基于BIM+数字孪生技术在高职院校土建类专业教学研究中的应用

［摘 要］BIM技术是指建筑信息建模技术。土建工程是一项非常复杂和综合的工作，需要建筑、结构、设备等专业的密切配合。本文以高职院校建筑设备类教学为基础，以BIM+数字孪生技术为切入点，总结BIM+数字化孪生技术在土建类专业教学中的意义，利用数字孪生重构学习空间，构建全息映射空间，营造沉浸式的学习环境，以期为相关研究提供借鉴。

［关键词］BIM；数字孪生技术；高等职业院校；土建类专业教学

［中图分类号］G71文献标志码：A

BIM技术自诞生以来，在土建建模方面已经有较为普遍的应用。但将BIM等同于建模是对BIM的狭隘认知，可视化并非BIM的最终目的。应运而生的BIM技术教育，不同于土建类专业传统的教学模式，其核心是要求建筑工程各专业之间的协同合作。在培养过程中，要求土建专业的学生在具备扎实的专业基础知识的同时，还要具备熟练掌握本专业BIM建模软件的能力；还要求学生打破专业壁垒，对土建其他专业有一定的了解。在将BIM技术应用于教学的过程中，协作学习的氛围是该技术应用的一个特征，需要教师为学生营造协作学习的氛围，让学生适应相互协作、自主学习、合作学习和探究学习的教学模式。BIM技术教育通过专业知识的相互融合和渗透，提高学生的综合能力，使得教学内容得以完善、优化，学科专业质量得以提高。同时，学生的专业知识得以巩固，锻炼他们的沟通能力和组织协调能力。

数字孪生技术作为一项新兴并发展迅速的数字信息化技术，在智能管理方面潜力较大，可为土建施工及施工管理、楼宇设备管理这样的具体复杂动态系统的物理体量，进行信息融合并且提供解决思路。该技术是以数字化信息为载体，将物理世界中的现实空间映射到数字虚拟空间中的设备数据或系统状态信息，能被实时检测感知，并通过特定反馈方式，将承载指令的数据回馈到设备或系统的控制中，通过算法给出指导或决策。已有研究数据显示，当前建筑行业，数字孪生技术是实现建筑智能化的一种很有前景的解决手段。数字孪生系统由一个或多个重要的、彼此依赖的装备组成。在建筑领域中，BIM技术与数字孪生的结合，将进一步增强孪生数据和应用结果的可信性。

基于现有的研究结果，我们将数字孪生定义为使用物联网等技术来模拟虚拟世界中的创作。一种高度模拟的数字模型，可以映射到现实世界，并可以在二者之间深度耦合，称为数字孪生。在相关新技术的支持下，数字孪生技术可以实现物理实体的驱动控制、运维和管理优化；可以进行互动学习，提高决策能力，使其具有可视化数据、实时动态交互和智能管理的特点［1］。这种基于BIM+数字孪生技术的智能运维系统可集成全专业BIM模型，实现建筑资产的数字化交付，同时，可对建筑构件、设备的生产、采购、安装及运维信息进行检索查看。

2 BIM+数字孪生技术国内外研究现状

2003年，美国总务管理局提出了一项重点项目，被称之为“国家3D-4D-BIM计划”，要求在整个建筑的生命周期，即从规划、设计到拆除全过程中来探索应用BIM。在英国，索尔德福大学实现了集建筑结构信息、施工进度信息、建筑造价信息和建筑能耗信息等相关数据于一体的BIM模型，并进一步开发了基于BIM技术的N维模型。

2003年，BIM技术进入我国工程建设行业。早在“十一五”规划时期，政府部门就明确指出，土木建筑企业以及相关科研单位应重视BIM技术，并要求对该新型信息化技术的应用与创新展开深入的研究。不少研究者也认识到，BIM技術具备两大优点，即参数化建模和可视化仿真模拟功能，在智能建筑设备的管理数据可视化需求方面有相当大的应用空间，技术需求高度吻合，对于解决智能建筑设备信息化管理等方面的问题能提供优越的解决方案。虽然目前国内还没有成熟的应用案例，但这种研究趋势已经非常明显。数字孪生技术是一项在信息化技术高速发展的过程中产生的一项新技术，目前其在智能管理方面表现出巨大的潜力。有少数国内学者将数字孪生应用在了建筑施工过程中的进度监测、人员安全管理、建材监测以及建筑垃圾追踪等方面，并取得了一定的研究成果。由于现代社会的智能楼宇已经成为城市建筑的主力军，楼宇设备的智能化管理不但要求数据可视化，还需要完成预测分析、辅助决策。目前，国内外结合两种技术的应用基本是以工程施工管理与运维的方向为主，教学研究方向的数据较少。

