面向应用型人才培养的交通BIM课程教学方案研究与实践

(贵州师范大学材料与建筑工程学院，贵阳 550001)

引言

近年来，随着计算机硬件与软件技术发生质的飞跃，工程领域计算机辅助设计正逐渐由传统的CAD阶段向BIM阶段过渡。BIM 技术除了具备CAD 的各项功能，包含各类建筑和结构信息外，还包含涉及整个项目生命周期的经济和管理信息[1]。国外相关实践表明，将BIM 技术应用于工程设计、施工、运营维护等阶段，能够显著提高工程建造效率，大量减少工程风险[2]。

为迅速培养一批符合BIM技术发展需求的应用型人才，不少高校开始启动BIM技术教育工作。如张静晓等[3]以结果导向教育(OBE)为教学理念，基于结果链构建了建筑工程专业学生BIM 工程能力培养逻辑框架，建立了结果导向的BIM 工程能力培养路径模型。黄剑等[4]分析了工程造价专业BIM人才培养目标、岗位需求及所需的BIM能力特征，在课程体系与实践教学上提出具体可行的改革措施。陆海燕等[5]结合我国土木工程类专业人才培养方案和教学条件，将BIM与VR技术应用于土木工程CAD 教学，其研究表明，新的教学模式不仅使学生了解并运用BIM与VR技术，而且能提高学生的创新与实践能力。何蕊等[6]将BIM 技术教学引入大学生土木工程制图课堂，将传统的土木工程制图课程教学转变为集手工绘图、计算机二维绘图及计算机三维建模为一体的新体系。缪盾[7]基于BIM 建模探讨了建筑工程制图教学新体系构建，将工程制图的学习与BIM建模过程统一，增强学生空间思维能力。

与建筑行业相比，交通行业BIM技术发展状况、BIM技术推广应用的政策环境以及BIM软件的适用情况都并不相同。因此，交通类专业BIM人才的培养与教学模式并不能完全照搬建筑行业。本文的研究目的，就是基于交通行业BIM技术的发展态势以及交通专业计算机应用课程的开设现状等实际情况出发，研究培养交通类专业学生BIM应用能力的途径，探讨交通类专业BIM技术教学的实施路径。

1 交通BIM应用能力培养的教学模式构建

与传统的二维道路CAD设计系统不同，基于BIM技术的道路建模过程主要包含两个部分，即“路线BIM建模”和“结构物BIM建模”[8]。其中“路线BIM建模”是根据道路的平、纵、横几何设计数据构建路线三维模型，“结构物BIM建模”是构建道路沿线的桥梁、涵洞、隧道及交通安全设施等构造物三维模型，二者组装后即形成完整的道路三维信息模型。路线三维模型是整个道路模型的主体和基础，也是其他构造物模型组装的参照系统，这一点是线状分布的交通BIM模型与建筑BIM模型的主要不同之处。

因此，为培养学生的交通BIM应用能力，需要分别讲授“路线BIM建模”技术和“结构物BIM建模”技术。其中“路线BIM建模”技术可理解为传统二维道路设计技术融入BIM理念的升级阶段，如国内老牌的道路CAD软件纬地、EICAD、鸿业等近年都推出了基于BIM技术的新版本； “结构物BIM建模”技术则是全新的领域，以往的CAD课程中尚未涉及，需要开设新的课程进行教学。

图1 交通BIM应用能力培养的“1+1”教学模式

根据上述分析，提出了交通BIM应用能力培养的“1+1”教学模式(图1)。一方面，在道桥、交通工程等专业开设的《道路工程CAD》课程中增设路线BIM建模的教学内容，在学生学好传统路线CAD基本技能的基础上，进一步讲授路线BIM的基本概念和建模技术； 另一方面，新开设《交通结构物BIM建模》课程，选用常用的结构物BIM建模软件，讲授交通结构物BIM建模的基本原理和实现技术，供道桥、桥梁、隧道等专业学生选修。“1+1”教学模式与BIM技术实际应用状况相一致，进入BIM阶段后，由于道路三维模型包含的信息量大，建模工作量大，一般更强调的是多专业协同工作，即由路线专业人员完成路线建模，由桥梁、隧道等其他专业人员分别完成各类结构物建模。因此，交通BIM教学中，没必要要求每个学生掌握所有的建模技术，如我校道桥专业BIM教学中以路线建模技术讲授为主，在毕业设计、科技竞赛等环节中再指导部分学有余力的学生学习结构物建模技术。

2 交通BIM教学软件选择和教学方案设计

2.1 教学软件选择

目前国内交通行业开始应用的BIM软件主要分为国外和国内两大类。国外软件主要来源于Autodesk公司(A平台)和Bentley公司(B平台)，如表1所示，均包含相应的路线建模软件和结构物建模软件，支持工程项目全生命周期BIM应用。国内交通BIM软件则来源于几家道路CAD软件商在原来CAD软件基础上的升级，如EICAD 3.0软件、鸿业路立得Roadleader软件，其主要特点是目前只具备路线建模功能，应用阶段仅限于设计阶段。国内外交通BIM软件平台的主要优缺点如表2所示。

