BIM在高职“建筑设备及识图”教学中的双向应用研究

王鹏 任洁 李松良

“建筑设备及识图”课程作为高职土建类专業的一门专业选修课，涉及水电暖多个专业，知识点多而广，学生在短时间内完成课程的学习具有一定难度。此外，本课程属于一门应用型较强的课程，传统教学方式与手段难以满足授课需要。BIM技术作为近年来建筑行业广泛应用与推广的一门信息化技术，除了在工程中应用之外，在教学中也具有非常出色的交互性能。本文通过BIM技术在教学中的正向与逆向应用，大幅提升了课程的教学效果与质量。

1 概述

建筑信息模型（BIM）：在建设工程及设施全生命期内，对其物理和功能特性进行数字化表达，并依此设计、施工、运营的过程和结果的总称。

2018全国两会上海建工集团股份有限公司副总工程师王美华提出：BIM技术在建筑业需求很大，然而高校在培养这方面人才时却存在“缺位”。要促进BIM教学，不一定要在高校里单设专业，但不同年级学习侧重点不同，要形成进阶的课程体系。提案中建议可以校企合作，加强高校土木类专业推广BIM教学力度，增加系统课程，培养技术运用和软件开发“二元型”人才。

中国建筑业BIM应用分析报告（2020）指出院校要加强高校建筑工程类相关专业BIM教学力度，重视专业与BIM技术的交叉，增加系统课程，理论与技术实操兼顾，培养BIM技术应用初级人才。培养过程中与企业实际工程业务相结合，使得高校毕业生在进入企业时能快速适应。

党的二十大报告中对加快建设教育强国做出一系列重要部署，强调“推进教育数字化，建设全民终身学习的学习型社会、学习型大国”。教育数字化是教育教学活动与数字技术融合发展的产物，也是进一步推动教育改革发展的重要动力。

2 BIM在教学中应用的价值

在信息化技术发展的背景下，BIM技术正在成为推动建筑业发展的核心技术之一。作为信息化教学手段，BIM在教学中的应用也越来越广泛，其价值主要体现在三个方面：可视化、协调性、模拟性。

（1）“可视化”。通过模型可以对工程实体外部特征与内部结构进行可视化展示，利用三维形式实现对知识的感性输入，实现“所见即所得”。这一过程符合人的认识发展规律，提升了教学效率，缩短认知的时间。

（2）“协调性”。通过整合建筑、结构、机电等多专业BIM模型，利用碰撞检查、净高分析等手段提前发现问题。参与方可以在同一BIM平台，直观地进行沟通与交流，共同探讨模型中问题，提出解决思路，确定模型的优化方案，提升问题的分析与综合应用能力。

（3）“模拟性”。一是利用数据与模型的动态交互展现模拟过程，以虚拟建造方式展示工程项目的实施全过程，培养动态思维和整体思维。二是基于模型利用可视化模拟分析软件进行系列的模拟分析。如建筑环境与性能模拟中的日照分析、通风分析、热工分析、能耗分析等。使学生用更直观的方式掌握抽象化的知识。

3 课程教学中目前面临的问题

3.1 课程学时偏少，教学内容信息量大

“建筑设备及识图”作为专业选修课，一般分配的课时为48课时左右。加之课程属于多专业组合，包含建筑给排水、暖通空调、建筑电气等多专业，具有知识点多、覆盖面广、系统性强、实践性强的特点。因此，在短短的几十课时里很难将所有专业的知识点讲清讲透。课时偏少与教学内容多是目前课程存在的一对重要矛盾。

3.2 课程理论性偏多，实践环节效果欠缺

高职“建筑设备与识图”课程受到实训条件的限制，课程多以系统分类、组成、运行原理等理论介绍为主，在实际授课过程中与工程结合不够紧密。课程实践环节以施工图识读与现场参观为主，由于课程周期短，学生学习难以深入，再加上参观的机电系统大多都是局部系统或者隐蔽工程，无法形成系统化的知识结构体系。另外，实训条件很难具备多样化的机电系统实物模型，新设备、新材料、新技术的应用也相对滞后。

