需求導向的智能建造專業課程體系與培養方案建設

唐彬 趙能 謝凱 王逸洋

摘要： 面對未來建筑領域帶來的新挑戰，智能建造專業應運而生，迫切急需培養一大批智能建造專業人才，但是傳統的課程體系和培養方案已經不能滿足智能建造專業學生的培養需求。該文在分析當前智能建造發展現狀的基礎上，針對智能建造行業發展在智慧工地、項目信息管理系統、人工智能技術、VR技術、三維掃描技術、建筑機器人等方面的需求，開展產學研結合的專業課程體系與培養方案建設，為智能建造專業未來發展提供了思路。

關鍵詞： 需求導向? 智能建造? 課程體系? 實踐教學

中圖分類號：G64? ?文獻標識碼：A

Abstract： Facing the new challenges brought by the future construction field， intelligent construction specialty arises at the historic moment， and it is urgent to cultivate a large number of intelligent construction professionals. However， the traditional curriculum system and training scheme can not meet the training needs of intelligent construction students. Based on the analysis of the current development status of intelligent construction， aiming at the needs of the development of intelligent construction industry in intelligent construction sites， project information management systems， artificial intelligence technology， VR technology， three-dimensional scanning technology， construction robots and other aspects， this paper carries out the construction of the professional curriculum system and training scheme of production-study-research combination， which provides ideas for the future development of intelligent construction specialty.

Key Words：Demand-oriented; Intelligent construction; Curriculum system; Practical teaching

智能建造是建筑業轉型升級的新引擎，它依托物聯網、人工智能、云計算、移動通信等技術，可以根據實時需求而快速調整設計方案。智能建造是一個高度集成了設計、生產、施工和客戶要求等關鍵環節的互聯協同的建造系統，各個環節可以實時共享數據，從而可以實現對各個環節的變化需求的快速響應，即實現項目全周期的彈性和高效率。住房和城鄉建設部將重點從實施智能建造試點示范創建行動、加快推廣建筑信息模型技術、大力發展裝配式建筑、打造建筑產業互聯網平臺和推進建筑機器人典型應用共5個方面入手，進一步推動智能建造與新型建筑工業化協同發展，促進建筑業轉型升級。由此可見，未來對智能建造專業人才需求較大，如何根據當前行業發展的迫切需求，高質高效地培養智能建造專業學生，為我國社會經濟發展服務，已成為當前亟待解決的關鍵問題。

1 智能建造專業發展現狀

自同濟大學2018年首次設立智能建造專業以來，國內眾多科研院所緊隨其后，目前全國已有40多所高校設立了智能建造專業。智能建造專業以傳統土木工程專業為背景，融入了智能元素，傳統的課程體系和培養方案已經不能滿足智能建造專業學生的培養需求。我國學者對智能建造專業建設進行了大量研究，丁烈云[1]從智能建造專業人才應具備的知識結構、知識體系和專業能力等三個方面入手，深入探討了智能建造專業學科基礎和培養模式等關鍵問題；安棟等[2]研究了智能建造新專業中“土建制圖”課程的新變化，為智能建造專業的課程建設提供建議；張雷等[3]歸納了智能建造專業的BIM知識體系，并對BIM課程體系建設提供了方向性的引導和具體的實施建議；劉占省等[4]探究了智能建造專業培養方案，提出了一種基于新型教學平臺的綜合性數字化教學模式；盧昱杰等[5]從課程體系、師資力量、實踐教學、管理制度等方面入手，提出了智能建造專業教學方案的新模式；滿軻等[6]對智能建造專業實踐教學進行了深入思考，從認識實習、企業工程實踐以及工程實戰三大類課程對實踐教學進行了重新設計；毛超等[7]探究了智能建造專業人才所需的知識和能力，為智能建造專業的培養方案和相關專業建設提出了建議；姜景山等[8]探索了新工科背景下智能建造專業培養方案，認為學生創新創業能力不高是智能建造專業教育難以實施的痛點和難點之一。劉世平等[9]對智能建造專業實踐性教學環節方案設計進行了一些思考，認為要充分重視實驗課和集中性實踐教學環節的設計，為正在開展智能建造專業建設的院校提出了建議。歐陽利軍等[10]闡述了智能建造專業提出的背景和目前土木工程專業發展現狀以及智能建造技術在理念、技術和模式上給土木工程行業帶來的巨大變革， 提出了依托智能建造專業的大學生創新創業新思路。