表1 国外主要的交通BIM软件平台

Autodesk平台Bentley平台路线建模软件Civil 3DPowerCivil结构物建模软件Revit、Dynamo,等OpenBridgeModeler、Civilstation、ProStructural、AECOsimBuilding Designer,等

表2 国内、外交通BIM软件平台优缺点比较

优点缺点国外软件具有完整的路线建模和结构物建模功能,支持工程项目全生命周期BIM应用对国内规范和出图标准支持性差,应用中定制工作量大国内软件支持国内技术规范,支持符合国内标准的二维施工图纸输出仅具备路线建模功能,尚未推出结构物建模软件,对全生命周期BIM应用支持性差

目前，虽然我国交通行业部分项目开始尝试BIM技术应用，但由于相关的BIM模型、BIM成果交付标准等规范性文件尚未出台，目前交通项目总体上还是以传统的二维设计为主。从表2可以看出，现今不管是国外软件还是国内软件都无法完全满足交通行业的应用现状，需要结合起来使用。

根据这一现状，交通BIM教学中宜采用“国内+国外”的软件配置模式。国内软件主要选用EICAD 3.0软件和Roadleader软件，这两款软件在路线CAD教学阶段会讲授其二维设计阶段的版本，也是国内公路、城市道路设计院广泛使用的设计软件。国外软件则以讲授Bentley平台的系列软件为主，这主要是由于Bentley软件对交通行业的专业化定制更深入，在国内的应用面和推广力度也较大。除此之外，还选用Autodesk公司的Civil 3D软件作为CAD-BIM技术的衔接教学软件，帮助学生理解从CAD到BIM的过渡特征。

图2 交通BIM课程教学实施方案

2.2 教学方案设计

交通BIM课程教学实施方案如图2所示，整个教学过程大致分为四个阶段。第一阶段为路线CAD教学阶段，此阶段讲授传统的道路CAD课程内容，主要培养学生运用计算机工具辅助工程设计的基本能力。这部分内容既是学生学习BIM技术的基础，也能培养学生毕业后从事交通设计项目必备的技能。第二阶段为CAD-BIM衔接性教学，主要让学生了解BIM的基本概念，熟悉道路BIM软件较道路CAD软件的主要升级特征。第三阶段为交通BIM建模教学的主体部分，分为“路线BIM建模”和“结构物BIM建模”两部分，我校道桥专业课堂教学主要讲授“路线BIM建模”部分，“结构物BIM建模”安排在科技竞赛或毕业设计环节，供学有余力的学生选修学习。第四阶段为BIM综合实践阶段，通过在科技竞赛或毕业设计环节安排BIM实训项目，培养学生综合运用BIM技术的实操能力。

2.3 教学课时安排

上述四个教学阶段的课时安排如表3所示。其中实践环节的课时主要包含在课下实践作业、科技竞赛、毕业设计等环节中。

表3 交通BIM课程教学课时安排

教学阶段课堂教学课时实践环节课时备注路线CAD教学2020课下实践作业CAD-BIM衔接性教学66课下实践作业BIM建模教学2244课下实践作业、科技竞赛、毕业设计BIM综合实践20科技竞赛、毕业设计

3 关键教学环节与教学方法简介

交通BIM教学是一门全新的课程，没有可以直接借鉴的教学方法。经过我校2014级、2015级交通BIM课程教学实践的摸索，总结出一些提高教学效果的教学方法，现将其中主要几点分述如下。

3.1 重视CAD-BIM技术衔接教学

BIM技术被视为继CAD技术之后，工程领域又一项技术革命[9]。学生刚接触BIM的时候，对这项新技术既好奇又充满疑惑，既想了解BIM技术到底新在什么地方，又想了解BIM技术相对CAD技术的改进点体现在哪些方面。为让学生尽快熟悉道路BIM技术的特点，在教学中设计了一个CAD-BIM技术衔接性教学环节，这个衔接教学环节主要讲授三个方面的内容：

(1)BIM的基本概念以及国内外发展态势；

图3 Civil 3D道路装配示例 图4 EICAD 3.0边坡模板示例

(2)道路CAD技术升级到BIM阶段的主要技术变化特点。从工作流程、设计对象组织模式、自动化和智能化水平、协同工作机制、成果交付方式等五个方面归纳了道路CAD系统升级到BIM阶段的主要技术变化特点，如表4所示；

(3)Autodesk Civil 3D软件路线建模技术讲解。Civil 3D是Autodesk公司较早推出的路线BIM建模软件，选用其作为衔接阶段教学软件，一方面是由于其与国内广泛使用的道路CAD软件均基于AutoCAD平台，学生对该软件的界面和基本操作均不存在陌生感； 另一方面，国内目前主要的路线BIM建模软件EICAD 3.0和Roadleader均基于Civil 3D的软件思想，理解了Civil 3D的建模思路，能够很快掌握EICAD 3.0软件和路立得Roadleader软件的使用。