3.3 教学方式缺乏创新，呈现方式相对单一

现阶段教学以板媒结合为主，辅以图片、动画及视频进行教学。由于课程包含的专业多，涉及的机电系统复杂、运行原理难，尤其是消防系统的组成及工作原理。教材中的机电系统多以简化图例表达，学生很难做到图例与实物一一对应，单纯依靠常规的教学手段很难满足教学要求。受场地的限制，学生想通过真实施工环境学习专业知识几乎不可能。限于经费问题，BIM、VR、AR等信息化技术手段并没有被广泛应用。

3.4 课程内容工程应用不足，隐形知识难以传授

受课时、教材、案例资源等多方面影响，课程关于工程应用的内容在实际教学中相对偏少。一是由于课时偏少，加之采用传统教学手段，信息量的展示已达到瓶颈，所以很难再进行工程应用的拓展。二是教材原因，课程涉及水暖电多个专业，加之教材篇幅有限，应用性的隐性知识很难通过教材呈现，一般需要通过工程应用才能理解。三是配套案例资源不够充实。一般案例多以施工图形式来呈现，然而用平面化的施工图去表达重难点部位三维关系有其局限性，对于没有工程经验的学生来说这一过程门槛较高，隐形知识传授难度较大。

4 BIM在教学中双向综合应用

“建筑设备及识图”作为土建类专业选修课，不同专业在课程核心能力的要求上各有侧重，如建筑工程技术专业主要强调学生对安装工程与土建工程施工过程之间的配合与协调，工程造价专业侧重于算量，则更强调图纸的分析与识读。但是对于课程基础知识的要求基本一致，都需要掌握各系统的组成、分类及原理，然后才能结合项目开展综合应用。

鉴于课程课时偏少，知识点多且系统性强的特点，需要通过快速高效的教学方式来化解现有的矛盾。BIM技术作为一种高效信息化教学手段，可在单位时间内提升授课的感知度，大幅提升授课的信息量。因此可在相同的时间内传递更多的专业知识。学生学习的效率更高，学习效果会更加的明显。经过调研，98.8%的学生认为通过BIM的融入对课程学习有较大的帮助。此外，95.6%的学生认为需要进一步在课内实践环节融入BIM相关的实操内容，主要包括碰撞检查、管综优化、净高分析、预留孔洞、支吊架验算、装配式机房等几部分，具体占比见图1。

4.1 BIM在教学中的正向应用

（1）利用BIM机电综合模型化解二维识图瓶颈

经过深化的BIM机电综合模型包含了给排水系统、消防系统、空调风系统、空调水系统、防排烟系统、强电系统、弱电系统等多个系统。首先基于综合机电模型分离出单专业三维模型，利用三维模型的可视化的特点，实现学生对各专业系统的整体认知。三维模型可以直观反映出各部分的相互关系与联系。通过BIM的正向介入，利用BIM模型静态展示之外，还可以通过Fuzor、Enscape等软件配合VR設备完成模型的动态漫游，学生的体验感也会大大增加，学生可顺利地完成从整体到局部，从具体到抽象的认知过程。这一过程也恰恰符合人的认知习惯，让学习过程变得更轻松，知识也更易被消化与吸收，实现三维到二维的降维学习过程，学习的效率会更高，针对性也更强，见图2。

