宫培松,罗仁玉秋,熊 峰,郭聖煜
(1. 中国地质大学(武汉) 经济管理学院,湖北 武汉 430074,E-mail:taller1975@163.com;2. 中南财经政法大学 工商管理学院,湖北 武汉 430073)
建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)技术的推广应用掀起了建筑业的巨大变革。在BIM环境下,建筑业对土木类人才特别是工程管理人才提出了全新的要求。高校是工程管理人才的重要来源,然而在现有培养模式下,BIM能力达到社会要求的毕业生数量并不充足[1],这极大阻碍了建筑行业的发展。为冲破符合行业要求的工程管理类人才匮乏的瓶颈,高校工程管理专业人才培养模式亟待改革。现阶段高校在BIM人才培养方面,特别是实践教学方面存在一些困难与缺陷,如由于实训场地与设备的限制而导致学生实践课程的学习效果较差;建设项目的独特性与复杂性致使学生很难将理论知识与工程实际进行联系;而BIM技术自身的知识体系十分庞杂,需要大量的理论知识作为实际操作的基础。
教学研究工作者为提升实践教学质量,培养学生的工程实践能力,在实践教学中引入了创新的教学理念。其中基于学习产出的教育理念(Outcomes-Based Education,OBE)、工程教学理念(Conceive构思、Design设计、Implement实现、Operate运作,CDIO)分别以其成果导向和贴合实际项目的特点引起了广泛关注。OBE模式以预期学习产出为中心,对教育进行组织、实施和评价[2,3]。在OBE教育系统中,教育者必须对学生毕业时应达到的能力及其水平有清楚的构想,然后设计适宜的教育结构来保证学生达到这些预期目标,教育结构和课程被视为手段而非目的[4,5]。如张静晓等[6]提出以 OBE为教学理念,基于结果链构建了BIM工程能力培养逻辑框架。CDIO则以工程项目从研发到运行的生命周期为载体[7,8],其核心是尽可能接近工程实际设计项目进行实践教学,引导学生主动学习,且在教学中实现理论、实践与创新的有机融合[9]。以此解决传统教学中重理论轻实践的问题,通过实际训练提升学生的知识水平与综合素质能力[10~12]。如黄亚江等[13]提出采用CDIO理念指导建立“BIM创新实践工作坊”模式。
对于实践教学,基于OBE理念预期教学产出,进而反向设计实践教学课程体系可以确保实践教学针对实际需要;而采用CDIO理念指导的实践课程可以作为实现实践教学预期成果的有力手段,将二者结合可以更有针对性地确定培养目标并制定相应的课程,同时提供最接近培养目标的项目供学生实践,以确保学生达到行业要求的能力水平。将OBE和CDIO理念结合用于指导BIM实践教学改革,研究较少,缺乏OBE-CDIO理念下系统的实践教学框架和模式设计,也缺少实践教学案例进行论证。本文提出基于OBE-CDIO理念的工程管理专业BIM实践教学框架,设计相应的实践教学模式,并通过教学实践论证其效果。
作者总结所在高校工程管理专业 BIM 实践教学改革经验,提出了基于 OBE-CDIO理念的 BIM实践教学改革技术路径(见图1)。
(1)基于OBE理念,通过实地调研或文献分析等方式,将行业对BIM人才的能力需求转化为高校工程管理人才BIM能力培养目标,以确保行业需求与培养目标的严格匹配。
(2)基于BIM能力培养目标,反向设计实践课程体系。先根据能力培养目标需求,分配各实践课程的能力培养目标,再根据实践教学需求,合理分配所需理论知识点进入各相关理论课程,建立理论课程对实践课程的支撑关系。
图1 基于OBE-CDIO理念的教学框架
(3)以CDIO理念指导实践课程的教学过程,开发符合实践课程培养目标的项目,设计实践教学内容,系统整合实践技能和被理论课程分割的各相关知识点,充分培养学生利用理论知识进行工程实践的能力。
