土木工程BIM實驗室的建設與實踐教學實施

吳凌壹, 丁志坤, 隋莉莉, 王家遠

(深圳大學 土木工程學院, 廣東 深圳 518060)

建筑信息模型(building information modelling,簡稱BIM)憑借其先天技術優勢,日益引起人們的重視,其先進性和實用性逐步被行業廣泛認可。BIM技術被譽為工程領域繼CAD輔助設計技術后的第二次革命[1],有望成為行業信息化核心載體。目前,國內的不少大型項目已經應用了BIM技術,并從中獲得很多成功經驗[2]。國內外眾多建設單位、設計單位、施工單位和建筑咨詢單位,都紛紛加大BIM技術應用的投入[3]。隨之而來,行業對BIM技術人才的需求量激增,相關人才供給嚴重不足,這對土木類專業教育提出了挑戰,BIM相關人才培養機制的探索迫在眉睫。

BIM技術的推廣和應用,是整個建筑行業發展及轉型升級的重要技術支撐。高校作為人才培養的搖籃,必須緊跟社會需求,培養更多適應行業發展需要的BIM人才[4]。培養BIM技術人才重在實踐,實踐需要實驗室支撐。高校的BIM實驗室建設勢在必行,通過引入集成相關硬件和軟件資源,為BIM技術教學提供平臺,以滿足人才培養要求。本文介紹了深圳大學土木工程學院BIM實驗室以培養適應行業對BIM技術人才的需求為目標,開展BIM實驗建設和教學實施的情況,為國內外院校BIM實驗室建設和教學提供借鑒。

1 BIM實驗室建設目的

高校建設BIM實驗室,打造BIM技術產學研一體化專業平臺,推動新技術理論創新研究,促進現代化教育手段運用,加快BIM教師隊伍建設,有助于提高院校BIM技術應用理論水平,建設高水平大學。深圳大學土木工程學院BIM實驗室建設目的包括以下三方面：

(1) 建設完善的實驗室平臺,為學院師生開展BIM教研活動提供一流的硬件環境支持；

(2) 依托實驗室,鼓勵教師積極開展與BIM建設相關的應用研究、設計開發、咨詢服務等,提升學院社會服務的水平和能力,提升學院的行業影響力；

(3) 基于BIM實驗室,深入開展建筑工程領域的現代化教育教學研究,著力提高學生的專業能力、綜合素養和綜合競爭能力。

2 BIM實驗室建設內容

BIM技術的發展為土木工程院校培養新型人才帶來了創新思維,同時也對院校的培養措施和方法提出了新的要求,BIM實驗室的建設對于實踐教學尤為重要。

國內很多高校在建設BIM實驗室上存在誤區,即不求實際、沒有規劃,一味尋求爭取經費來配置最好的電腦軟硬件。實際上,僅簡單拼湊軟硬件,而沒有很好的規劃和定位,就無異于一般的繪圖實驗室或軟件培訓機房。實驗室的建設要從BIM技術研究和應用出發,根據BIM技術特點和人才培養方案,明確實驗室的功能定位并提出合理規劃。

我院BIM實驗室在建設之初,充分考慮了教研功能需求及BIM技術在各環節的應用要求,從解決BIM技術的可操作性等關鍵技術難題出發,以建立中國的BIM建筑數據表示和交換標準為目標,定位為國際化高水平BIM實驗研究中心,并以此促進教學,進一步推動我國BIM產業發展。

2.1 實驗室功能設計

實驗室劃分了教學培訓與應用、虛擬現實研發與體驗、技術成果展示、技術與軟件研發、多專業BIM技術協同研發等不同的功能模塊及物理空間分區(見圖1、圖2和圖3)。

圖1 BIM實驗室的功能劃分

圖3 BIM實驗室硬件網絡圖

基于“互聯網+”理念,在硬件方面,BIM實驗室集成了高性能服務器集群組、視頻演示系統、遠程會議系統等；在系統集成方面,配置了BIM協同工作云平臺、虛擬仿真平臺、云數據存儲平臺等,滿足了我院的教研需求。

2.2 幾個關鍵系統應用

其中幾個關鍵的系統應用如下。

(1) P-BIM信息交換平臺。P-BIM是以我國工程建設實踐為基礎建立的，符合有關技術標準和管理流程，滿足項目全生命期需要的建筑工程任務信息模型應用體系的信息應用方式。

實驗室基于中國BIM發展聯盟建設的P-BIM工程全生命期信息管理網絡平臺,搭建了包括硬件、網絡、操作系統、數據系統等在內的數據交換及協同工作環境。

(2) 視頻演示系統。根據BIM技術應用各個環節的不同需求,設計了不同的場地布置和軟硬件設施配置的建設方案,并設計了多路交互式顯示系統,為多專業的協同提供實訓演練工作平臺。

(3) 虛擬仿真實訓平臺。虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設的重要內容,體現出信息技術與教育教學融合發展及學科專業深度融合帶來的實驗教學改革與創新[5],符合國家信息化發展戰略。BIM技術的理念適合應用于建筑施工工藝、施工流程、管理流程和后續運維的模擬,結合配套的BIM技術方案,如虛擬現實系統(VR)、增強現實系統(AR)和混合現實系統(MR)等,可以對建設項目全過程進行模擬和互動,通過身臨其境的模擬,可以精準地了解和系統地掌握項目建設內容。

