模擬結束后，利用課余時間，分小組由指導教師帶到工地進行現場學習，根據自己在模擬施工過程中學到的工藝方法到施工現場真正參與施工，同時解決模擬中的問題和疑問。而每次實習后，再根據自己實際工程經驗和技術總結完善虛擬施工過程，達到兩者相輔相成的效果，真正實現實踐教學的目的，有效地提高學習效率和教學質量。此次實習結束后，等待實習項目施工進行到下一個關鍵進程，重復以上步驟，在不大量增加學時的情況下，將實習分散到不同的工法和部位，避免傳統實習過程中出現的“實習開始時基坑開挖，實習結束了還在基坑開挖”的現象。

（四）BIM技術在設計教學環節的應用探索

土木工程實踐教學體系包括實習教學和設計教學兩大環節，對于培養企業所需的應用型技術人才，兩者缺一不可[11]。在優化實習教學，提高教學質量的同時，要進一步優化設計環節，建立基于BIM技術的交互實踐平臺。學生通過BIM虛擬教學的初步認識和網絡施工模擬的具體操作將實習所得進行深化，通過化整為零的方式進行課程設計，化零為整的方式進行畢業設計，建立實習和設計的交互平臺。將實習所得內容作為設計環節的前提與基礎，而通過具體設計過程使學生更加系統地掌握所學的理論知識和實習內容。在整個過程中，要求學生將設計和實習資料都在平臺上進行保存，并分門別類管理，方便學生查閱和修改。此外，還可以借鑒國內外已有的BIM技術在設計環節應用的經驗，設計中，建筑、土木、工程管理不同專業的學生協同作業，共同完成一個實際工程項目的綜合設計，按專業劃分成不同組塊，分工設計，協作完成；同時，同一專業學生可以分成不同的小組，小組之間、小組內部詳細分工，每名參與者負責不同內容，例如BIM建模、模型分析和模型管理等。通過這種方式可以鍛煉學生團隊之間的交流協作能力和知識綜合運用的能力，為以后的工作奠定基礎[12- 13]。

三、BIM技術在土木工程專業中的其他應用

BIM技術作為當前建筑行業的一個新興技術，對于降低建筑成本，提高工程項目的建造效率等方面具有重要的作用，BIM技術在建筑領域的應用已成為一種趨勢，為適應社會的發展和企業對人才的需要，高校在土木工程專業本科教學中也要積極地進行教學改革，將BIM技術引入到土木工程專業本科教學體系中，并不僅僅局限于實踐教學體系。筆者根據當前國內外已有的BIM技術教學探索，對將BIM技術引入教學體系提出以下建議。

（一）構建BIM技術的課程體系

根據教學目的和要求，編寫BIM技術教學大綱，選定適合土木工程專業教學的BIM課程教材，規劃課程體系和授課的順序。沿用目前土木工程專業教學由淺入深的教學模式，在大一、大二階段主要進行與BIM技術有關的基礎課程以及軟件模塊認知教學，使學生了解BIM技術的基本概念、發展歷程、工作原理、實現方式和工程應用等，提高學生對BIM學習興趣的同時，兼顧學生BIM軟件的操作能力。而進入到大三、大四階段主要進行軟件的實際操作，將BIM軟件和所學專業課整合，完成具體工程項目的建模和分析，使學生將所學的知識運用到實踐操作中，提高其實踐能力和創新能力的同時，鞏固其理論知識，實現課程與課程之間的銜接。

（二）將BIM技術作為輔助教學手段

Runder認為BIM技術在建筑設計、施工等方面具有如下作用：幫助學生了解整體建筑設計；將概念設計理念和建筑設計相結合，有助于學生考慮建筑的成本、可施工性和環境的影響等因素；可以幫助學生學習團隊之間的協調和合作能力[14]。因此，在土木工程專業的一些課程教學中，利用BIM技術的可視化特性，采取專業講解和動畫演示相結合的方式進行，增加學生的學習興趣，提高教學效果。例如，BIM的3D技術和工程制圖、結構設計等結合，將原本的二維識圖轉換為三維可視，降低了識圖的難度，改變單純利用抽象空間想象能力的學習方法；BIM的4D技術與“土木工程施工”等課程結合[15]，模擬施工過程，幫助學生直觀地認識項目的具體建設過程，讓學生對施工工序、施工方法的選擇、施工現場的組織等問題有更好的理解；將BIM的5D技術和“建筑工程造價”“施工組織設計”等課程結合，模擬成本動態變化過程，使學生更好地理解工程量計算、進度計劃編制和施工定額的套用等。

