BIM技术在土木类专业群毕业设计中的应用研究

李一凡 冯竟竟 张耀军 蒋奇翰

[摘           要]  土木工程毕业设计是培养学生综合运用大学四年所学知识解决实际工程问题的能力，是提高学生综合水平与素质的最为重要的实践教学环节之一。针对目前我国普通高等院校土木工程毕业设计存在的实践性不强的问题，通过引入BIM技术，实施基于团队协作的多专业联合毕业设计，为培养基础扎实、实践动手能力强、工作岗位上手快、社会适应性强的人才提供保障，探索提高毕业设计教学质量的途径。

[关    键   词]  BIM;土木类专业;毕业设计;教学改革

[中图分类号]  G642                 [文献标志码]  A              [文章编号]  2096-0603（2020）49-0084-03

土木类专业是应用性和实践性极强的工程专业，主要培养学生在综合考虑社会因素、自然条件等情况下，正确认识工程中遇到的学科问题，并且能够科学决策、合理解决此类问题的能力。在土木类专业的教学实践中，毕业设计是实现本科阶段培养目标非常重要的一环，能够全面地检验学生对专业知识的综合运用能力。毕业设计作品的质量，能够直观地体现出一所高校的教育质量，反映出高校的办学水平。此外，毕业设计还能直接影响到学生毕业就职后业务能力的发挥[1]。

BIM就是利用现代化的信息技术，对建设工程的设计、施工和管理过程进行仿真和过程模拟，并对各阶段的数据进行储存、整合的一种技术手段和管理方法。运用该技术，能够在计算机的帮助下，建立起三维的参数模型，在该模型之中可以整合项目的各类相关信息，并且这些信息能够在项目的设计、施工、运行维护等各阶段存在和实时传递，可以实现信息在全寿命周期过程中的共享，有效地防止信息的失真，帮助人们正确地理解各种建筑信息。在BIM技术的帮助下，人们能够对出现的各类工程问题高效地进行应对[2]。在建筑学、结构工程、给排水工程、电气工程、施工技术、工程造价、项目管理、建筑材料等各门课程的教学实践中，通过BIM 技术平台的应用，可以使多门课程相互贯通，多专业相互协同，多学科综合应用。这些对于土木类专业输出高质量的管理人才、推进教学改革具有重要的现实意义[3]。

一、土木类专业毕业设计现状

经过多年的发展，我校土木类专业的各个教学环节、教学条件和教学体系日趋完善，毕业设计从题目选择到设计内容，在实践性、适用性和综合性等各方面都得到了很大的提高和改进，教学质量得到不断提升，但是毕业设计教学模式还没有得到很大的改进，仍旧采用传统模式：整个设计阶段，多个学生由一名指导教师负责指导，仍旧是一师多生、一师多导。通过多年来对土木毕业生的跟踪调查发现，刚毕业的学生，往往存在专业基础知识不扎实、动手能力较差、知识面过窄等问题，影响了学生对工作岗位的适应。因此应该采用新的教学模式，以弥补目前教学实践中的不足[4]。

（一）学生缺乏对工程设计系统性和整体性概念的认识

土木类专业实践性很强，要求专业人员既能够系统掌握相关专业知识，又能够把这些知识灵活应用于实践当中，对学生的综合素质要求很高。但以课堂学习为主的全日制教育，侧重于理论教学，实践环节较弱，学生对所学知识缺乏综合应用能力的锻炼。由于学生缺乏设计、施工、管理一体化的综合知识体系，对工程没有系统性的认识，所以难以建立工程项目的整体性理念。

（二）毕业设计选题与工程实际结合不紧密

历年来，我校土木类专业毕业设计题目的类型主要以工程项目设计为主，通过跟踪调查近几年土木类专业毕业生的工作去向发现，毕业后进入设计院工作的学生仅为少数，大部分毕业生主要从事施工管理工作，还有部分毕业生进入房地产、造价、监理等领域工作，绝大部分毕业生的工作并不以设计为主。一方面从学生毕业后的分配去向上看，以设计为主的毕业设计选题，偏离了毕业生的岗位要求，缺少施工、房地产、造价等方向的研究，不能满足现实的要求;另一方面传统毕业设计的题目往往是假定的，即便个别设计采用的是真实案例，但与实际工程相比，也往往对各类约束条件进行了大量简化和假设，与实际情况差距较大，再加上学生的知识水平较低，知识体系不健全，并且缺乏实践经验，没有形成系统的设计思路，难以从整体上对项目进行把控，设计与工程实际不符的情况难以避免。此外，为了使学生能够顺利地完成设计任务，采用的设计题目往往进行了简化，过于简单，过于单一，与实际工程的现状不符，削弱了毕业设计的实践意义，并且滞后于现代技术。这种训练常常使毕业后的学生很难快速掌握当前正在应用的新技术，使所学的专业知识得不到充分的利用。