（2）利用BIM管综模型突破专业的综合应用能力

①基于BIM模型快速掌握管线综合的基本原则与方法

由于教材的局限性，无法直观展示多专业综合的情况，即便现场参观也只能看到局部做法无法了解整个系统。通过BIM管综模型优化前后对比，让学生更直观地了解多专业管综优化的基本原则，首选通过多专业碰撞检查，直观解决空间关系冲突，并根据冲突进行分类梳理，解决机电与土建、机电与机电专业之间的问题，对不同的碰撞与冲突给出对应的解决方案。学生通过BIM模型直观感受解决的思路与效果，可以快速提升学习的效果。另外，利用净高分析锁定净高不足的区域，通过BIM模型定位到具体位置，让学生参与净空优化的讨论，教师引导，学生参与，最终确定管线优化排布方案，参与过程也让学生理解与体会更加深刻。很大程度上化解课时少与教学内容多之间的矛盾。最终利用碰撞优化后的模型，在教师指导下完成施工模拟的演示，学生通过汇报的方式再一次呈现解决方案的整理思路，实现对专业知识进一步的理解、总结与提升。

②基于施工进度模拟掌握施工工序与方法

课程教材中施工工艺与施工方法一般以文字或流程图形式呈现，缺乏动态展示过程，学习过程相对单一，理解与记忆上也有一定的难度。专业知识来源于实际工程最终还要应用于实际工程。利用BIM模型进行施工进度模拟，将BIM模型与施工进度计划相关联，把三维空间信息与时间信息整合在一个可视的4D模型中，直观、精确地反映各个机电系统的施工过程。学生根据施工进度计划的编排顺序及施工进度模拟过程，可以清楚地理解施工工序、具体的施工方法，可直观发现整个施工安装环节的时间节点、安装工序及疑难点，就犹如跟进具体的施工项目一样。同时再结合现场的实地参观，将BIM虚拟施工与现场实际施工相结合，实现知识点的双重强化，全面掌握机电各系统的施工工序与施工方法。

③利用BIM支吊架拓展功能实现专业知识的深化

支吊架不仅对学生甚至对一线施工人员也是难点，因为综合支吊架的类型都要根据现场的实际管线排布情况才能最终确定，而设计图纸中只有一些指导性意见，通常现场施工人员都是凭借经验完成支吊架的选择与布置的。针对这样的现状，可以选择一段典型的多专业管综模型，利用BIM支吊架功能完成综合支吊架选型、材料统计、安全校核等环节，定量化的方式完成综合支吊架的受力验算过程。根据可视化验算结果完成综合支吊架的布置，形成对管线综合的进一步深化，精确展示施工场景，可避免机电安装施工中的经验主义的弊端。用图形与数据解决了原本专业的隐性知识。对于原本需要经验完成的工作，通过定量化的方式明确实施方案，将抽象的知识通过形象化的方式进行表达，这样学生对于支吊架的应用理解会更加透彻。

④通过装配式机房的BIM应用，具备初步机房预制与加工能力

装配式机房的施工是将一种利用BIM与装配式施工结合的方法。对于装配式机房来说，BIM可解决很多传统机房施工中的问题，而采用BIM装配式技术，则可以实现对机房现场管线的可视化。学生通过教师的引导，在保证满足施工规范的条件下，考虑施工空间的要求，设备及附件检修条件的要求、机房内标高要求、整体美观等要求，完成机房管线的综合排布。基于BIM的装配式技术可以实现预制构件设计标准化、生产工厂化、运输物流化及安装专业化，提高施工生产效率。学生利用优化的BIM机房模型完成管道的拆分、管道的编号、支吊架布置、支吊架受力分析与验算，管道预制加工图的出图，预制管道明细表的汇总，学生在实操的过程中可初步掌握机房预制与加工能力。

4.2 BIM在教学的逆向应用

如上文所述，利用已有的BIM模型及其综合应用完成相关知识的学习，是一种正向的、符合认知规律的过程，这个阶段主要完成专业知识的学习、吸收与掌握。而利用已掌握的知识，依据二维图纸创建三维模型，并依据相关规范对模型实施一系列的综合应用，这个过程就是一个逆向过程，这个阶段主要完成知识的内化与提升，见图3。