（三）建設BIM技術師資隊伍

目前BIM技術在國內的研發應用還剛剛起步，人才的缺乏是目前BIM技術在我國大力發展最重要的阻礙，而高校作為人才培養的關鍵基地，在BIM人才培養方面起著舉足輕重的作用，人才的培養需要專業的師資隊伍。目前，太原理工大學專業教師隊伍中，熟練掌握BIM技術的人員較少，需要大力加強這方面教師隊伍的建設。首先，鼓勵教師通過自學、培訓、考察、參與項目、申報課題等方式提高專業知識和教學水平；其次，考慮引進這方面的優秀人才，以點帶面，提高學院在BIM方面的教學水平和科研能力；最后，可以聘請行業專家，承擔部分課程、提供知識講座等形式，彌補課堂教師資源不足的問題。

BIM技術應用于土木工程實踐教學中是對信息技術和課程整合的一大補充，為實踐教學改革提供了一個新的視角，對實現土木工程專業創新人才實踐教學體系的改革，優化教學平臺，增強學生對工程的認知度，提高其實踐能力和創新能力，具有重要的意義。因此，作為人才培養基地的高校應該加強對BIM技術教學應用，將BIM技術融入到本科教學體系中，制定BIM教學改革的方案，為企業培養行業所需的應用型人才。

參考文獻：

[1]隋振國，馬錦明，陳東，等.BIM技術在土木工程施工領域 的應用進展[J].施工技術，2013，（S2）.

[2]解明鏡，石磊，羅明.基于BIM平臺的集成化可持續建筑 設計教學研究[J].中南林業科技大學學報：社會科學版， 2012，（3）.

[3]王芳，張志強.融合BIM技術的應用型土木工程專業實 踐教學平臺的優化與應用[J].高等建筑教育，2016，（1）.

[4]胡紹蘭，劉月君.BIM技術在建筑類本科專業教學中的 應用探索[J].經營管理者，2016，（11）.

[5]Peterson F，Hartmann T，Fruehter R，et al.Teaching construction project management with BIM support：

Experience and lessons learned[J].Automation in Construction， 2011，（2）.

[6]鐘煒，張馨文，姜騰騰. BIM仿真在工程項目管理課程 教學改革中的應用研究[J].土木建筑工程信息技術， 2013，（6）.

[7]吳光東，唐春雷.BIM 技術融入高校工程管理教學的思 考[J].高等建筑教育，2015，（4）.

[8]Adamu Z A，Thorpe T.How should we teach BIM？ A case study from the UK[J].Journal of Information Technology in Construction，2016，（21）.

[9]李娟芳，尚世宇，朱亞紅.BIM技術融入高校土建類專 業教學的應用研究[J].四川建材，2016，（7）.

[10]蘇瑩，曾小雪，羅金連. BIM在應用型本科工程管理專 業的應用研究[J].現代經濟信息，2016，（3）.

[11]張倩倩.BIM技術應用于建筑工程技術專業實踐教學 的探索[J].工程技術研究，2016，（5）.

[12]Kymmell W.Building Information Modeling：Planning and Managing Construction Projects with 4D CAD and Simulations （McGraw-Hill Construction Series）：Planning and Managing Construction Projects with 4D CAD and Simulations[M].McGraw Hill Professional，2007.

[13]Fischer M.Formalizing construction knowledge for concu- rrent performance-based design[M].Intelligent Computing in Engineering and Architecture.Springer，2006：186-205.

[14]馬良棟，梁若冰，張吉禮.建筑與土木工程領域BIM技 術人才培養方法探討[J].中國建設教育，2016，（3）.

[15]Hartmann T，Fischer M.Supporting the constructability review with 3D/4D models[J].Building Research & Infor- mation，2007，（1）.