（三）学生重视程度不够，设计时间不足

毕业设计初期，学生接到任务后，首先要进行资料收集、设计资料分析，需要花费一定的时间。如果前期进展不顺，占用时间过多，就只能压缩后面建筑设计和结构设计的时间，以保证能够按时完成设计。另外，在毕业设计期间，按照教学计划要求，学生还要进行一定时间的毕业实习，与此同时，绝大部分学生还要抽出时间和精力去参加各地举办的招聘大会，寻找毕业后的工作岗位，分散了学生的精力，占用了大量的宝贵时间。这些活动都严重影响到了毕业设计的质量和进度[5]。

二、聯合毕业设计的实施

为了保证土木类专业毕业设计的质量，锻炼学生分析问题、解决问题的能力，我院进行了联合毕业设计的试点工作，共有建筑学专业、土木工程专业、装饰工程专业、给排水专业、建环专业五个专业共同参与。通过毕业设计，把各专业在本科四年当中主修的专业课程进行了跨年级整合，分别形成了以下四个技术小组：工程技术专业组、经济与管理专业组、工程施工项目管理组、成本控制与造价管理组。多个专业、多门课程通过同一个工程整合起来，辅以与多家企业合作教育的方式，使理论与实践环节相互融通，强化了专业知识的综合应用能力。

具体做法：在学生自愿报名的基础上，每专业各选拔12名学生，不同专业的学生自由组合，形成12个由不同专业学生组成的5人联合毕业设计小组，各个专业的教师也组成相应的指导教师团队，从各自专业的角度进行毕业设计指导。在指导教师的指导下，每个小组中的学生群策群力，共同构思一个工程项目进行设计，做到一组一题。题目确定后，首先以建筑学的学生为主，进行建筑方案设计，同组内其他专业同学协作，从各自专业的角度提供技术咨询。建筑设计方案确定后，各专业小组分别进行各自的设计。结构设计由土木工程专业的学生负责，装饰设计由装饰工程专业的学生负责，给排水系统设计、采暖系统设计由给排水专业的学生负责，电气照明系统设计及供暖制冷系统、动力系统设计由建筑环境与能源应用专业的学生负责。在设计完成的基础上，根据各自专业的特点，进行项目的工程预算、施工方案确定、施工组织设计等造价、管理工作。

通过联合毕业设计，学生四年学习成果得到了全面、系统的检验，通过各个阶段“团队作业”的组织方式，培养了学生的团队协作意识，锻炼了学生的组织协调能力，实现了不同专业学生之间的知识分享，使大家近距离地感受到了实践当中的专业配合、学科交叉。实践证明，联合毕业设计可以满足工程类专业在本科四年中对课程体系的要求。

联合毕业设计的实施，提高了学生的专业素质，使学生的专业能力得到了全面的检验，达到了很好的效果，但在实行过程中也暴露出了一些问题。一是牵涉专业多，各专业协调工作量大，設计变动难以及时传递，配合困难，尤其是学生缺乏实践经验，对工作缺乏前瞻性，更增加了设计的难度，造成了大量的返工，严重影响了设计进度和质量。二是各专业工作有内在的逻辑关系，部分工作的开展必然有先后顺序，专业之间互相影响的情况难以避免，影响了整体进度，耽误了工作时间。

三、BIM技术在毕业设计中的应用

为了解决联合毕业设计中出现的任务量过大、信息孤岛等问题，保证设计的顺利进行，我们引入BIM技术，建立了以组为单位的信息共享平台，将学生所学的专业知识系统地整合起来。这样学生对本专业就有了一个更全面、更清晰的认识。不同的专业也可以通过BIM技术联成一体，使信息得到整合和及时传递，避免了信息孤岛的出现，加快了设计进度，提高了设计质量。项目设计完成后，通过BIM模型成果得到相应的工程量，将工程量与进度计划中的工期数据对接，使3D模型进化为基于进度控制的4D模型，可以帮助学生系统了解项目的建设过程，掌握施工方法的选择、施工顺序的编排、现场施工活动的组织等。将4D模型与费用信息相挂接，形成基于成本控制的5D模型，学生能够直观地看到工程成本在施工过程中的变化，能够更加精确地计量、计价，编制出的成本进度计划更加符合实际。通过BIM软件模拟出的实际的施工管理过程，欠缺实际工程经验的学生对管理原则和方法能够更好地理解和掌握。利用BIM造价软件，可以进行工程计量、定额套用以及自动计价。这样，就可以快速、准确地完成毕业设计所要求的经济管理任务。

