基于BIM技術的建筑工程虛擬仿真實訓中心的建設研究

戴曉燕, 劉 超

(1. 湖北第二師范學院 建筑與材料工程學院, 湖北 武漢 430205；2. 武漢大學 紀委、監(jiān)察部, 湖北 武漢 430072)

包括虛擬現(xiàn)實在內(nèi)的第四次工業(yè)革命是一次全新技術革命,已悄然到來到我們所處的社會。這也是一場全新的綠色工業(yè)革命,其技術突破的總體方向是數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化、綠色化。隨之而來的便是支撐工業(yè)發(fā)展的工程教育,將面臨應對我國新經(jīng)濟與新產(chǎn)業(yè)對新工科人才戰(zhàn)略需求的新機遇、新挑戰(zhàn)。因此,教育部于2017年2月提出了我國高等工程教育的新工科行動計劃。“新工科”是一種新型的工程教育理念,即“大工程觀”,強調(diào)培養(yǎng)跨界整合能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、應用實踐能力的綜合、復合型工程科技人才,服務于產(chǎn)業(yè)現(xiàn)實急需和未來經(jīng)濟發(fā)展需要[1]。培養(yǎng)土木類人才的應用型本科院校,迎來了很好的發(fā)展契機,更應致力服務區(qū)域新經(jīng)濟的現(xiàn)實需求,創(chuàng)建基于BIM技術的建筑工程虛擬仿真實訓中心(以下簡稱BIM虛擬仿真實訓中心),是學校可持續(xù)發(fā)展的有效舉措。

1建設BIM虛擬仿真實訓中心的必要性

1.1 BIM技術是新工科建設中土木類專業(yè)人才所必須要熟練掌握和應用的新技術、新工具

從CAD技術到BIM技術的需求變化,是在以新技術、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)、新模式為特點的新經(jīng)濟蓬勃發(fā)展背景下的產(chǎn)物[2]。BIM(building information modeling,建筑信息模型)是在建筑領域應用信息技術,實現(xiàn)對設計、施工和管理過程仿真和模擬的一種技術和管理方法[3]。推行BIM技術應用,發(fā)揮其可視化、虛擬化、協(xié)同管理、成本和進度、質(zhì)量、安全控制優(yōu)勢,將減少返工浪費,有效縮短工期,提高工程質(zhì)量和投資效益,極大提升項目全過程精細化管理水平,從而促進綠色建筑發(fā)展、提高建筑產(chǎn)業(yè)信息化水平、推進智慧城市建設和實現(xiàn)建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級。

因此BIM技術被譽為建筑行業(yè)的第二次革命,在歐美、日本及我國香港地區(qū)的工程建設領域已取得了大量應用成果,在我國建筑業(yè)的應用推廣也進入快速發(fā)展新時期,整個建筑行業(yè)對掌握 BIM 技術的人才需求非常迫切,目前國內(nèi)面臨BIM技術人才匱乏的窘境。BIM技術人才培養(yǎng)和學校息息相關,在國家政策驅(qū)動下,已成為全國院校關注、發(fā)展的新方向。“新工科”建設中土木類專業(yè)人才更應與時俱進,掌握社會所需的BIM技術,從而提升就業(yè)核心競爭力。

1.2 建設BIM虛擬仿真實訓中心可為土木類專業(yè)辦學在新工科建設中提供虛實并舉、互為補充的有效解決方案

虛擬仿真教學作為高等教育信息化建設和實踐教學的重要手段,是學科專業(yè)知識體系和信息技術深度融合的產(chǎn)物[4]。土木類專業(yè)具有實踐性強的顯著特點,需要學生在工程實踐中掌握崗位技能,但鑒于工地施工安全生產(chǎn)因素復雜的行業(yè)特點,使得學生的實踐教學往往不能落到實處,實踐環(huán)節(jié)的效果往往不盡如人意,BIM虛擬仿真實訓中心建設恰好可以解決這個一直以來令學校棘手的難題。

通過BIM技術可以運用其信息處理及動態(tài)仿真的特點,營造生動立體的可交互式施工現(xiàn)場模擬場景,模擬仿真建筑施工現(xiàn)場的各部分工作,建立立體課堂,使學生身臨其境,更加真切地了解施工工藝與工程項目管理流程,達到實踐訓練的效果[5]。能夠擴大課堂內(nèi)涵，彌補傳統(tǒng)教學手段的不足,實現(xiàn)教學運行經(jīng)費高效利用,有助于培養(yǎng)高素質(zhì)工程應用型創(chuàng)新人才,可以有效推動新工科人才培養(yǎng)改革。

