BIM技术在地下空间工程实践教学中的应用

张天龙 路平 韩银龙 赵劲松

[摘 要] 为满足我国城市地下空间建设发展的需要，在总结城市地下空间工程专业实践教学环节不足的基础上，通过分析BIM技术在城市地下空间工程实践教学中应用的必要性、可行性和有效性，探索了基于BIM的三维模型创建、施工图深化设计、电子招投标、虚拟施工模拟等实践教学实施过程。结合校企合作平台的建设，有效训练了学生运用BIM技术分析、评价和初步解决复杂地下工程问题的能力，学生的创新思维和实践能力得到了显著提升，并且为相关专业实践教学提供参考和借鉴。

[关键词] BIM技术;地下空间工程;实践教学;虚拟施工

[基金项目] 2020年度海南省高等学校教育教学改革研究项目“装配式建筑视角下BIM协同型毕业设计综合实践模式创新研究”（Hnjg2020-24）;2020年度海南大学教育教学改革研究项目“装配式建筑视角下BIM协同型毕业设计综合实践模式创新研究”（hdjy2018）

[作者简介] 张天龙（1988—），男，山西太原人，工学博士，海南大学土木建筑工程学院讲师，主要从事数字建造与工程防灾研究;路 平（1986—），男，河北唐山人，工学博士，海南大学土木建筑工程学院副教授（通信作者），主要从事岩土与地下工程研究;韩银龙（1990—），男，甘肃平凉人，硕士，国核电力规划设计研究院有限公司工程师，主要从事地质勘察与岩土工程研究。

[中图分类号] G642.0;TU93 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）19-0081-04 [收稿日期] 2021-10-14

近年来随着我国城市地下空间开发规模增长迅速，对缓解城市土地资源紧张压力，建设宜居城市具有重要意义。2016年住房城乡建设部发布《城市地下空间开发利用“十三五”规划》要求进一步加强人才的培养。截至目前，全国已有85所高等院校开设地下空间工程专业，也有部分院校在土木工程类招生专业下设置地下工程方向。该专业开设时间较短，建设经验不足，人才培养体系仍处于初期探索阶段[1，2]。由于地下工程具有隐蔽多样、规模庞大、建造周期长、施工技术复杂等特点，同样导致该专业的实践教学难度非常大。

BIM（Building Information Modeling）技术作为一项新型的信息化技术，在国内外建筑业中得到了广泛应用。然而，目前我国BIM技术人才缺口较大，尤其是城市地下空间工程与BIM技术复合型人才严重匮乏。因此，有必要将BIM技术融入城市地下空间工程专业各实践教学课程中，利用其可视化、可出图、可模拟等优点，弥补该专业实践教学的不足，有效提高学生的实践能力和创新能力。

一、城市地下空间工程专业实践教学现状

实践教学是学生巩固理论知识、理论联系实际的重要途径，目前各高等院校城市地下空间工程专业均开设了较为丰富的实践教学体系[3，4]，其中包括实习实训、课程实验、课程设计和毕业设计等，通过调研发现存在以下问题。

（一）校内实践教学重视度不够

大多教师工程经验少，对实践教学不够重视，重理论轻实践现象普遍存在。课程设计方面，指导教师任务书选题难度较低，与实际工程结合度不高，考核形式单一，每年布置内容的重复率较高，导致学生存在抄袭现象。校内实训基地方面，大多院校实训室均配有建筑和桥梁实体模型，而城市地下空间工程模型配置较少，如深基坑、隧道工程、地下车站等。并且固定、静态的设备与构件模型无法满足新技术、新设备的更新速度，对学生的理解、掌握和运用的提高十分有限。

（二）校外基地实习效果不佳

由于不同城市的地下空间发展程度不一致，学生前往大型地下工程施工现场的实习机会并不多，有些城市或区域甚至没有地铁和隧道项目以供学生实习，难以满足所有课程需要。针对地下工程施工现场的复杂性和风险性，校外企业大多仅安排以参观为主的实习，学生看得多、做得少，实习效果难以保证。地下工程规模大，工期长，受学校实习时间的限制，学生往往只能了解或掌握其中一、两项施工工艺，无法适应项目全过程实习的要求，校外基地全过程实践教学难度大。

