水利水電專業(yè)BIM類課程體系的構(gòu)建

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摘要：建筑信息模型（BIM，BuildingInformationModeling）技術(shù)，對(duì)促進(jìn)水利水電工程行業(yè)向現(xiàn)代信息化發(fā)展具有重要意義。總結(jié)了BIM技術(shù)在水利水電工程設(shè)計(jì)、施工、管理、竣工驗(yàn)收及運(yùn)營維護(hù)等方面的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和現(xiàn)狀；構(gòu)建了基礎(chǔ)理論課程群、單項(xiàng)專業(yè)實(shí)訓(xùn)課程群、綜合課程（畢業(yè)）設(shè)計(jì)提高課程群的水利水電工程專業(yè)bim類全過程“3+1”課程體系；結(jié)合師資資源、課程資源和教學(xué)方法，提出了水利水電工程專業(yè)BIM類課程的教學(xué)改進(jìn)途徑。研究以期促進(jìn)課程建設(shè)，對(duì)專業(yè)課程體系也具有有益的指導(dǎo)和借鑒。

關(guān)鍵詞：水利水電工程專業(yè)；BIM；課程體系；教學(xué)研究

1BIM在水利水電工程中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1.1設(shè)計(jì)方面

傳統(tǒng)的二維CAD施工圖紙不利于各參與方信息協(xié)同與共享。BIM三維實(shí)體模型能自動(dòng)導(dǎo)出壩體二維剖面圖，減少設(shè)計(jì)繪制工作量；BIM技術(shù)改變了傳統(tǒng)先結(jié)構(gòu)后施工圖設(shè)計(jì)流程，可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)工程師和設(shè)計(jì)工程師數(shù)據(jù)共享、協(xié)同工作，達(dá)到工程結(jié)構(gòu)和工程設(shè)計(jì)一體化；協(xié)作平臺(tái)Vault能使任何一方的一個(gè)細(xì)小的修改和變更都能協(xié)同聯(lián)動(dòng)，進(jìn)行關(guān)聯(lián)的修改和變更，避免傳統(tǒng)以紙質(zhì)載體為主和相對(duì)獨(dú)立的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維產(chǎn)生的信息不對(duì)稱，確保工程在不同階段信息的時(shí)效性、實(shí)效性、唯一性和及時(shí)性。特別對(duì)于受溫控、生產(chǎn)能力、進(jìn)度要求非常復(fù)雜的大壩，如何科學(xué)確定大壩分層分縫、壩澆順序、澆筑進(jìn)度，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)很難一步到位。通過導(dǎo)入影響澆筑的影響因素變量，利用BIM技術(shù)能快速自動(dòng)生成不同澆筑方案下進(jìn)度和各項(xiàng)指標(biāo)的時(shí)空動(dòng)態(tài)信息，從而確定最佳方案。

1.2施工方面

可視化將復(fù)雜的施工過程通過動(dòng)畫視屏仿真技術(shù)預(yù)演施工過程，對(duì)可能出現(xiàn)的技術(shù)和安全問題進(jìn)行預(yù)判，并能將工程施工形象進(jìn)展、信息和數(shù)據(jù)能以圖表形式輸出。為降低施工布置、進(jìn)度控制、人財(cái)物安排、施工調(diào)度的風(fēng)險(xiǎn)，提供工程全生命周期的施工依據(jù)。3DMax可視化仿真難以對(duì)復(fù)雜異構(gòu)水工結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，GIS建模時(shí)效性、實(shí)效性和協(xié)同性差，需重復(fù)建模、精確度低[2]。BIM技術(shù)平臺(tái)Civil3D軟件具有數(shù)字化地形模型功能，可以導(dǎo)入靜態(tài)三維地形圖，為施工平面布置提供依據(jù)。在三維數(shù)字地形圖上，結(jié)合壩基壩肩開挖設(shè)計(jì)曲面，通過地形動(dòng)態(tài)填挖取舍，生成形成壩體開挖地形動(dòng)態(tài)曲面。在開挖地形曲面空間內(nèi)自動(dòng)生生壩體三維空間模型，Revit軟件“族”工具按規(guī)范要求，進(jìn)行壩體分段分塊施工的時(shí)空三維實(shí)體模型導(dǎo)出。