2 BIM虛擬仿真實訓中心建設內(nèi)容

2.1 BIM虛擬仿真實訓中心組成

BIM虛擬仿真實訓中心以提升BIM實踐能力為核心,按照學習流程分成4個實訓室,具體組成如圖1所示。

圖1 BIM虛擬仿真實訓中心組成

BIM虛擬仿真實訓中心以BIM技術為核心,融合虛擬仿真技術,將二維學習模式轉(zhuǎn)化為三維學習模式,以“教、學、練”為體系,以工程實訓為背景,使土木類專業(yè)學生在校期間能夠完成從建筑構(gòu)造識圖、Revit三維建筑模型創(chuàng)建到BIM5D(3D+進度+成本)綜合虛擬建造管理等跨學科一體化的課程,通過實際案例學習工程建設項目全生命周期的工程項目管理,滿足學生對新經(jīng)濟下的社會需求,更好地達到新工科人才培養(yǎng)目的。

2.2 BIM虛擬仿真實訓課程體系

BIM虛擬仿真實訓中心以硬件環(huán)境為依托、軟件學習為載體、教學師資為保障,開設BIM一體化建筑工程虛擬仿真實訓課程,如圖2所示。

(1) BIM虛擬仿真實訓中心以具體工程項目為實訓案例,根據(jù)建設周期各階段BIM業(yè)務內(nèi)容,設置實踐性更強的BIM一體化實訓課程,有益補充理論課程。實訓課程體系設計遵循螺旋式教學,從單項技能到綜合技能,培養(yǎng)土木類專業(yè)學生BIM綜合應用能力；實訓課程內(nèi)容以工作中實際業(yè)務為主線,進行任務劃分,讓學生在做中學、學中做；實訓課程學習方式以學生小組學習形式為主,在校內(nèi)提高學生的團隊協(xié)作能力,畢業(yè)后能更好地融入工作環(huán)境。

(2) BIM虛擬仿真實訓中心綜合應用BIM技術、虛擬現(xiàn)實技術VR、增強現(xiàn)實技術AR實現(xiàn)沉浸式教學,在明顯降低實訓成本的同時,可實現(xiàn)三維可視及情境仿真化,使學生能在虛擬的三維環(huán)境中,直觀地感受到建筑工程各個部位的造型、施工工藝,并可利用交互虛擬操作參與真實的建造過程,學會方案優(yōu)化、虛擬施工和碰撞檢測,如圖3所示。

此外,中心還可建立實體模型、環(huán)幕硬件系統(tǒng)等,借助實體模型與虛擬模型,通過虛擬仿真技術使“軟”“硬”結(jié)合,更加逼真地呈現(xiàn)出工程項目施工全過程,使學生身臨其境地感受現(xiàn)場施工的氛圍[6]。引導學生將課堂學習融入工程實踐,通過可視化教學方式培養(yǎng)學生掌握施工現(xiàn)場工藝及質(zhì)量控制方法等,解決學生空間想象力不足等具體問題,如圖4所示。

圖2 BIM虛擬仿真實訓課程體系框架圖

圖3 通過BIM技術三維展示、虛擬建造示意圖

圖4 BIM虛擬仿真教學中的虛實結(jié)合示意圖

2.3 BIM虛擬仿真實訓中心運行與管理

(1) BIM虛擬仿真實訓中心成員由實訓中心主任及相關任課教師組成,負責中心建設與實施全過程。首先應制定各項規(guī)章制度來規(guī)范管理,從制度上保證中心的正常運行。同時為更好地完成實踐教學任務,應另設由其他有經(jīng)驗的教師組成的中心教學監(jiān)督組,制定一套完善的質(zhì)量監(jiān)督體系,并負責對中心運行效果進行監(jiān)督,包括對中心管理的意見反饋和對任課教師教學質(zhì)量的定期考評,考評結(jié)果作為教師年度工作成績考核的重要依據(jù)之一[7]。同時,也會定期組織學生座談和開展學生評教工作,使教學工作處于學生的監(jiān)督之下,促進教師不斷改進教學方法,提高教學質(zhì)量。

(2) BIM虛擬仿真實訓中心面向?qū)W生采取全天候開放形式,中心教學資源實行對外開放制,學校師生可在需要的時候申請使用,完成教學任務及科研任務[8]。中心也鼓勵師生利用課外時間走進實訓中心,積極利用BIM技術平臺參加相關BIM職業(yè)技能大賽,使現(xiàn)有資源最大限度地得到利用。

(3) 鼓勵有條件的企業(yè)參與BIM虛擬仿真實訓中心建設,協(xié)同育人。 企業(yè)可利用開發(fā)實力和支持服務能力,與學校信息化教學資源充分整合,同時也可為企業(yè)軟件產(chǎn)品的市場推廣、人才培訓提供支持,做到校企戰(zhàn)略合作,培養(yǎng)應用型人才,為地方經(jīng)濟發(fā)展提供人才服務,保障中心可持續(xù)發(fā)展,最終達到共贏的效果[9]。