(4)通过对实践教学效果的评价,持续改进能力培养目标及BIM实践课程框架等。
(5)推广应用。
笔者所在高校工程管理专业教学团队(如下简称教学团队)根据 BIM 能力培养目标,提出基于OBE的工程管理BIM实践课程体系,如图2所示。
图2 基于OBE的工程管理专业实践教学课程体系
(1)通过文献分析,确定行业对工程管理专业人才 BIM 能力的需求。行业对于工程管理专业人才的 BIM 能力需求,已有学者做了深入调研,能力需求可以概括为:能够创建符合项目需求的高质量模型、能够基于模型完成具体专业工作、能够在 BIM环境下实现项目全生命期管理[1,14,15]。
(2)行业对工程管理专业人才的BIM能力需求需要通过一定的教学培养才能形成,故教学团队将其转换为BIM能力培养目标,并将BIM能力培养目标定义为,建模能力、专业分析能力、目标控制能力。在定义培养目标的工作中,教学团队考虑了如下能力递进关系:模型是BIM的基础,专业分析(如基于BIM的施工组织设计等)是基于模型完成具体专业工作,而目标控制则是基于BIM的全生命期工程项目管理的核心,是行业对工程管理人才BIM 能力的终极需求。建模能力是专业分析能力的基础,而专业分析能力又是目标控制能力的基础。
图3 基于CDIO的工程管理实践课程教学模式设计
(3)实践教学是BIM能力培养的最终落实手段。教学团队根据3个基本BIM能力培养目标,将实践课程设置为建模实训、各核心专业理论课程的BIM课程设计和工程管理BIM综合实训3个大部分,分别对应3个基本培养目标。考虑到实践教学需要理论知识作为基础,故根据各实践课程的要求将所需理论知识点合理分配到各专业理论课程中,为学生在学习实践课程之前打好理论基础。教学团队在这项工作中深入贯彻了 OBE理念,将能力培养始终作为教学目标落实到具体教学内容中,打破了仅以教材作为理论课程教学依据的传统。
教学团队将各 BIM 实践课程教学的实施视为实现培养目标的关键,在实践教学中将各专业理论课程的相关知识点利用一个对象项目整合起来,模拟实际工作需求与环境,在完成该对象项目相关工作的过程中帮助学生建立起各知识点的逻辑关系,理解如何综合运用所学知识和技能解决将来可能遇到的典型工作任务。
基于CDIO模式,教学团队对本校工程管理专业BIM实践教学课程教学模式的设计如图3所示,分为构思、设计、实现与运作4阶段:
(1)构思阶段。教师按照培养目标,设计对象项目,确定实习任务要求,完成项目任务书;学生熟悉理解实习要求。
(2)设计阶段。教师引导学生考察、分析实习任务书及项目基本情况(如有需要可进一步调整或完善构思阶段拟定的项目需求);学生制定自己团队的项目计划,即设定组内的项目团队组织结构,明确组织分工、工作流程、进度计划等,同时提出理论知识点缺陷与软件操作上可能存在的问题。教师可根据这些问题进行讲解,帮助做好理论知识和实践技能方面的准备。
(3)实现阶段。教师组织学生以小组为单位,按照设计阶段确定的项目计划完成所需模型创建工作。
(4)运作阶段。教师指导学生根据项目任务书要求,以模型为对象,完成相关BIM应用,实现实践课程的能力培养目标。
值得注意的是,图3所示的实践教学模式针对的是图2中专业分析能力和目标控制能力所属的实践课程,这些实践课程都是基于BIM模型的具体应用,属于高级BIM技能。而针对建模能力所属的实践课程,由于其目标就是培养高质量模型生产能力,因此其教学模式的具体内容与图 3不同。而 CDIO教学模式的具体内容设计,应根据具体教学目标和内容,具体问题具体分析,没有统一的内容模板。
如图2所示,BIM环境下的目标控制能力是工程管理专业BIM能力的最高层次,《工程管理BIM综合实训》则是在大四为学生开设的整合全部理论知识和实践技能,面向真实工作需求的一门重要实践课程,实训项目均来源于真实项目,课时长,实训内容多,是实现BIM能力培养目标,使学生具备行业所需BIM能力的关键环节。