1.3管理方面

平臺(tái)Navisworks軟件能將各分項(xiàng)工程賦予時(shí)間屬性和成本屬性，實(shí)現(xiàn)四維進(jìn)度控制和五維成本控制的功能，從而進(jìn)行人員管理、設(shè)備管理、材料管理、施工方法管理、環(huán)境管理、進(jìn)度管理、成本管理和安全管理[3]。通過對(duì)工程的實(shí)時(shí)管理和監(jiān)控，達(dá)到優(yōu)化進(jìn)度、提高質(zhì)量、降低成本、提高效率、減少風(fēng)險(xiǎn)的目的。

1.4竣工驗(yàn)收及運(yùn)營維護(hù)方面

傳統(tǒng)的水利工程竣工資料，需要收集設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理各方參與的資料，耗費(fèi)大量人力整理，復(fù)雜冗長。BIM技術(shù)能自動(dòng)收集、生成各方資料，提高效率。通過建模來對(duì)其設(shè)備使用時(shí)間、維護(hù)狀況等工況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，可視化進(jìn)程與監(jiān)控系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，提出相應(yīng)的維護(hù)措施。利用互聯(lián)網(wǎng)＋、App及遠(yuǎn)程智能監(jiān)控技術(shù)，BIM技術(shù)能達(dá)到可視化人財(cái)物調(diào)度，賦予大壩安全監(jiān)測儀器屬性信息，通過Revit對(duì)應(yīng)儀器識(shí)別代碼，并結(jié)合工程動(dòng)態(tài)進(jìn)展、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)行進(jìn)度和安全動(dòng)態(tài)監(jiān)管。

2BIM在水利水電工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀

BIM技術(shù)在我國屬于起步階段，部分應(yīng)用于建筑行業(yè)。目前水利水電工程領(lǐng)域沒有BIM強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用僅僅局限單個(gè)單項(xiàng)工程上[4]。一方面BIM通過建模軟件和應(yīng)用軟件搭建基本信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)信息建模。應(yīng)用軟件是BIM的核心，任何一個(gè)軟件無法實(shí)現(xiàn)所有不同專業(yè)、不同參與方在不同階段的所有功能，應(yīng)針對(duì)不同專業(yè)、不同參與方在不同階段的不同需求，需要借助不同的軟件實(shí)現(xiàn)。而不同建模軟件和應(yīng)用軟件的數(shù)據(jù)輸出和存儲(chǔ)格式不盡相同，必須使不同軟件達(dá)到兼容和數(shù)據(jù)共享，達(dá)到模型檢測、協(xié)同工作平臺(tái)、信息集成管理、三維模擬建造、目標(biāo)動(dòng)態(tài)控制、可視化虛擬展示的基本功能。另一方面不同于建筑工程，由于水利水電工程多專業(yè)性、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜異構(gòu)性、建筑物的分布性、涉及參與多方性，不同階段涉及的要求、深度和精度不同，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中圖紙經(jīng)常變更，應(yīng)用困難。2016年中國水利水電勘測設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)基于推進(jìn)勘測設(shè)計(jì)手段，成立中國水利水電BIM設(shè)計(jì)聯(lián)盟，但由于技術(shù)力量、經(jīng)費(fèi)投入、水利水電工程的復(fù)雜性，應(yīng)用還不夠深入，仍僅僅限于三維建模[5]。華北水利水電大學(xué)結(jié)合武都水庫工程的地質(zhì)狀態(tài)、工程建設(shè)過程、進(jìn)度與安全質(zhì)量管理，基于水利水電工程任務(wù)特征、技術(shù)特征、用戶特征，從數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、管理標(biāo)準(zhǔn)，提出了水電工程BIM標(biāo)準(zhǔn)框架的HBIM的概念[1]。