3 BIM+数字孪生技术的教育意义

BIM技术涉及建筑工程专业全生命周期，是一个丰富的数据库，由于该技术具备信息领先性和智能性的优势，已经成为未来建筑行业数字化升级的方向。当前，许多行业和企业已经要求建筑工程类专业人才必备BIM技术的相关技能，各大高职院校也在积极地将BIM技术融入专业教学当中。基于BIM技术教学的高职土建类专业的教学模式，满足了当前社会对BIM技术专业人才的需求，同时还能在一定程度上改善学生的就业状况，使得高职生有了更广阔的就业途径。通过BIM技术教学，学生的自主学习能力和协作能力有所提高。特别是参与BIM技术+数字孪生技术的工程项目进行模拟设计和施工，学生将理论知识转化为实践技能的能力也得以提高，还能与其他专业协作，共同解决专业问题，使学生能够跨打破专业壁垒，跨专业学习。过去，BIM技术和数字孪生技术在各自的领域中发挥作用，随着信息社会对于技术的发展要求，二者跨界融合。BIM+数字孪生技术能满足现代土建专业内容复杂、管理精细的发展要求，能推动智慧建筑全要素数字化和虚拟化［2］。因此，通过BIM+数字孪生技术在高职土建专业教学中的应用，除了可以使学生获取丰富的专业知识，提升综合能力，更重要的是能增强他们的职业竞争力，为自己创造就业机会的同时，明确自己的职业发展方向。

4 BIM+数字孪生技术土建类工程专业课堂建设路径

4.1 创建并行系统以深化学习设计

创建真实世界的完整映射是数字孪生的特征之一，并构建伴随真实世界系统的并行系统。如同DNA双螺旋结构，现实系统和数字孪生系统相互伴随。在算法和数据分析的帮助下，空间不断优化。在这个过程中，教师要创造一个高效、轻松、愉快的学习环境；在复杂的学习环境、学习过程中进行学生数据的分析；教师作为学习活动的设计者为学生服务，对接行业进行业务仿真。

以“建筑设备监控系统技术”课程的实训内容为例，基于BIM+数字孪生技术的教学平台可以根据课程需求以及行业应用场景需要，利用AR/VR技术来建设数字建筑设备监控的虚拟仿真实训，实时共享物联网数据［3］，通过数字孪生技术虚拟映射的物理实体，可以解决学校实训设备投入大、更新难、无法结合实际工程的难题。通过终端传感器和互联网、5G技术得到的生产数据在教室里得到精准还原，让学生体验到建筑设备监控系统工作周期的动态监测，做到真正的沉浸式学习。

基于BIM+数字孪生技术的教学平台，可以将企业实际业务通过“以虚助实、虚实结合”的方式科学引导学生。在技术、工具和内容的支持下，深化教学设计，在双并行系统的共同作用下，促进学生深度学习，有效解决问题［4］。

4.2 虚拟现实与无限互动的深度融合

利用BIM+数字孪生技术结合教学资源、通信技术和移动终端设备，更容易实现多场景学习，使学生身临其境的同时，解决实践教学中场地受限、设备受限的问题。当然，基于互联网的虚拟世界和人们身处的现实世界之间还是有很明确的界限的，这个界限使得学生实现知识建构产生了阻碍。也就是说，不完全融合的虚拟和现实世界允许学生频繁进入和切换学习场景或叙事情境，这可能会带来认知负荷。BIM+数字孪生技术的出现可以解决这个问题，完成虚拟与现实的深度融合，特别是基于AIoT的数字孪生技术，通过物理世界中传感系统的动态实时传输数据，打破了虚拟与现实交互的边界。

深度融合产生的业务数据，可以帮助学生解决获取企业实际生产数据及行业敏感信息的难题，数字孪生技术能实现物理数据的同步共享，为学生提供实训依据。基于物理现实创造无限互动，提供高度沉浸式的学习场景，真正实现教育的连续性和学习的具象化［5］。

4.3 最大限度地应用BIM+数字孪生技术

高职土建类专业在应用BIM+数字孪生技术进行教学的过程中，应转变教学培养模式，重点关注BIM+数字化孪生技术在专业上的灵活性和实时性［6］。

特别是要积极地与企业对话，加强合作，联合共建校外实训基地［7］。重构专业课程体系，优化专业课程内容，强化相应的实践安排，提高专业实践效果。

目前，我国的BIM软件已经具备良好的三维建模功能，也可以使用软件的引导数据功能进行三维模型的创建［8］。正因为具备良好的兼容性，BIM软件与全球主流绘图软件的数据都能对接，大大缩短了各专业和各软件之间的建模时间，最大限度地发挥BIM+数字孪生技术在土建类专业教学中的作用。