2 當前社會經濟發展對智能建造專業的需求

2.1 施工單位需求

傳統的建筑施工方式存在生產效率低、資源利用率不高、污染環境等缺點。提高建筑行業生產效率，實現快速發展已成為共識。當前施工單位對智能建造方面的需求主要體現在智慧工地、項目信息管理系統和人工智能技術、VR技術、三維掃描技術、建筑機器人六個方面。

2.1.1智慧工地

智慧工地是指利用信息技術，搭建三維設計平臺，實現對工程項目精準設計和模擬施工的目的，根據施工的過程管理，建立互相關聯、智能安全、高效管理的信息化生態圈，挖掘分析通過將此數據和在模擬環境下運用物聯網采集到的工程信息，提供過程趨勢預測曲線以及解決方案，對項目施工進行可視化智能管理，促進項目管理信息化水平，繼而實現綠色建造和生態建造。

人工智能、移動通信技術、圖形處理等高科技技術由智慧工地植入到土木工程項目各環節中，并且相互關聯，組成“物聯網”，然后在“互聯網”的整合下，實現項目管理干系人與項目施工現場的實時交互。智慧工地的本質是通過一種“更智慧”的途徑來改善工程項目中各干系組織與在崗人員相互交流的方式，以便提高精準性、效率、響應速度。

2.1.2項目信息管理系統

項目信息管理系統將傳統的科室結構改革為“工作流結構”。公司決策者提供高效的環境和工具，將線性組織結構改變為網狀結構，并為具有創造性的個體賦予職能。項目信息管理系統是一個由“人、機、料、法、環”子系統合成的一體化系統。可以實現對工程項目的進度管理、人力資源管理、物流管理、設備控制管理、資金管理、安全質量管理、質量管理等。具有處理速度快、規范性高、簡化管理流程等優點。通過無線監測傳感器對大型機械設備、基坑周邊、配電房、施工電梯、危險區域、大體積混凝土進行監測，將采集到的數據與項目信息管理系統集成，第一時間向項目相關人員發出警報，與公司安全監管部門聯動。

2.1.3人工智能技術

人工智能技術是運用計算機模擬人類思考和行為方式，研究人類意識及思維的技術。人工智能技術在智能建造中的應用“智能”的表現方式之一，在智能建造中充當“人類大腦”的地位。人工智能以計算機技術為基礎，通過多種智能算法和數據處理技術，分析項目施工現場的實測數據，從而實現對項目施工全過程的實時監測，并進行深度學習，為以后其他項目施工提供預測、優化。在進度管理方面，運用人工智能技術可以預測項目施工進度并進行優化調整方案，確保如期完成施工進度。如利用基于人工智能的推理模型來預測項目的生產力、利用神經網絡—長短時記憶模型估計工程竣工進度。在安全風險的判別以及安全措施的檢查方面，運用人工智能技術，可以實現施工機械操作員的疲勞作業檢測、危險行為預警、安全風險評估等。此外，還可運用人工智能技術管理施工進度和監測施工質量，如利用人工智能方法對混凝土振動質量進行實時監測。

2.1.4 VR技術

虛擬現實（Virtual Reality）是一種三維計算機仿真系統，融合了仿真科學、計算機科學與互聯網傳感三門技術。通過虛擬現實技術模擬環境，能夠給予用戶沉浸式可互動的體驗，更加直觀地觀察各種信息。將虛擬現實技術應用到土木工程項目當中時，采用專用軟件將擁有數據信息的BIM模型制作成動畫等形式，用戶通過穿著VR設備進入虛擬環境，既提高了可視性和交互性，也加強了資源的整合能力。但目前虛擬現實技術對計算機的配置有著嚴格的要求，從而限制了虛擬現實技術在項目施工過程中的應用。