3水利水電工程專業(yè)BIM類課程體系的構(gòu)建

課程體系必須滿足專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成度，應(yīng)兼顧知識(shí)結(jié)構(gòu)、培養(yǎng)目標(biāo)和發(fā)展的需要。水利類教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)指出：水利水電工程專業(yè)培養(yǎng)從事利水電工程及相關(guān)工程領(lǐng)域的勘測、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、科研和管理的高級(jí)工程技術(shù)和管理人才[6]?？梢?，落實(shí)好BIM課程的設(shè)置和教學(xué)，能很好實(shí)現(xiàn)水利水電工程專業(yè)人才培養(yǎng)的達(dá)成度。

3.1存在的問題

西昌學(xué)院2016年投資340萬元，建成“BIM及綠色建筑創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)室”，包含土建算量、安裝算量、清單計(jì)價(jià)、Revit、BIM5D、uniBIM、建筑設(shè)計(jì)Arch、設(shè)備安裝識(shí)圖、建筑識(shí)圖三維仿真實(shí)訓(xùn)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等硬軟件系統(tǒng)。在人才培養(yǎng)方案拓展教育模塊，結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用訓(xùn)練、建筑設(shè)計(jì)訓(xùn)練及BIM建模、BIM綠色建筑分析3個(gè)模塊，僅以實(shí)訓(xùn)課在第7學(xué)期進(jìn)行2周的專項(xiàng)技能強(qiáng)化訓(xùn)練?？梢?，和多數(shù)學(xué)校一樣，課程教學(xué)內(nèi)容邊界隨意[7]，往往根據(jù)教師自己的知識(shí)能力和個(gè)人喜好，決定授課內(nèi)容體系，課程體系與BIM知識(shí)應(yīng)用聯(lián)系度不高、不成熟、系統(tǒng)性不強(qiáng)，實(shí)踐內(nèi)容單一，人才培養(yǎng)不能適應(yīng)行業(yè)發(fā)展要求，無法體現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成度。

3.2構(gòu)建思路

BIM不僅是計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的應(yīng)用，知識(shí)體系也具有多專業(yè)、多階段、多課程和實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)。不分專業(yè)、包羅萬象地全部開設(shè)課程教學(xué)，顯然不現(xiàn)實(shí)；單獨(dú)開設(shè)理論課或?qū)嵱?xùn)課，也無法達(dá)到教學(xué)目的。有些學(xué)校僅單獨(dú)新增幾門有關(guān)BIM的專業(yè)基礎(chǔ)課，以操作為主進(jìn)行課堂講授和實(shí)訓(xùn)，完成基本原理講授及軟件操作，或完全針對(duì)某課程設(shè)計(jì)或競賽進(jìn)行教學(xué)，忽視了BIM在項(xiàng)目整個(gè)生命周期中其他教學(xué)內(nèi)容；也有將BIM的教學(xué)內(nèi)容融入專業(yè)課程中，以實(shí)際應(yīng)用為主，教學(xué)缺乏系統(tǒng)性[8]。應(yīng)該針對(duì)BIM類課程體群，設(shè)置基礎(chǔ)理論課程群、單項(xiàng)專業(yè)實(shí)訓(xùn)課程群、綜合課程（畢業(yè)）設(shè)計(jì)提高課程群，構(gòu)建水利水電工程專業(yè)BIM類全過程課程體系，形成將理論和實(shí)訓(xùn)融為一體的“3+1”BIM類課程體系，使學(xué)生全面地、系統(tǒng)地掌握BIM專業(yè)知識(shí)，滿足行業(yè)對(duì)BIM人才的需求?；A(chǔ)理論課程群完成BIM的基本概念、原理基礎(chǔ)和相關(guān)軟件應(yīng)用的理論教學(xué)。單項(xiàng)專業(yè)實(shí)訓(xùn)課程群將BIM相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的實(shí)訓(xùn)融入專業(yè)課程體系的相應(yīng)課程群中教學(xué)。綜合課程（畢業(yè)）設(shè)計(jì)提高課程群針對(duì)實(shí)際工程項(xiàng)目，利用BIM相應(yīng)知識(shí)通過課程（畢業(yè)）設(shè)計(jì)，進(jìn)行實(shí)踐操作[9]。對(duì)有些知識(shí)點(diǎn)，確實(shí)無法在專業(yè)人才培養(yǎng)方案中相應(yīng)必修課設(shè)置，可以采用公共選修課和學(xué)生自學(xué)的方式完成。