近年来,大型基础设施项目特别是交通基础设施项目一直是国家投资的重点。大型基础设施项目参与方众多,管理界面异常复杂,面临大量多专业协同问题。而多专业协同的教学组织难度较大,该项能力的培养一直是实践教学的薄弱环节[16]。此外,在实践中,一些大型交通基础设施完工后往往效果不佳,拥堵严重,一个很重要的原因是前期方案优化论证不足,采用传统技术手段的分析能力无法满足项目需求。BIM技术在房建领域的前期策划中已经得到了较为成熟的应用,但在交通基础设施的应用还未见报道,且跨专业的应用面临很多技术和管理困难。而根据对往届大量毕业生的调研,很多学生毕业后都是从事大型交通基础设施项目的工程管理工作,学生反映跨专业协同是最头疼的工作之一。因此,基于BIM的交通基础设施前期方案优化成为本课程一项重要的教学内容。该教学内容的实施还牵扯到与交通工程专业实践教学课程的协同,难度较大。
(1)实训项目。选取某火车站广场改造工程作为实训项目,该工程用地面积约5万m2,主要建设内容包括地下空间工程、地面广场工程、高架平台工程、涉铁路工程等专项工程。项目地处闹市,周边环境条件复杂,进出场道路受限严重。
(2)实训任务。学生们通过BIM技术,交通仿真技术,开展对原设计方案的效果评价,根据评价结果对原方案做出优化。
(3)实训过程。部分项目工作需要学生跨专业协同完成。先对学生进行分组,每个团队由 5~7名16级工程管理专业和17级交通工程专业的学生组成。整个实践教学周期为2周,分为4个阶段,具体的实训过程如图4所示。其中,该项目的跨专业协同主要为交通流逻辑模型建立、交通流量及交通出行量(Origin Destination,OD)基础数据测算、设计方案优化。OD基础数据的测算工作由工程管理专业学生提交测算需求后,交通工程专业学生完成;交通流逻辑模型由两个专业学生协同建立;完成建模及原设计方案仿真后,两个专业的学生根据仿真分析结果,协同调整原方案,通过上述实训锻炼工程管理专业学生的跨专业协作能力及交通工程专业学生的专业基础实践能力。
图4 CDIO理念指导下的交通方案优化项目实训流程图
3.2.1 构思阶段
教师首先根据能力培养目标,与学生一同拟定项目需求。该项目需求可概括为:对广场原始设计方案进行交通模拟仿真,以项目运营阶段需求为目标,考虑既有建筑、城市轨道系统和周边管线等基础设施的限制,将BIM模型与交通仿真数据集成到模拟仿真平台并可视化输出交通模拟结果,以验证原设计方案及后续优化措施的可行性。本阶段产出成果为项目任务书。
3.2.2 设计阶段
学生学习由教师提供的原设计方案,重点关注备选的3个车库设计方案及周边交通线路。综合考虑静态交通(停车场方案)及动态交通(网约车、出租车)设计仿真模型基本架构、模拟仿真任务、实现工具、实施方案及专业分工等,具体如图5所示。
学生在教师的引导下依据实践学习的时间、设定的目标制定项目计划,典型计划如表1所示。
图5 仿真需求内容、实现工具与专业分工
表1 项目计划表
3.2.3 实现阶段
本阶段各小组分别独立完成原设计方案的交通模拟仿真以及车库方案的优选。具体内容如下:
(1)BIM 建模。各小组首先结合该项目的设计方案,利用Revit构建该项目环境BIM模型。以原设计方案(CAD图纸)为依据,建立车站及车站周边建构筑物模型,建立交通路网模型。此外,对3个车库方案分别单独建模,以方便后期进行车库方案比选时随时替换。
(2)交通流逻辑建模。交通专业学生主导,工程管理专业学生协助,使用Anylogic构建广场现有规划方案的微观交通流逻辑模型。特别地,对于车库交通流量逻辑模型,初始数据是采用向车库中添加符合停车时间分布的车辆,再增加进出车流数据的方式,模拟真实交通环境。