虛擬現實技術是目前應用價值最高的技術，與BIM技術相互結合，將二者的優點相互補充。虛擬現實技術將BIM模型變為辨識度很高的虛擬場景，同時完整地保留了BIM模型原有的信息。一線施工人員通過穿著VR設備，便能快速感知相關作業的環境信息。可通過虛擬現實技術開展新型安全教育培訓，在虛擬環境中模擬高處墜落、觸電、坍塌、火災等事故情景，使施工人員身臨其境地感受事故的危害性，有助于施工人員提高安全生產意識，加深對預防措施的理解。在項目施工方面，可通過虛擬現實技術將指導施工內容加載到施工人員的設備中，施工人員能夠更直觀地了解具體施工操作過程，減少培訓時間，提高施工效率，減少工程建設成本。針對建筑設計的可視化，通過虛擬現實技術結合BIM技術，用戶可以沉浸式地查看設計成果、工藝工法等，有助于施工方了解施工過程。BIM+VR的結合可創建虛擬現實工藝樣板，具有不受場地限制、節省施工用地、節省樣板費用、可重復利用等特點[11]。運用BIM+VR技術，判別施工中存在安全危險的三維方案，可以減少危險事故的發生，提高項目管理水平。

2.1.5三維掃描技術

三維掃描技術的基本原理是激光測距，類似一個可以實現高速測量的全站儀，能夠快速準確測量建筑物表面眾多點的坐標等信息，具有測量速度快、測量密度大、精度高、數字化程度高等特點。在項目施工中應用三維掃描技術，不僅縮短了前期的設計時間，而且有助于后期施工管理、指導施工。尤其是在復雜空間運用三維掃描技術，能夠極大地節約成本、縮短施工時間，同時可以將實測數據與BIM模型進行分析，快速發現修正偏差，保障工程的順利進行。三維掃描技術能夠快速、精準地獲取建筑物的目標信息，此外還能大幅降低工作量，改善施工進度，為土木工程項目智能化建造提供高效、精準的數據信息。

2.1.6 建筑機器人

我國建筑行業存在勞動力短缺、施工安全性差、勞動生產率低等問題。在項目施工中引入了建筑機器人，不僅解決了勞動力成本及勞動力生產效率問題，而且還提高了施工現場的安全性。目前已經研發出下列機器人：①墻體砌筑機器人，世界上第一臺砌筑機器人是SAM100砌磚機器人，由美國Construction Robotics公司研發生產的，采用半自動化工作模式，提高了3～5倍的工作效率，在我國墻體砌筑機器人目前還處于理論研究階段，還未能運用到實際現場中；②墻面/地面施工機器人，在傳統的施工過程中，鋪貼地磚、墻磚需要耗費大量人力、物力，同時鋪貼質量還得不到保障，墻面/地面施工機器人應運而生，21世紀初新加坡未來城市實驗室聯合蘇黎世聯邦理工學院研發出了一款地磚鋪貼機器人，適用于大型公共建筑和小型民居的地磚鋪貼；③清拆/清運機器人，在土方開挖以及廢舊建筑的拆除和改造過程中，現場的清運和清拆施工過程極具危險性，同時還會浪費了大批的混凝土，給后期回收鋼筋造成困難，有關科研機構針對這一難題，研發了清拆機器人，有沖擊破碎和分離回兩種工作模式，但目前并未投入實際使用；④3D打印機器人，1990年美國南加州大學Khoshnevis教授提出了一種“輪廓工藝”（Contour Crafting）技術，開創了3D打印在建筑行業應用的先河，3D打印機器人的優點不言而喻，但施工成本高，而且使用的打印材料要求嚴格，因此適用范圍不廣。

3 智能建造專業課程體系與培養方案優化

3.1 課堂教學

智能建造專業以“建造”為核心，以“智能”為手段，為滿足產業實際需求，需要對傳統的土木工程課程體系進行重構，在保留原有土木工程專業核心課程的基礎上，如《理論力學》《結構力學》《土木工程材料》《混凝土結構設計原理》《土木工程施工》等，增加一些軟件工程、人工智能等專業的相關課程，如《Java編程基礎》《C語言編程基礎》《物聯網與人工智能》《群體智能與自主系統》《計算機圖形學》等。要打破傳統的束縛，營造多學科良好交融的氛圍。