3.3構(gòu)建方案

以提高BIM在項(xiàng)目全生命周期的應(yīng)用、加強(qiáng)教學(xué)的系統(tǒng)性、節(jié)約教學(xué)時(shí)間、提高教學(xué)效果為目標(biāo)，根據(jù)“3+1”BIM類課程體系模式，按照開課時(shí)間，采用循序漸進(jìn)的方法，將制圖建模、施工布置、進(jìn)度控制、成本控制、結(jié)構(gòu)計(jì)算、項(xiàng)目管理等全過程環(huán)節(jié)融入相應(yīng)課程[10]。

4水利水電工程專業(yè)BIM類課程的教學(xué)改革

4.1師資資源的建設(shè)

BIM知識(shí)體系的多專業(yè)性、多課程性，教學(xué)內(nèi)容更新快，要求教師具有較好的知識(shí)結(jié)構(gòu)，有持續(xù)學(xué)習(xí)的動(dòng)力和能力[7]。師資隊(duì)伍短缺是制約水利水電工程專業(yè)BIM類課程教學(xué)的瓶頸。要內(nèi)培外引，建立教師成長機(jī)制，拓展教師資源。與BIM相關(guān)的企業(yè)、專業(yè)機(jī)構(gòu)和商軟件公司進(jìn)行合作，共建實(shí)訓(xùn)室，改善軟硬件條件，承擔(dān)部分教學(xué)工作，緩解BIM教學(xué)師資力量相對(duì)薄弱所帶來的壓力，也還可以采取校企聯(lián)合的方式，派遣部分專業(yè)教師深入企業(yè)進(jìn)行實(shí)踐，提高專業(yè)教師掌握和應(yīng)用BIM技術(shù)的能力[9]。通過外出學(xué)習(xí)培訓(xùn)，提高知識(shí)水平，更新教學(xué)理念，改進(jìn)教學(xué)方法。成立BIM教學(xué)團(tuán)隊(duì)[10]，相關(guān)涉及BIM的課程內(nèi)容的教學(xué)，在教研室統(tǒng)一安排下由教學(xué)團(tuán)隊(duì)成員，根據(jù)不同知識(shí)點(diǎn)分工協(xié)作完成。鼓勵(lì)跨學(xué)科之間協(xié)作，建立BIM工作室，人員既有不同專業(yè)的教師，也有不同專業(yè)的學(xué)生，達(dá)到跨學(xué)科的協(xié)同合作的目的；對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)好的學(xué)生，也可以成為教師教學(xué)助手，解決師資短缺的問題。

4.2課程資源的建設(shè)

目前BIM教材建設(shè)緩慢，沒有針對(duì)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的適用教材和匹配的案例教學(xué)資源，有的僅以BIM軟件說明書作為教材，實(shí)用性和針對(duì)性差。限于教師個(gè)人知識(shí)體系及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，自編教材困難[7]。秉承協(xié)同創(chuàng)新原則，加強(qiáng)校企合作，堅(jiān)持校企師資互補(bǔ)、內(nèi)外管理結(jié)合，實(shí)現(xiàn)共同制定人才培養(yǎng)方案、共同參與課程教學(xué)、共同指導(dǎo)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)、共同考核學(xué)生學(xué)習(xí)成績[11]，聯(lián)合企業(yè)、行業(yè)協(xié)會(huì)，針對(duì)不同專業(yè)制定BIM課程內(nèi)容和認(rèn)證的指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)，積極結(jié)合技能大賽、實(shí)際工程項(xiàng)目和教師自身優(yōu)勢(shì)，共同開發(fā)課程教材和教學(xué)資源。通過在線共享資源精品課程和各種MOOC，共享教學(xué)資源。