(3)交通流量及 OD基础数据测算。基于交通流逻辑模型,交通工程专业学生根据工程管理专业学生提出的需求,通过查询公开的流量数据并辅以人工测量调整的方式完成交通流量测算工作,主要包括车辆和行人OD数据测算。其中,社会车辆OD计算表如表2所示。
表2 社会车辆OD计算表
(4)BIM 模型与交通模型的融合。交通专业学生测算交通流量、车辆和行人OD数据的同时,工程管理专业学生将交通流模型与 BIM 模型整合进Unity平台,实现BIM模型与交通流模型的融合。
(5)模拟仿真。工程管理专业学生将测算到的OD流量输入融合后的模型,在Unity平台中即可进行交通流的模拟仿真,并对仿真结果进行可视化输出。在进行交通模拟仿真的过程中,教师引导学生分别替换3个车库模型,从广场内部功能和广场对周边交通影响两个角度,比较三个车库方案对场内外交通的影响,从而得出最适合的车库方案;然后,将最佳车库方案模型整合进广场环境BIM模型中,得到广场设计方案的初步模拟仿真结果。
(6)车库方案比选。车库方案比选统一采用模型开始运行后3500秒至5200秒的交通流数据输出(车库容量接近饱和),从车库辐射路段平均排队长度和主干道东向排队车辆数两个方面分析3种车库方案对路网的影响。基于平台输出结果,学生分析后认为地下停车场方案对路网交通承载能力和协调能力更强,是最合适的车库方案,并分析了原因。
(7)原设计方案交通组织的微观仿真结果分析。将地下停车场模型整合进项目主体环境模型,学生从重要交通路口状态和OD间通行时间两个方面分析了原设计方案的微观交通流仿真结果。结合仿真模拟数据与可视化结果,学生提出原方案存在一些待优化的问题:一路东段西向道路易发生拥堵(出站车流与主路车流交汇);二街双向道口排队情况较为严重;公交车停车场的规划用地利用率不高。两个专业学生发挥各自特长,综合分析了造成以上问题的原因。一是原有道路空间利用不足,二是短时间进出站的社会车辆(网约车为主)的临时停车空间不足。
3.2.4 运作阶段
各小组对原设计方案进行优化调整。
(1)改进方案。效果较为理想的方案:车站北出口车道变为两股,一路东段中间绿化带退后至车站北入口;公交站左侧8个泊车位改为网约车临时停车位。
(2)改进方案效果验证。教师组织学生按照改进建议中所提出的措施修改模型,并比对新旧方案的主要仿真输出结果和关键交通状态指标,以分析和评价改进方案可能达到的效果。仿真结果表明道路拥堵情况得到了极大改善。
3.2.5 教学效果
本实践教学内容在 16级学生中反映很好,学生参与热情高涨,各学习小组均以较高质量完成了项目作品,对于多专业协同有了很多感性认识,获得了宝贵经验。BIM实践课程的学习,培养帮助学生在 BIM 技能认证和学科竞赛中取得了优异的成果,超过 50%的学生通过了“全国 BIM技能等级考试”,获得一级证书;16级学生组队参加第10届斯维尔杯全国高校学生BIM技能大赛获得一等奖。
将OBE教学理念与CDIO工程教育模式相结合,进行BIM实践教学模式的探索改革,能够切实提高学生的 BIM 工程实践能力。基于 OBE-CDIO理念,能够精准对标行业需求,明确培养目标,重构相适应的实践课程体系与有效的实施模式,通过基于项目的教学促使学生将多门理论课程所学知识转化为实践能力,以达到行业所要求的能力水平。本文提供了一个较为详细的实践教学框架,并通过将 BIM 技术引入交通方案优化培养了学生跨专业协同的能力,验证了该框架的可行性。学生的项目实训成果、BIM能力认证成果与竞赛成果等都表明该培养模式可激发学生的学习热情并促使学生将在理论课程中学到的知识以实践项目为平台整合重构,充分锻炼BIM工程实践能力,有助于打破高校BIM教学重理论与软件操作教学,轻实际项目能力培养的现状。