新时代土建类课程设计与BIM融合的现代化教学探索

白梦梦，王沣浩，闫立周，康彦青

(1.西安交通大学 城市学院，陕西 西安 710018； 2.西安交通大学，陕西 西安 710049;3.陕西建工第八建设集团有限公司，陕西 西安 710068)

在第十一届“中国大学教学论坛”中，教育部高等教育司吴岩司长提出建设中国金课[1-2]，提出了“两性一度”的金课标准[3]，开辟“智能+教育”新途径[4]。土木建筑类课程培养体系中涵盖了大量的课程设计以提高学生学以致用的能力，主要是基于CAD，PKPM和天正等专业软件开展专业课程设计等。根据土建类毕业生就业调查结果发现，学生对土建类课程的系统认知、学以致用、举一反三的能力较差，仅会对常规建筑进行简单的二维绘图和三维查看等，不能很好地掌握建筑、结构、暖通设计方案规划和施工图要点，导致设计图纸和实际施工操作容易出现错位。目前，由政府主导的“建筑工业化2.0”更是使得建筑行业急需大量能够掌握BIM设计的专业土建人才，实现图纸的三维设计和建筑的信息化建设，为工程参建主体提供有效的进度信息共享与协作环境。因此，结合“结果导向(OBE)”的人才培养体系的核心内涵和当前市场对土木建筑类学生所应具有的专业知识技能的要求[5]，土建类课程设计需利用BIM技术进行建筑设计和虚拟施工的同步行进，实现课程设计教学中设计与施工同频的现代化教学探索[6]。

目前，程晔等[7]开展了融入实践环节的土木工程课程设计的教改研究。徐晓红等[8]提出了基于工程实践能力培养的课程设计一体化构建方案和实施办法。王慧琛[9]从整合设计以及参数化的设计角度提出了BIM技术应用于绿色公共建筑设计的方法。肖良丽等[10]结合具体案例的分析重点，展现了BIM技术对于结构专业实际应用的专业性指导。卢楠[11]以BIM技术为骨架，搭建出全新的土木工程培养体系，将课本、PPT等二维信息逐步转变为BIM技术所对应的三维信息。李海宗等[12]探讨了基于BIM技术的桥梁建筑课程改革目标、侧重点以及实施方案。综上，针对土建类课程设计教育与BIM融合的现代化教学仍需进一步探索。

鉴于此，西安交通大学城市学院土木建筑工程系从教育论观点出发，讨论现代教学模式下融合BIM的土建类课设教育的理论可行性。通过土建类专业核心课程《空气调节工程》课程设计为例，探索现代化教学模式下融合BIM的土建类课设过程教学的方式方法，旨在提高《空气调节工程》课程设计教学特色现代化模式和育人效果，也为其他课程设计的建设现代化教学模式下融合BIM的课程设计教学在育人理念和育人效果方面能够提供借鉴。

1 现代化教学模式下融合BIM的土建类课设教育效果的理论分析

1.1 育人理念

紧密结合当前工程教育质量认证的需求，以培养具有创新能力的应用型人才为出发点，在融合BIM的土建类课设中坚持“学生中心、产出导向和持续改进”的教育理念[13]。借助BIM平台，通过以实体项目导向的课设实操，不断提高学生结合当前的研究热点和新节能技术等进行土木建筑类节能方案设计的能力，同时充分发挥学生将理论知识学以致用的能力，不断提升学生的课设学习体验和学习成效。基于BIM技术形成的现代化“智能”课程设计教学模式中融入课程思政元素[14]，让学生夯实知识基础和提升专业技能的同时，树立正确的价值观，提升工程伦理道德，培育家国情怀，争取成为新时代合格的建设者。

1.2 育人效果

在课程设计教学中，案例选择、实操设计和设计引导反馈成为影响课设教学效果的重要因素，三者的教学设计将直接影响学生课设成效的深度和广度。首先，一个以实体项目为导向的课程设计条件会足够吸引学生，融入设计院暖通设计师的“设计故事”，激发学生的实操兴趣，即恰当的实际工程元素是抓取学生探索兴趣的重要诱因。其次，高效的实操设计能够启发学生不断深入剖析设计方案，其中设计师的“设计故事”可有效牵引学生自觉自愿地通过相互讨论和研究探索，获得特色设计方案，即学生从前期调研分析中得到的快乐合作和成就感是其主观能动的根本动力。最后，在现代化教学模式下融合BIM的课设教学中，教师和设计院人员对学习过程的策划，引导学生按施工要求细化设计环节，实际的施工反馈和设计反馈等行为实现了以学生为中心的沉浸式课堂，即教师和设计院人员的工程示范作用是达到“价值引领”育人目标的重要保障。

2 现代化教学模式下融合BIM的《空调》课设教学探索

以土建类课程《空气调节工程》(以下简称《空调》)为例，探索了现代化教学模式下融合BIM的土建类课程设计教学过程。

2.1 融合BIM的课设教学育人总目标

一切土建类建设工作都离不开设计，土建类的课程设计是土建类专业主干必修内容和专业知识学以致用的重点及难点内容。以实体工程项目为导向开展融合BIM的课程设计，充分发挥BIM设计中虚拟施工与图纸设计同频耦合优势，提高学生各专业配合设计中的合作意识。本课程设计育人的总目标是培养学生在建筑设计中的大局观和合作意识，使得建筑、结构、暖通设计进行系统有机地配合。强化学生的主人翁意识和设计成就感，具有专业自信和民族使命感[15]。结合图纸的实际施工问题，从技术、社会、伦理等角度综合分析设计方案和解决方案，提高学生分析和解决实际工程问题的能力，具备自主创新的新时代工匠精神。通过教师和设计院设计师综合的答辩考评，使得学生认识作为技术人员在工程建设中所应承担的社会责任。