在BIM毕业设计中引入BIM技术，我们要求学生应用BIM相关软件进行以下具体工作：

一是进行建筑设计，形成BIM建筑模型。

二是将BIM建筑模型导入各专业的BIM专业软件之中，分别进行结构、给排水、通风、照明、动力系统等各专业的设计，形成各专业的BIM模型。

三是整合各专业模型，进行碰撞检查，解决不同专业间冲突之处，进行日照、节能等分析，发现设计上的不足。

四是各样修改都在BIM协同工作平台上进行，可做到一处修改，处处变化，各专业人员能够及时得到相应信息，避免信息孤岛产生。

五是项目经济管理。利用前期已完成的成果模型，参考图纸及有相关文件，对各专业工程进行工程量计算、分部分项工程计价，计算出各单位工程的造价。

六是优化施工组织设计。在构建起土建模型的基础上，利用工程项目管理软件，对挂接了相应进度计划的BIM模型进行虚拟化管理，最后再用分析软件对虚拟化方案进行分析，确定一套最合理的施工方案。

七是施工应用。将BIM模型与进度、成本信息挂接，形成5D模型，导入施工模拟软件，进行虚拟建造，解决出现的碰撞和冲突，确定施工的最佳方案，编制投标文件等。

八是提交设计成果，BIM应用展示。

四、BIM技术在毕业设计中应用存在的问题

BIM技术没有纳入课程体系之中。和其他兄弟院校一样，我们虽然对BIM技术有了一定的认识，也产生了较为浓厚的兴趣，但是现有专业培养计划尚无BIM相关内容。因此，我们一时也难以将BIM技术融入本科学生的培养之中。

在毕业设计的进行中发现，在现有的课程体系中应用BIM技术，存在以下的挑战或困难：

1.BIM技术还没有系统地融入专业课程教学之中。BIM涉及的知识面很广，BIM教学应该包含哪些知识或内容，教育领域和行业内部始终达不成一致，分歧较大。因此，构建BIM课程体系的难度较大。

2.专业不同，人才培养目标不同，人才培养特点也各不相同。不同专业对BIM学习要求有较大的差异，BIM知识体系在不同专业知识内有不同的覆盖范围。目前，我校BIM知识的学习，除少数学生在前几学期自学过BIM软件应用以外，大多数学生是在教师的指导下以自学为主，边学习边进行毕业设计，而学习BIM软件和知识需要花费大量的时间，严重影响了毕业设计的时间安排。

3.BIM知识涉及面广，内容庞杂。各个专业的任课教师要想掌握所有的BIM知识，既没有必要也很困难。对于跨专业的BIM知识，在教学和应用时只能依靠不同专业的多位教师进行配合，跨专业协作难度较大;各个专业知识体系差别较大，各有特色，不同专业之间的衔接与配合较难。这些问题的存在都给专业协调带来了很大的困难[6]。

4.现有的课程体系不包含BIM技术的教学，学生以自学为主，缺少系统的知识传授及相应的软硬件设备，增加了学习的难度。

五、结语

当前用人单位往往要求毕业生入职后，只需要经过短时间的适应，很快就能够开展工作，快速进入角色、适应岗位要求的能力越来越受到重视。各高校应结合自身特点，通过BIM技术平台的建立，培养学生运用所学知识分析问题、解决问题的能力，增强学生团队合作意识，树立大局观，提高学生的专业素质和技术水平，适应社会对人才的要求，也能提高教师的业务能力和教学水平。

参考文献：

[1]李成华，陈丽娟，赵敏.基于工程实践的土木工程专业毕业设计教学改革探索[J].高等建筑教育，2016，25（2）：134-138.

[2]张尚，任宏，Albert P.C. Chan. BIM的工程管理教学改革问题研究（一）：基于美国高校的BIM教育分析[J].建筑经济，2015，36（1）：113-116.

[3]郝麗.BIM技术融入高校工程类专业教学的应用研究[J].土木建筑工程信息技术，2015，7（4）：108-111.

[4]蒋宁山，张吾渝，马艳霞.土木工程专业毕业设计“分段指导”教学改革与实践[J].价值工程，2016，35（11）：244-245.

[5]李伟，王晓初.高校土木工程专业毕业设计教学改革与实践创新[J].沈阳教育学院学报，2009，11（2）：63-65.

[6]王建超，张丁元，周静海.BIM技术在建筑类高校专业课程教学中的应用探索：以沈阳建筑大学为例[J].高等建筑教育，2017，26（1）：161-164.

◎编辑 李 争

BIM Technology in the Application Research of Graduation Design of Civil Engineering

LI Yi-Fan，FENG Jing-Jing，ZhANG Yao-Jun，JIANG Qi-Han

Abstract：Graduation design of civil engineering is one of the most important practical teaching links to cultivate students' ability to comprehensively apply the knowledge acquired by the university for solving practical engineering problems and improve students' comprehensive level and quality. In view of the fact that the current practical design of civil engineering graduation design in ordinary colleges and universities in China is not strong， through the introduction of BIM technology， the implementation of multi-disciplinary joint graduation design based on teamwork， solid foundation for training， practical hands-on ability， and quick work. Improve the security of talents with strong social adaptability and explore ways to improve the quality of graduation design teaching.

Keywords：BIM; civil engineering specialty; graduation design; education reform