3 特色與創(chuàng)新

3.1 BIM技術承載信息廣,可與相關課程有機結(jié)合

BIM技術核心是通過建立建筑信息模型,使得工程建設項目全生命周期內(nèi)不同階段不同參與方均可獲得所需要的數(shù)據(jù),BIM虛擬仿真實訓中心可幫助學生以實際項目為載體,按照建設程序,實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和信息化管理,實際體驗從設計、招投標交易、施工組織設計到施工項目管理及竣工交付各個階段的工作流程,提升項目精細化管理和控制水平,最終實現(xiàn)智慧建造。

除了單設的實訓課程之外,還可將建筑工程制圖、建筑材料、房屋建筑學、工程項目管理、工程造價管理、畢業(yè)設計等課程體系通過嵌入相應BIM技術元素而有機聯(lián)系起來,如圖5所示。如在建筑施工技術課程中融入BIM施工模擬,展示更加直觀可形象感知的施工過程；在工程項目管理理論課程融入BIM5D(3D+進度+成本),并通過BIM+VR技術來展示建筑安全管理類內(nèi)容；對于建筑工程制圖、房屋建筑學及建筑材料等課程可采用三維模型輕量化來講解；在畢業(yè)設計環(huán)節(jié)中,結(jié)合具體的工程項目實例,提高學生融會貫通BIM技術的綜合能力。

圖5 建筑工程虛擬仿真實訓中心適用課程

3.2 提高學生實踐技能,提升就業(yè)競爭優(yōu)勢

BIM虛擬仿真實訓中心為提高人才培養(yǎng)質(zhì)量提供了有力的技術手段,為學生理解BIM技術在工程項目建設中的應用提供了信息交互的環(huán)境。一體化實訓課程體系全面,教學模式能立足前沿而貼近實際,從而提升院校教學水平及綜合實力。中心在抓好第一課堂教學的同時,也可充分發(fā)揮第二課堂在學生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)中的重要作用[10],通過成立BIM社團等形式,為廣大BIM興趣愛好者提供交流學習平臺。鼓勵學生積極參加全國高等院校BIM應用技能大賽等各種賽事活動,以賽促教、以賽促學,實現(xiàn)高校土木類專業(yè)之間的BIM協(xié)同合作,提高學生的實踐及創(chuàng)新能力,增強選手的團隊協(xié)作能力,縮短社會適應期,提升就業(yè)競爭力。

3.3 打造教科研團隊, 提高實踐教學水平

師資隊伍是新工科建設中人才培養(yǎng)的引擎,BIM虛擬仿真實訓中心可以幫助教師通過BIM專業(yè)培訓、參與企業(yè)BIM工程實踐、專題調(diào)研等方式,全面了解建筑行業(yè)人才需求,提高教師對新技術、新方法的應用能力,適應社會發(fā)展需要。教師在完成規(guī)定的實訓教學任務前提下,還可利用中心搭建的平臺組建BIM項目研究團隊,充分發(fā)揮學術、技術優(yōu)勢,開展BIM相關教科研課題研究,促進學校適應新形勢進行教學改革,增強實踐教學活力,從而打造實踐教學水平過硬的“雙師型”隊伍。

3.4 提供社會服務,提高社會影響力

新工科建設倡導應用型本科院校主動對接企業(yè)技術創(chuàng)新需求,把握行業(yè)人才需求方向,深化產(chǎn)教融合、校企合作。BIM虛擬仿真實訓中心可利用自身資源,充分挖掘潛力,在保證學校內(nèi)部實訓教學任務的前提下,可面向周邊輻射開展社會服務與交流合作[11],提高中心的運行效率。如為各項BIM技能大賽提供場地及面向社會開展BIM應用技能培訓服務,包括對行業(yè)內(nèi)企業(yè)開放共享資源學習、提供職工教學培訓、下崗人員再就業(yè)培訓及農(nóng)村轉(zhuǎn)移人群技能培訓等。中心也可承接BIM工程項目,開展建筑全過程的BIM技術咨詢服務,為學校帶來經(jīng)濟效益的基礎上,解決區(qū)域經(jīng)濟現(xiàn)實需求,促進地區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

4 結(jié)語

工程實訓是土木類專業(yè)學生培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié),工程實訓中心在培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力和實踐能力中的地位日益重要[12]。 隨著BIM技術在建筑業(yè)的廣泛應用,對于開辦土木類專業(yè)的應用型本科院校,應主動對接地方經(jīng)濟發(fā)展需要,凝練辦學特色,重視BIM人才培養(yǎng),加快BIM虛擬仿真實訓中心建設,促進學科專業(yè)與BIM信息技術的交叉融合,提升學生實踐與創(chuàng)新能力,培養(yǎng)具有較強行業(yè)背景知識、工程實踐能力、勝任行業(yè)發(fā)展需求的應用型人才,從而推進高等教育新工科建設。