5 土建类工程专业应用BIM+数字孪生技术保障措施

5.1 加强BIM+数字孪生教学团队建设

在加强专业教师队伍建设工作过程中，通过积极引进具备BIM技术和数字孪生技术的专业人才、强化在校教师新型专业技术培训、学校教师与BIM+数字化孪生技术领域企业人才的交流等手段，提高土建类专业教师BIM+数字孪生技术的教学能力，打造一支专业理论基础知识扎实、项目实操作能力过硬、专业协同经验丰富的BIM+技术教育团队［9］。在加强高校BIM+数字孪生教学人才实践经验的培养工作中，通过与校外实训基地和相关软件开发公司的合作和交流，可以开展一些实际项目培训，让高校土建类专业教师参与实际项目，积累工程经验，为教学实践的改革提供依据［10］。基于BIM+数字孪生技术的教学模式，能提高教师的实践能力，并不断为高校建筑类专业BIM+数字孪生技术教育工作提供新的思路，为企业行业培养更多符合建筑行业数字化升级和绿色改造的BIM+数字孪生专业技术人才［11］。

5.2 建立有效的教学管理机制

目前，高职院校应加快建立有效的教学管理机制，针对BIM+数字孪生技术相关规范、标准实施教学行为。根据土建工程大类中各专业、各课程的特点及内容，重构教学内容、课程体系、课程标准、考核标准以及实训实习标准等［12］。成立专门的BIM+数字孪生技术工作小组，对学校BIM+数据孪生技术教学工作负责，定期对各学科教师BIM+数孪生技术教学质量和效率进行评估，对于不合格的教学数据进行分析诊断［13］。在BIM+数字孪生技术教学过程中，各专业优势得到了充分的发挥，各专业教师间的沟通得到了加强，不同专业的教师有机会、有平台讨论研究教学方法和教学技术，管理体系也得到了完善［14］。

5.3 建立基于数字孪生技术的教学资源库

精准对接本省建筑产业发展，遵循产学研融合、服务产业升级的规律，面向当代不断升级的建筑企业，以智能化建筑、BIM+数字孪生技术平台为载体，联合省内区域建筑企业共建BIM+数字孪生土建专业虚拟仿真实训资源库，推进专业教学资源全面对接行业企业真实数据，实现专业人才培养和行业产业链相一致，教学活动与生产实践相融合，服务地方经济，提供具备创新能力且高素质的土建专业人才。

6 结语

BIM+数字孪生技术是现代工程人才必备的专业技能。高校土建类工程专业需要不断改变BIM+数字孪生技术的教学模式，最大限度地应用BIM+数据孪生技术，充分发挥其优势，加强BIM+数字孪生技术以及教学管理机制的建设，培养综合实力更强的土建类工程专业技术人才。

参考文献

［1］胡小玲，农日东，李捷. BIM技术在建筑项目成本管理中的应用分析［J］. 四川水泥，2022（02）：98-100.

［2］Joyner H Book. Review：Teaching Information Literacy in Higher Education［J］. Journal of Food Science Education，2021，3（20）：697-699.

［3］趙培莉. BIM技术在装配式建筑工程项目全寿命周期成本管理中的应用研究［J］. 四川水泥，2021（4）：208-209.

［4］张新长，李少英，周启鸣，等. 建设数字孪生城市的逻辑与创新思考［J］. 测绘科学. 2021，46（3）：147-152，168.

［5］PapadonikolakiE，Aibinu A. The influence of leadership，resources and organizational structure on BIM adoption［C］// ARCOM Conference. 2017.

［6］李德仁. 数字孪生城市 智慧城市建设的新高度［J］. 中国勘察设计，2020（10）：13-14.

［7］韓锐，莫畏，张汉. 基于BIM的可视化建筑运维系统构建研究［J］. 建筑经济，2016，37（8）：107-111.

［8］陶飞，刘蔚然，刘检华，等. 数字孪生及其应用探索［J］. 计算机集成制造系统，2018，24（1）：1-18.

［9］魏少雷. 建筑企业的数字转型［J］. 中国建设信息化，2021（8）：26-29.

［10］胡振中，彭阳，田佩龙. 基于BIM的运维管理研究与应用综述［J］. 图学学报，2015，36（5）：802-810.

［11］王鹏，杨妹，祝建成，等. 面向数字孪生的动态数据驱动建模与仿真方法［J］. 系统工程与电子技术，2020，42（12）：2779-2786．

［12］陈春华. 基于“数字孪生”技术的物联网虚拟仿真实训基地研究——以福建经济学校物联网虚拟仿真实训基地建设为例［J］. 网络安全技术与应用，2022（10）：112-114.

［13］白畯文，吴小东，肖正龙，等. 基于BIM+IoT的智慧园区综合管理平台设计与研究［J］. 智能建筑与智慧城市，2021（12）：155-156.

［14］陶飞，刘蔚然，张萌，等. 数字孪生五维模型及十大领域应用［J］. 计算机集成制造系统，2019，25（1）：1-18．

［项目名称］湖南城建职业技术学院重点科研基金资助项目“基于BIM+数字孪生技术的建筑设备与系统智能管理平台研究”（项目编号：21YJZD02）。

［作者简介］郭怡婷，女，湖南长沙人，湖南城建职业技术学院，副教授，硕士，研究方向：建筑智能化、职业教育等。