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标题 基于BIM的应用型土木工程毕业设计全过程改革
范文 孙明

[摘 要]毕业设计是大学生在本科阶段的最后一项学习任务，其在教学体系中起着理论联系实际的枢纽作用。针对应用型高校土木工程专业毕业设计存在的问题，提出将大四开始的毕业设计主要内容分解到大二和大三的相关专业课程与课程设计中，通过不同专业课程对BIM软件的运用，以毕业设计为导向，让教学内容具有连贯性和继承性，从而提升日常教学质量和毕业设计水平。
[关键词]毕业设计；BIM；应用型；土木工程
[中图分类号] G451.2 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）09-0048-03
在国家教育部贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》和《国家中长期人才发展规划纲要（2010-2020年）》，提出“卓越工程师教育培养计划”之后，各高校都对人才培养方案和专业教学体系进行了大刀阔斧的改革。毕业设计是高校本科人才培养计划中的最后一个环节，也是重要的实践教学环节。[1]对于工程应用性和工程实践性很强的专业而言，毕业设计的质量体现了学校的教学水平、教学质量和人才培养的能力[2][3]，直接展示了各高校“卓越工程师教育培养计划”的培养成果，是专业建设中不可忽视的重要环节。
一、土木工程专业毕业设计现存问题
毕业设计作为高等学校培养本科生的最后一个关键阶段，是高校理工科各专业实现其培养目标的重要实践教学环节，对强化学生专业知识、科学研究的基本训练、提高学生科研和工程实践能力具有不可替代的作用。[4]应用型高校土木工程专业学生在本科毕业后大都会走向工程一线，毕业设计作为他们在大学的最后一项学习任务，是总结、提高自身理论素养，训练工程素质，理论联系实际的枢纽。但是目前在应用型高校的土木工程毕业设计中还存在一些问题。
（一）设计题目与工程实践脱节
土木工程本科毕业设计选题一般分为房屋建筑、道路桥梁、岩土工程三个方向，内容以结构设计为主。而应用型高校学生本科毕业后多数都在施工、监理、勘测、造价单位担任施工管理、测绘勘察、造价计算等一线工作，工作内容与毕业设计关联性小，学生缺乏学习积极性。大多数学生的毕业设计选题相同或者类似，这无法发挥学生独立思考的优势，不利于学生创新能力的培养。[5]
（二）学生基础薄弱
由于应用型高校的学生在入校时基础较差，其就业导向和心理预期的就业岗位都是施工和造价岗位，他们对日常课程中设计类专业课和理论性强的课程重视程度不够。由于土木工程专业课程数量多、内容杂，学生对所学知识点的掌握比较分散、模糊，学生仅凭在课堂上所学的知识很难对工程设计有整体把握。[6]这导致学生在毕业设计过程中抄袭和造假，很多学生从网上下载他人的毕业设计，或者在设计过程中编造数据，没有用心进行结构设计和计算，这使得毕业设计失去锻炼意义。
（三）毕业设计安排不合理
土木工程专业毕业设计安排在大学第四年，学生在大四第一个学期要学习专业课，剩余的时间需要找工作，很难安心做设计。在大四第二学期，找到工作的学生需要去单位实习，没有找到工作的学生也要参加毕业实习。土木工程项目的特点就是持续时间长，不论房屋建筑还是道路桥梁项目，工期都是按年计算，用人单位接纳学生实习的目的要么是培养学生以后为自己所用，要么是直接让学生从事基础工作，弥补低级技术人员的空缺，學生在企业的实习期往往不低于六个月。学生为了获取就业优势，也愿意前往企业实习。但是由于应用型高校的学生很难进入设计单位，无法自主选题，毕业设计题目多为各指导教师模仿工程实际问题简化而来，并非来源于已完工的实体工程。加之学生的认知还停留在理论层面，对系统的设计思路不熟悉，因此，这样的毕业设计选题很难与工程实际紧密结合。[7]由于学生长期不在学校，教师无法进行有效指导，这导致很多学生都是毕业答辩前从单位请几个星期的假回到学校赶做毕业设计，这样的毕业设计质量没有保障。
二、基于BIM的毕业设计全过程改革
随着BIM（建筑信息模型）技术在建筑业的兴起，各高校土木工程专业课程体系围绕BIM开展了新一轮课程体系改革，这为解决毕业设计现存问题，进行毕业设计改革提供了新的思路。
（一）BIM概述
BIM是以三维数字技术为基础，集成建筑工程项目各种相关信息的工程数据模型，是对工程项目相关信息的详尽表达。[8]BIM技术直接建立三维立体模型，再根据立体模型生成平面图，软件使用者在交互界面的每一个操作都能同时影响二维图形与三维模型。模型建立后再引入时间的概念，构成4D模型可以模拟施工进度与施工过程，实现对工程的综合管理。[9]
BIM概念的推出引发了全球建筑业的技术革命，同时也引起了我国对建筑行业的重视。2015年6月住房和城乡建设部印发了推进建筑信息模型应用指导意见的通知（建质函[2015]159号）[10]，要求到2020年末勘察设计、施工、运营维护集成应用BIM的项目在国有资金投资为主的大中型建筑和申报绿色建筑的公共建筑及绿色生态示范小区中比率达到90%。