（三）难以培养学生的创新能力

实践教学环节是培养学生创新能力的重要手段。在目前的城市地下空间工程实践课程中，实习前往的项目都是正在建设或者已建成的地下工程，学生很难深入参与施工方案的制定，如施工场地、施工人员、施工材料等诸多方面，学生不能将自己所学理论知识和创新理念运用到地下工程实践中，导致学生无法满足采用专业理论知识、交叉学科知识及相关工具，进行复杂工程问题的分析、评价、论证，以及提出初步解决方案的能力目标。

二、BIM技术在城市地下空间工程实践教学的可行性分析

（一）必要性

在“中国制造2025”“互联网+”及新工科等背景下，对城市地下空间工程专业人才的实践能力和创新能力提出了更高的要求，对该专业实践教学模式的创新更加迫切。2015年住房城乡建设部印发《关于推进建筑信息模型应用的指导意见》，要求新立项项目在勘察设计、施工、运营维护等全寿命期阶段，大力推广BIM技术应用。2016年住房城乡建设部印发《2016—2020年建筑业信息化发展纲要》，要求在“十三五”时期，全面提高BIM等建筑业信息化水平，注重培育精通BIM等信息技术和工程业务的复合型人才。因此，在国家相关政策推行背景下，十分有必要将BIM技术引入城市地下空间工程专业实践教学体系。

（二）可行性

BIM技术的快速发展，导致国内外众多土建类院校将BIM技术引入教学各个领域，据统计截至2021年9月，在中国知网搜索“BIM教学应用”等相关主题的文献多达400多篇，其中BIM在全国各院校建筑工程[5]、道桥工程[6]、工程管理[7]等专业实践教学中已得到广泛应用，但是BIM在城市地下空间工程专业的实践教学鲜有研究。因此，借鉴BIM技术在建筑工程、道桥工程等土建类相关专业的实践教学经验，将其引入城市地下空间工程专业的实践教学改革是可行的，本文提出的融入BIM技术的城市地下空間工程专业实践教学体系如表1所示。

（三）有效性

BIM的优势在于集成建筑设计、施工和运营维护等项目全过程信息数据，并通过三维可视化技术增强学习效果，既缓解了校内实训模型空缺，也解决了学生想象困难问题。运用BIM可以实现虚拟建造技术，使学生作为项目参与人和管理者，将被动学习改为主动学习，运用相关知识模拟城市地下空间工程的设计、施工等全过程，解决了学生看得多、做得少、实习时间和内容受限等难题，有效保证了实践教学的效果。与实际建造过程相比，虚拟施工技术允许学生不断修改错误，逐渐优化方案，可以使学生大胆地想、大胆地做，提高了学生主动学习的积极性，很大程度锻炼了学生的创新思维，提高了学生运用所学理论知识和创新理念解决复杂地下工程问题的能力。

三、BIM技术在城市地下空间工程实践教学的实施

（一）创建三维模型

在城市地下空间工程专业实践教学中，各种地下结构类型的课程设计和毕业设计主要通过CAD辅助设计技术进行设计、分析与计算。CAD作为学生绘图的工具，不能详细和全面地提供地下结构的设计模型和具体参数，最终提交成果容易产生错漏碰缺。指导教师以实际工程项目为主线，可以通过设计院或施工企业咨询项目案例图纸，作为学生的设计依据，学生可根据图纸自由设计方案并进行计算，最终利用BIM技术将设计成果转变为三维可视化模型，便于学生或教师直观地发现设计中存在的问题并及时纠正，还可以根据需求调整参数，从而优化和创新设计方案，使得学习效果显著提升。

（二）施工图深化设计

在传统的课程设计和毕业设计中，学生绘制结构施工图主要采用平面整体设计方法（平法施工图）进行钢筋标注。然而平法标注很难看到钢筋真实的位置和形状，二维图纸表达不直观，无法直接指导施工。尤其是复杂的空间三维节点区域，钢筋碰撞问题无法通过平面、剖面等简单几何关系来解决。在施工图设计过程中，学生利用BIM技术对钢筋工程开展施工图深化设计，建立复杂节点区域钢筋三维模型，实现钢筋尺寸、形状及定位精准化模拟，并且可提前进行钢筋排布碰撞校核，对节点构造不合理、可能會影响后期施工之处给出调整方案。