傳統的教學模式以教為主，難以完全發揮學生的主動性、創新性、積極性，并且難以跟上產業變革和社會需求。歐美國家工程教育采用CDIO模式，即花很少的時間來講授理論知識，主要通過讓學生參加實踐項目，自主獲取知識，把理論運用到實踐中去，鍛煉學生的自主學習、創新思維、團隊合作等能力[12]。

3.2 實踐教學

實踐教學分為認知實習，企業實踐以及項目實戰三大環節。認知實習可以使學生初步了解傳統土木工程行業以及智能建造行業，發現它們之間的區別。重點在“認識”，需要引導學生培養工程思維模式，同時融入智能建造元素，使得學生全方位認識土木行業及智能建造專業，其中包括各種軟件開發及其應用、智能化掘進技術及裝備、裝配式建筑技術、襯砌支護等。企業實踐可以使學生將在課堂所學的理論知識運用到實踐中，用實踐驗證理論，加深印象。實踐環節需以傳統的土木專業為基礎，融合信息處理技術、計算機技術、機械設計制造技術等，開展不同類型的實踐，提高學生工程建造智能化、數字化、信息化的能力。項目實戰讓學生參與到具體的項目當中去，自主設計方案，熟悉如何運用已掌握的知識進行具體的智能化土木建造類項目。

3.3 產學研協作

為了主動適應社會經濟發展，培養應用型創新人才，建立產學研一體化聯盟是必然選擇。北京工業大學提出了“G-USE”產學研合作教育模式，G代表政府（Government）和指引（Guide）；U代表高校（University）和聯合（Union）；S代表學生（Student）和粘合（Stick）；E代表企業（Enterprise）和工程（Engineering）[13]。這種模式由政府主導，聯合高校和企業，學生為受益者。

2014年9月，李克強總理提出“大眾創新，萬眾創業”，高校大學生創新創業引來了巨大的發展契機。與傳統的創業項目相比，智能建造行業可以提供一些跨學科復合型項目。鼓勵本科生和研究生參加“互聯網+”、挑戰杯等創新創業類學科競賽。搭建大學生創新創業平臺，提供智能建造成果轉化、孵化創業公司等服務。激發學生的創業興趣，通過一些支持政策，鼓勵學生將極具應用價值的智能建造項目進行成果轉化。

在安徽理工大學智能建造專業建設中，參考國內外高校的先進經驗，開展了產學研合作。首先與安徽建工集團合作共建了安徽智能建造與裝配式建筑研究院，加快產學研用一體化進程，提高成果轉化能力，積極推動高新技術落地應用。深入促進產教融合、校企融合，充分發揮學校科研優勢、人才優勢，聚焦企業實際需求，加強深層次的交流合作，實現校企雙方互惠共贏。同時與多家施工單位、智能建造系統研發單位以及裝配式結構生產單位簽訂合作協議。定期選送高校教師赴上述單位進修學習，組織學生參加實習實訓。定期邀請研究院所、施工單位、設計單位和廠家技術人員來高校給智能建造專業師生開展業務講座，參與智能建造專業培養方案修訂。優選智能建造行業高級職稱技術人員擔任智能建造專業校外導師，參加畢業設計指導和畢業答辯評審。安徽理工大學通過“走出去，請進來”的培養策略，使智能建造專業的培養工作不僅局限于校園內，而是與智能建造行業的各個環節有機結合。

4 結語

智能建造是以物聯網、人工智能、移動通信等技術為基礎，可以根據實時需求而快速調整的高度集成與協同的建造系統。智能建造專業以傳統土木工程專業為背景，融入了智能元素，傳統的課程體系和培養方案已經不能滿足智能建造專業學生的培養需求。該文在分析當前智能建造發展現狀的基礎上，針對智能建造行業發展的需求，開展產學研結合的專業課程體系與培養方案建設，為智能建造專業未來發展提供了思路。

參考文獻

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[2]安棟，白玉星，許海亮，等.智能建造新專業背景下基于BIM的“土建制圖”課程體系改革研究[J].無線互聯科技，2019，16（19）：107-108，111.

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基金項目：安徽理工大學教學改革研究項目：“《礦山建設工程》課程實踐性教學改革”（項目編號：13200237）。

作者簡介：唐彬（1987—），男，博士，副教授，碩士生導師，研究方向為礦山巖土工程。