依托沉浸式虛擬現實的CAVE系統,實驗室開展了一些探索性的教學項目,如學生可以把用REVIT等BIM軟件搭建的項目模型轉換并投放到CAVE系統中,使用施工模擬模塊漫游體驗建筑項目施工過程,也可通過拆裝建筑物各部分構件進行研究。基于該系統,我們聯合有關企業開展了對裝配式建筑信息化管理的研究,對裝配式建筑的教學也起到了很好的促進作用。

3 BIM實驗教學內容設置

3.1 實驗教學目標

基于BIM技術應用,我校土木工程學院重新整合了土木工程、工程管理兩專業中的專業課知識模塊,形成了以BIM為主線的教學體系。通過開展BIM實驗教學,強化了學生對土木工程學科信息化的理解,加深了學生對土木工程團隊合作精神的認識,學生的綜合素質和實踐應用能力在實驗教學過程中得到提升[6-7]。我們制定了適合本專業的BIM實驗教學內容和教學目標,具體如下：

(1) 學生通過BIM實驗課程的實踐,可系統學習與工程項目全過程相關的綜合知識并加以運用,提高教學質量；

(2) 通過BIM課程大作業、畢業設計及科技創新項目實訓,提高學生協同工作能力和實踐能力；

(3) 通過BIM實訓,鍛煉學生的BIM思維,了解行業前沿科技發展情況,理解和掌握最新科學技術。

3.2 實驗項目安排

學院根據國內外BIM教學研究成果[8-12]和自身經驗,結合本院培養特色和目標,編制了相應的實驗教學大綱,以BIM技術架構和理念為核心,從理論到實踐,讓學生循序漸進地學習,培養學生運用信息化技術對建設項目全過程進行精細化管理的能力和創新思維。實驗教學大綱的主要內容為：

(1) BIM的原理和基本概念；

(2) BIM的理論架構體系；

(3) BIM各專業建模技術；

(4) BIM在各個環節的應用。

3.2.1 實驗項目設置

BIM實驗教學注重實踐性,強調學生對知識的運用。根據BIM實驗室現有資源情況和近期的采購計劃,結合教學大綱安排,BIM教學內容基本貫穿土木工程和工程管理的所有專業課程,包括建筑制圖類課程、工程管理類課程、施工管理類課程。實驗項目包括BIM設計建模、結構分析、碰撞分析、模擬施工、工程量計、造價管理等。按照年級從低到高,劃分出從基礎建模到高級應用的課程,以BIM技術為核心,貫穿于整個實踐教學環節中,按照教學大綱循序漸進,擴大學生的BIM知識體系。

3.2.2 創辦BIM實訓短班、技術講座

通過校企的產學研合作,定期開設一些短期BIM實訓課程班,邀請企業的技術專家開設一些實訓課程,重點培養學生BIM應用能力。還邀請有關專家前來舉辦BIM技術專題講座,拓展師生知識面。

3.2.3 基于項目的學習和實踐

對BIM技術應用的學習,需要有很強的實踐環境,通過產學研結合,能夠為在校師生的BIM實踐教學提供大量的教學案例,彌補學校教學資源的不足。同時也為學生提供了參與實際項目的機會,使學生能夠真正接觸BIM工程項目操作流程,了解BIM技術在項目實施過程中遇到的問題和解決方法。在實際項目中,學生通過跨專業的團隊協作,可以完整掌握BIM工作流程,了解BIM協同工作的重要性,提高學生通過BIM技術解決實際問題的能力。

3.2.4 其他措施

我院依托BIM實驗室,設立了各類定期學習活動,為BIM人才培養提供保障,包括：

(1) 與BIM相關企業合作創辦不同主題的學術講座和學習沙龍活動。

(2) 聯合我院土木校友基金會,邀請校友企業開展系列BIM交流活動,例如：創辦BIM技術交流協會；定期舉辦各種線上或線下BIM技術交流活動；組織學生到校友企業的BIM項目現場進行參觀學習；為在校生去企業開展BIM實踐創造機會等。

(3) 創建BIM技術交流微群,分享前沿BIM信息,開設BIM微講堂。

(4) 不斷加深校企間合作,合作企業每年為學生提供BIM相關的實習崗位,讓學生到企業中去實踐。

(5) 實驗室提供開放式實驗環境和配套資源,積極鼓勵和支持學生參與BIM相關比賽和創新活動,如每年的斯維爾BIM大賽、校級創新發展基金基礎實驗項目、學生創新創業活動等。

4 結語

在BIM技術應用快速發展的背景下,一方面是行業對BIM技術人才的需求量越來越大,另一方面是我國土木工程專業BIM教學還處于起步階段,缺乏良好的學習和培訓環境。土木工程專業院校有必要緊跟行業步伐,重視針對行業新技術的研究和教學,加大對BIM技術實踐環節的投入。本文以我校土木工程學院BIM實驗室為例,介紹了實驗室的建設和實施情況。結合BIM技術,實驗室積極探索創新人才培養方式,提高專業人才的綜合素質,成為BIM技術產學研一體化的重要平臺,為高校BIM實驗室建設提供了借鑒和參考。