表4 道路CAD系统升级到BIM阶段的 主要技术变化特点

道路CAD系统道路BIM系统工作流程平、纵、横依次设计的“顺序式”流程以构建道路三维信息模型为主线,平、纵、横三维协同优化设计设计对象组织模式基于数据文件的组织模式,设计对象可由数据文件生成,设计对象间不存在关联关系采用面向对象的思想,设计对象间存在动态关联关系自动化和智能化水平横断面设计采用“边坡模板+人机交互”的模式,横断面设计效率低采用装配和部件技术,大大提高横断面设计的自动化、智能化水平协同工作机制“单机”工作模式,主要是设计单位使用,专业间衔接工作量大通过统一的协同工作平台,实现项目建设全寿命周期各阶段、各参建方、各专业间的衔接与协作成果交付方式二维平、纵、横设计图纸数字化的道路三维信息模型

3.2 广泛采用对比教学法

交通BIM教学中，涉及到的教学软件比较多，既有作为先导课程的道路CAD软件，也有国内、国外的道路BIM软件，为让学生在有限的课时里能掌握好各类软件的使用方法，教学中广泛采用了对比教学法，从道路CAD软件与BIM软件之间、国外BIM软件与国内BIM软件之间、国内BIM软件之间等几个方面归纳不同软件之间的相似点和差异点。例如在“道路装配”这一较难知识点的教学中，将Civil 3D软件和EICAD 3.0软件进行对比，如图3、图4所示。Civil 3D软件中通过“条件挖方”、“条件填方”这两部件自动判别边坡填、挖方及其分级。EICAD 3.0软件则通过“交地点判断”、“终止点判断”、“部件跳转点判断”、“装配跳转点判断”等逻辑部件，来自动选择合适的边坡模板。对比教学法的使用，让学生在学完Civil 3D软件的基础上，能够很快掌握EICAD 3.0软件和Roadleader软件，显著提高了道路BIM课程的教学效率。

3.3 推行项目驱动式综合实践

相较于其他专业课程，道路软件类课程对学生的动手实践能力要求更高。教学中，除了每次课后均要求学生完成一定数量的实践练习之外，每年在课外科技竞赛或毕业设计环节，都会从教师科研项目中选择一两个子项目作为学生科技竞赛或毕业设计的课题，要求学生完全按照实际项目的工作内容和成果提交标准来完成课题。来源于教师实际工程项目的实践题目，不仅让学生获得将课堂所学运用于项目实践的机会，也能进一步提升学生完成项目的系统性、规范性能力，培养学生独立分析问题、解决问题的能力，让其毕业后能快速胜任道路BIM设计师的岗位要求。图5、图6分别为2017年学生参加大学生“挑战杯”比赛和“节能减排”竞赛制作的市政道路BIM模型和公路BIM模型。

图5 参加“挑战杯”比赛制作的道路BIM模型

图6 参加“节能减排”竞赛制作的道路BIM模型

4 教学效果

分别选取了2013级和2014级若干名道桥专业毕业生进行教学效果对比实验。其中2013级学生理论课教学阶段仅进行了传统的道路CAD课程教学，学生通过在毕业设计阶段补充学习了交通BIM相关知识和操作技能。2014级学生则完全按本文提出的教学方案进行了交通BIM教学与实践。教学效果测试均安排在毕业设计阶段，结合学生的毕业设计课题，分别开展了交通BIM理论测试和实践能力测试，测试结果如图7所示。从图中可以发现2014级学生的理论成绩和实践成绩均明显高于2013级学生。同时， 2014级毕业生因熟练掌握了BIM技能，在就业市场也广泛受到了用人单位的欢迎，BIM方向就业率明显高于2013级学生(图7)。

图7 教学效果对比图

5 结语

随着国家对BIM技术推广力度的加大，交通行业对应用型BIM人才的需求量正呈现爆发式增长，有必要在高校交通类专业中开设BIM技术的相关课程。本文在分析交通行业BIM技术的发展态势以及交通类专业计算机应用课程开设现状的基础上，提出了交通BIM应用能力培养的“1+1”教学模式，选择了符合实际应用状况的国内外软件作为教学软件，将整个教学过程分为路线CAD教学、CAD-BIM衔接性教学、BIM建模教学、BIM综合实践等四个阶段。通过CAD-BIM技术衔接教学环节、对比教学法、项目驱动式综合实训等教学手段，让学生在学习道路CAD基本技能的基础上，能较快了解BIM的特征、掌握BIM技术的操作技能。

由于交通BIM技术总体上还处于推广阶段，相关的技术标准还尚未出台，也还不存在统一的BIM应用软件平台，教学中应密切关注国内、外交通BIM技术发展趋势及行业资讯，并据此来动态调整每年的教学内容，只有这样才能够实现教有所用、学有所用，能真正培养出符合社会需求的交通BIM人才。