2.2 融合BIM的《空调》课设过程教学设计

设计围绕实体项目西安市北圣大厦，以解决实际工程设计问题为目标导向开展了对应的建筑翻模和空调系统设计。从施工要点出发，以学生为主体，教师和设计师共同引导学生主动应用专业知识，并匹配施工理念及技术进行规范化设计。采用设计与施工同频行进的三维课程设计中，积极主动地巩固基础知识和提升专业绘图技能。其中，融合BIM的《空调》课设过程教学设计详情如下；

(1) 以实体项目西安市北圣大厦为载体，在建筑底图识图的基础上，基于BIM进行建筑翻模。将二维图纸立体化为三维建筑，便于学生进行三维空间的想象和管网的综合布置。

(2) 依据施工要求，教师和设计师共同对学生进行初期的课程设计布置和规范化说明等，让学生接手全面的空调系统设计。

(3) 学生主要查阅并融合当前的研究热点和新节能技术等，进行空调系统的节能方案设计，绘制空调系统设计的技术路线或思维导图，并开展小组答辩。

(4) 学生根据设计方案和施工需求，借助BIM进行空调系统图绘制和虚拟施工。在教师和设计师的引导和反馈下，完成空调系统施工图的绘制，撰写设计施工说明，三维视频漫游。

(5) 根据图纸、设计说明书和漫游视频，通过设计院和教师的共同答辩给予成绩评定。

综上，基于BIM的实体建筑建设增加了学生的成就感，从而使得学生形成自主学习，规范设计的良性循环，进而提高教学效果，培养出具有分析解决工程实际问题能力的应用型专业人才。

2.3 融合BIM的《空调》课设教学成效

根据学生培养方案，针对2022年建环19级实验组8人开展了融合BIM的《空调》课设过程教学设计。然后，与2021年建环18级对照组8人开展的传统《空调》课设过程教学设计成效进行了对比分析，得出融合BIM的《空调》课设过程教学设计成效。

如图1—图4，为建环19级实验组8人融合BIM完成的北圣大厦空调系统设计的部分三维图。由图1—图4得出，BIM图示使得空调系统和建筑有机的融合，并展示了后期的施工效果图，极大地促进了学生三维空间的应用和空调管网的综合布置。其次，三维空调系统图的绘制使得管网的布置优化、标高错位和和碰撞检查等更加形象、具体和直观。例如，制冷站中各类水管，一次回风系统中送风管和回风管，风机盘管加新风系统中各类水管和新风管等。设备的定位更加经济美观，确保了管线的横平竖直，主要体现在制冷站中的设备布置和空调机房的空气处理机组布置。同时，BIM绘制中空调系统穿墙时，可自动实现孔洞预留；管网较长时，可自动进行支吊架的验算和绘制，可高效地提高施工图绘制进度。再者，学生反馈说，BIM三维图示使得自己的图纸绘制准度得到了1倍的提升，这种成就感促使着自己更加自愿去探索，达到最完善的空调系统设计。

图1 制冷站系统设计BIM图

图2 空调机房设计BIM图

图3 商场层一次回风系统设计BIM图

图4 商场层风机盘管加新风系统设计BIM图

建环18级对照组和建环19级实验组的《空调》课设教学对照组情况见表1。

表1 《空调》课设教学对照组情况表

由表1得出，融合BIM的《空调》课设过程教学设计使得课设的综合质量得到了明显提高，其中在部分控制变量的基础上，课设优秀率和良好率分别提升了12.5%，中等率提高了25%。主要原因是建环专业学生在二维建筑平面CAD条件图的基础上，借助天正完成二维的平面图纸绘制，三维查看等，学生的错误率较高，进而自信心受挫，出现了为完成任务而完成任务的现象，导致课程设计成绩不理想。而基于BIM的建筑翻模使得二维建筑平面CAD条件图三维立体化，在三维建筑中开展空调系统的三维设计，极大地促进了学生三维空间的应用和空调管网的综合布置。同时，由于BIM中空调系统图绘制和虚拟施工同频耦合，学生可实时完成管网碰撞检查，并解决施工要点问题。学生反馈说，三维漫游视频极大地提高了自己的主观能动性，督促自己积极查阅相关资料解决问题，认真努力地完成图纸绘制。在新媒体时代，学生将自己的设计成果以视频的方式分享给周围人，得到大家赞许的同时，自己的成就感和自豪感由然而生，并表示一定要成为新时代优秀的建设者。

3 结 论

通过讨论现代教学模式下融合BIM的土建类课设教育的理论可行性，我校以《空气调节工程》课设为例，通过建立融合BIM的课设教学育人总目标，设计融合BIM的《空调》课设过程教学。通过学生实验组的对照分析，得出融合BIM的《空调》课设过程教学设计使得课设的综合质量得到了明显提高。因此，现代化教学模式下融合BIM的课设课设过程教学的方式方法，提高了融入BIM的土建类课程设计的教学育人效果。