（1）通过BIM逆向建模深化二维图纸识读能力

逆向建模的过程是一个对图纸深化的过程，也是对图纸的逐步理解的过程。利用BIM插件可快速完成模型创建，提高翻模效率，在有限的时间内完成预想的效果，可快速发现图纸中的问题，深化对二维图纸的理解与领悟。经调研，90.1%的同学更愿意选择中小型项目作为案例（其中中型项目占50.6%，小型项目占39.5%）。因此，需要根据学生的接受度，优先选择中小型项目作为研究。首先，熟悉机电各专业图纸。主要包括各专业设计施工说明，各专业机房位置，水暖电管线的路由走向，尤其是机房及走廊等管线集中的部位。另外对于结构变化的部位，比如结构降板区域、大截面的梁所在的位置都要重点关注，做到图纸了然于心。其次，根据水电暖各专业图纸，创建BIM机电模型。依据各专业设计施工说明、规范图集，结合施工图分专业创建BIM模型，创建过程中进一步校核图纸是否准确无误，通过建模可以复核施工图的设计错误和不足。最后，BIM逆向建模锻炼了学生的识图能力，同时也提升了学生的对图纸的纠错能力，真正对学生的识图能力起到了强化作用。

（2）通过BIM逆向建模可以实现专业知识的巩固与强化

BIM逆向翻模不仅仅需要掌握软件的操作技能，更重要的是具备扎实的建筑设备专业知识，比如建筑设备各系统的组成与工作原理，各类管线的连接形式与布置原则，消防设施的安装位置与高度等等。二维图纸所能呈现的仅仅是单一专业的平面关系，基本不涉及机电专业之间、机电与土建专业之间的空间关系。但是翻模过程中则需要将所有关系定量化，这就要求对课程中各系统的基本知识熟练掌握，并需要清楚规范的相应条款。如建筑设备施工图中的系统图常常以原理图的形式表达，这就需要识图人有较强的专业知识储备，这样才能将抽象化的原理图转化为直观的三维BIM模型。如果翻模过程中发现知识短板，这時就可以针对短板进行系统的复习与强化，从而进一步完善了知识结构。所以通过BIM逆向建模可以梳理课程学习过程中的知识点与知识构架，是一种直接有效的学习方式。

（3）利用翻模成果进行BIM综合应用实现知识迁移与升华

利用BIM翻模的机电模型进行管线综合、净高分析、预留孔洞、支吊架选择与验算、管线与泵房预制等综合应用，这一过程是对学生综合能力的极大考验与挑战。在应用过程中发现知识框架的缺失与短板，通过知识点补强，依靠BIM的综合应用实现知识系统化、结构化和灵活化。这一过程可以通过PDCA循环法开展BIM逆向建模与综合应用。第一步根据设计图纸制订目标，确定需完成的模型内容；第二步按照目标进行模型创建；第三步通过对模型的综合应用检查模型存在的问题；第四步针对问题进一步优化模型，复核施工图的设计错误和不足，从而提高图纸的准确率。如此循环往复直到模型完全满足综合应用的各项指标要求。这一过程实现了多专业知识梳理与学生逻辑思维的培养。对于BIM模型中的各种问题的分析，开展逻辑性与系统性的思考，在每一轮循环中螺旋式上升，从全局和整体出发，提升知识之间的关联性与协同性，将原本的死知识变为活知识，实现知识的迁移与升华。

5 总结与展望

传统的教学模式以平面化展示为主，受教学手段的限制，在有限的时间内学生的参与度不够充分，因此对于专业知识的应用也不多深入，故而学习的效果与知识的掌握程度往往达不到预期。BIM技术作为工程化应用的手段，将其融入到“建筑设备及识图”课程教学之中，将其可视化、模拟性与协调性充分体现，能系统化解决课程学习中的难点问题，用直观的手段解决抽象的问题，可有效缩短学习过程、提升学习效率。通过PDCA循环法实现基于BIM模型的综合应用，既锻炼了学生的思维力，又提升了知识的转化能力，达到逐步提升的目标。

本文系江苏省现代教育技术研究2021年度课题《BIM技术在教学中的应用研究——以高职土建类专业为例》，课题编号：2021-R-90815。

（作者单位：扬州市职业大学）