（三）电子招投标与虚拟施工模拟

目前包括海南省等部分省市率先要求建筑行业应用BIM技术开展电子招投标，因此，教师需要对传统的施工组织课程设计和概预算课程设计进行改革。在商务标编制方面，学生需要建立工程项目BIM模型，然后将其导入国内知名造价软件如广联达、斯维尔等，完成工程计量和计价文件的编制，相比手算BIM大大缩短了计算时间。在技术标编制方面，学生可以建立“电子工地”，对施工现场的大型机械设备、临时设施等做出合理的规划布置;然后可以编制施工进度计划，并将进度信息赋予BIM模型，能够以专业、楼层、流水段、构件类型等维度进行施工进度动态模拟，规避各施工工序冲突，从而有效缩短工期。除此之外，学生可以结合城市地下空间工程项目施工中的重点和难点部位，利用BIM技术进行虚拟施工方案模拟和工艺动画展示，预先发现施工过程中可能碰到的问题，提前避免和减少返工。

（四）校企合作实践教学平台建设

城市地下空间工程实践教学过程离不开企业的合作与支持，复合型人才培养必须深化校企合作力度，共建校企合作实践教学平台。笔者所在学校成立BIM工程研究中心，广泛联系对接企业，积极开展产学研合作，先后承担大量BIM横向项目与课题研究，打造了一批教学水平高、实践能力强的“双师型”教师队伍。学校成立了BIM协会等校级社团，由研究中心教师担任指导教师，对学生深入开展BIM培训的同时，组织学生前往企业开展BIM项目实习，使学生更快地适应企业的工作模式和技术规则。在校企合作平台建设背景下，近几年，学生BIM综合实践能力突飞猛进，先后在“龙图杯”“优路杯”“斯维尔杯”、全国结构设计信息技术大赛、全国BIM毕业设计大赛中，斩获特等奖2项、一等奖4项、二等奖及其他奖项若干。

结语

将BIM技术应用到城市地下空间工程专业实践教学环节中，不仅能弥补传统实践教学模式的不足，更能满足建筑行业对信息技术和城市地下空间工程业务复合型人才的迫切需求。学生通过利用BIM技术，开展三维模型创建、施工图深化设计、电子招投标与虚拟施工模拟等项目全过程应用，提高了学生自主学习的兴趣和动力。同时，校企合作实践教学平台的建设为学生实践教学提供了保障和支持，切实提高了学生实践能力、创新能力和解决复杂工程问题的能力，值得向相关专业的实践教学进一步推广。

参考文献

[1]姚志雄，吴琛，陈军浩，等.新工科背景下工程核心能力实践教学体系探索——城市地下空间工程专业建设实践[J].教育评论，2021（4）：54-60.

[2]刘勇健，梁文添，邓浒标，等.基于OBE的城市地下空间工程实践教学体系构建[J].大学教育，2021（6）：68-70.

[3]戎贤，张健新，刘平，等.新工科背景下土木工程专业实践改革研究[J].教育教学论坛，2019（1）：131-132.

[4]张扬.土木工程课程设计改革与实践[J].教育现代化，2019，6（55）：47-48.

[5]杨文东，薄纯杰，张如林，等.BIM技术在建筑工程实践教学中的探索[J].实验技术与管理，2020，37（4）：164-166.

[6]卫星，巨云华.基于BIM+VR技术的钢结构桥梁教学实践改革研究[J].图学学报，2018，39（6）：1231-1238.

[7]宫培松，罗仁玉秋，等.基于OBE-CDIO理念的工程管理专业BIM实践教学改革[J].工程管理学报，2020，34（3）：153-158.

Application of BIM Technology in the Practice Teaching of Underground Space Engineering Major

ZHANG Tian-long1， LU Ping1， HAN Yin-long2， ZHAO Jin-song3

（1. School of Civil Engineering and Architecture， Hainan University， Haikou， Hainan 570228， China;

2. National Nuclear Power Planning and Design Institute Co.， Ltd.， Beijing 100098， China; 3. School of Architecture， Tianjin University， Tianjin 300072， China）

Abstract： To meet the needs of the development of urban underground space construction in China， based on summarizing the insufficiency of the practice teaching of urban underground space engineering major， the necessity， feasibility and effectiveness of applying BIM （building information modeling） technology in the practice teaching of urban underground space engineering major are analyzed. The implementation process of practice teaching is proposed， including BIM-based 3D modelling， the deepened design of construction drawings， the electronic bidding， and the virtual construction simulation. Based on the school-enterprise cooperation platform， the students’ ability of analyzing， evaluating and initially solving complex underground engineering problems has been trained effectively and the students’ innovative thinking and practical ability have been significantly improved， which can provide useful references for the practice teaching of related majors.

Key words： BIM technology; underground space engineering; practice teaching; virtual construction