4.3教學(xué)方法的改進(jìn)

目前BIM類課程的教學(xué)主要以理論講授為主，實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)少，教學(xué)效果差。必須通過BIM知識(shí)系統(tǒng)學(xué)習(xí)和實(shí)訓(xùn)教學(xué)，才能達(dá)到加強(qiáng)軟件操作、綜合應(yīng)用能力、協(xié)同工作能力、解決實(shí)際工程問題的能力。綜合課程（畢業(yè)）設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目，進(jìn)行全生命周期、全設(shè)計(jì)過程的系統(tǒng)訓(xùn)練[12]。可采用“一模多用”的教學(xué)方法[10]，即結(jié)合課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)，學(xué)生自愿分組組成BIM學(xué)生團(tuán)隊(duì)，從制圖建模、施工布置、進(jìn)度控制、成本控制、項(xiàng)目管理等各個(gè)專業(yè)課程全過程環(huán)節(jié)，協(xié)作完成任務(wù)，把項(xiàng)目全過程通過“一模多用”系統(tǒng)聯(lián)系起來，使每個(gè)學(xué)生都得到全方位系統(tǒng)訓(xùn)練，并對(duì)基于BIM課程設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)方法畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行效果評(píng)價(jià)。積極引進(jìn)和聘請(qǐng)行業(yè)專家，開展專題講座，將工程真實(shí)項(xiàng)目融入課堂，要讓教師由“課堂的講授者”變?yōu)椤绊?xiàng)目的設(shè)計(jì)者”，讓學(xué)生由“課堂的接受者”變?yōu)椤绊?xiàng)目的參與者”。結(jié)合實(shí)際工程開展科技創(chuàng)新，對(duì)已建工程進(jìn)行工程方案優(yōu)化比較設(shè)計(jì)，對(duì)擬建工程進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)訓(xùn)練，為工程單位提供設(shè)計(jì)思路和初步方案。重視技能大賽與人才培養(yǎng)相結(jié)合，鼓勵(lì)師生參加各類型的技能大賽，對(duì)獲獎(jiǎng)的教師和學(xué)生在工作或?qū)W籍績效上給予獎(jiǎng)勵(lì)。目前關(guān)于BIM的各種技能大賽，主要有BIM-revit建模比賽、全國BIM技能等級(jí)考試（BIM建模師、建模經(jīng)理、應(yīng)用經(jīng)理、項(xiàng)目管理師、戰(zhàn)略規(guī)劃師、造價(jià)管理）、全國建筑類虛擬建造大賽、建筑BIM信息應(yīng)用創(chuàng)新大賽、建筑BIM信息應(yīng)用技能大賽。課程體系融入技能競賽內(nèi)容，提升學(xué)生職業(yè)能力，達(dá)到以賽促學(xué)；教師指導(dǎo)學(xué)生參加技能競賽，提高教學(xué)能力，達(dá)到以賽促教；專業(yè)建設(shè)結(jié)合技能競賽，達(dá)到以賽促改。

5結(jié)語

BIM技術(shù)應(yīng)用于水利水電工程是適應(yīng)信息化、智能化發(fā)展的需要，是大勢(shì)所趨。BIM基于現(xiàn)有的平臺(tái)應(yīng)用于水利水電工程，必須建立多專業(yè)融合、多軟件并行的、適合我國工程實(shí)際和規(guī)范要求的行業(yè)和專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提高各單項(xiàng)工程協(xié)同能力，才能在水利水電工程領(lǐng)域很好開展全生命周期的應(yīng)用。教學(xué)中要不斷進(jìn)行BIM類課程體系的建設(shè)和優(yōu)化，加強(qiáng)校企合作，提升師資教學(xué)水平，改進(jìn)教學(xué)方法，拓展課程資源。

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作者：錢波 余明東 游潘麗 莊錦亮 單位：西昌學(xué)院土木與水利工程學(xué)院