我国高等院校都在积极探索将BIM技术融入课程的教学改革。现在教学中最常用的方法就是将课程中的书面文字转换为生动立体的可交互式施工现场模拟场景[11]，在实践教学中让学生通过可视化的三维立体建筑信息模型，对建筑设计过程及施工现场环境产生直接深刻的感性认识。[12]
（二）毕业设计与教学体系的融合
土木工程专业房屋建筑方向毕业设计内容包括建筑设计和结构设计两部分。建筑设计的内容包括总平面图和建筑施工图，结构设计的内容包括结构施工图和计算书。计算书中需有建筑设计的概述和手算一榀框架的详细内容，包括梁、柱、楼板、楼梯、基础等承重构件的设计，以及手工计算结果与计算机计算结果的对比分析。毕业设计任务分解后，可以在毕业设计中添加更多与学生未来工作相关的内容。
在BIM技术全面应用于土木工程专业课程的背景下，考虑到毕业设计安排在大四导致的时间冲突问题，可以将毕业设计任务分解到相关的专业课程中，以毕业设计为驱动，将学生一步步引入到未来的就业方向中。现以房屋建筑方向为例，通过图1展示毕业设计任务分解后的流程图。
原有教学体系各专业课因为BIM技术的引入需要进行全面改革，为毕业设计任务分解布置到各学期专业课程中提供有利条件。在BIM技术融入课程体系的同时，将毕业设计分解为多个任务添加到学生的日常学习任务中，这与传统毕业设计模式大相径庭，因此需要通过教学实践进行验证与完善。现以湖南科技学院土木工程专业房屋建筑方向2012级为例，探索毕业设计结合BIM技术融入教学体系的实施途径。
（三）改革实践探索
湖南科技学院作为一所应用型公办地方本科高校，从2013年开始将BIM技术引入土木工程专业教学体系中。考虑到教学进度与学生的能力，我们将2012级学生划分专业方向，对房屋建筑方向的学生，在他们进入大学二年级之后布置毕业设计任务。
毕业设计任务书在大二第一学期的房屋建筑学课程上分发，学生先选择自己设计的题目，并分组确定指导教师。为了保证设计与未来工作可以有效衔接并具备技术含量，设计题目分为住宅、教学楼、办公楼、医院、图书馆、商住楼等类型，设计要求均为多层框架结构。
由于土木工程學生在大二还没有系统学习结构设计的内容，因此设计初始阶段的建筑方案需要指导教师评估结构的合理性。当房屋建筑学课程中平面设计内容讲授完后，任课教师指导学生使用BIM建模软件Revit绘制平面建筑方案。在指导教师认可建筑方案的合理性与可行性后，学生结合房屋建筑学课程上剖面和立面设计的知识，建立三维的建筑模型，在三维建筑模型周边添加树木、道路和周边建筑简易模型，再以此为基础绘制总平面图，并生成建筑图纸。
软件自动生成的图纸往往存在大量错误，不符合我国制图规范要求，而学生虽然学习过制图课程，但由于经验欠缺，难以做到理论联系实际。所以，首先房屋建筑学授课教师要在课程设计上向各班学生讲解自动生成图纸的常见错误和工程实践中建筑施工图的要求。然后由学生将图纸修改后先交给毕业设计指导教师审阅，再把根据指导教师意见修改后的图纸作为房屋建筑学课程设计作业交给任课教师批改。与传统的房屋建筑学课程设计中教师收作业、判定成绩后就结束课程的模式不同，任课教师在批改后还需将最终意见反馈给学生和指导教师，由指导教师监督学生在最后的毕业设计中将建筑施工图中存在的问题改正。这样学生在大学二就基本完成了毕业设计的建筑设计部分。建筑设计确定后，在大二其他专业课程的学习中，学生会主动思考课程与当前设计的联系。
学生进入大学三上学期后，可以以房屋建筑学设计的建筑模型为基础，随着结构设计课程的进展，检查自己的建筑设计是否合理。同时授课教师要教学生根据建筑施工图和建筑模型，使用结构分析软件PKPM建立结构模型并进行计算分析，根据结构计算结果，继续使用Revit调整BIM模型中的梁、柱、板尺寸数据，使其与结构计算一致，并添加钢筋和混凝土数据进入模型，并绘制结构施工图。
在结构设计的课程设计中，由授课教师指导学生在建筑模型中选取一榀框架进行手工计算，并及时反馈计算中存在的问题和错误，让学生在课程设计中予以改正。在学生结束课程设计后，毕业设计指导教师再指导学生对手算和计算机分析的结果进行对比，让学生思考结构优化的可行性，并督促学生将BIM模型与结构设计结果保持匹配。
大三下学期的专业课程与工程实践联系最紧密，此时毕业设计的建筑部分和结构部分都已经完成，学生可以将完整的BIM模型运用于专业课程中，并在各专业课程教师的指导下，结合个人的毕业设计进行课程设计。在土木工程施工和工程监理课程中，学生使用Navisworks模拟施工过程，安排施工进度，检查设计模型构件是否存在碰撞冲突，进而在课程设计中编写施工组织设计和监理实施细则。在工程经济学课程上学生学习使用鲁班、广联达等造价软件，直接读取BIM模型，这样就可以自动生成工程量，再套入软件中的定额，就可得出工程造价，然后在课程设计中编制施工图预算文件。
学生进入大四后，由于设计的内容已经基本完成，这样学生有充足的时间去找工作和实习。而且通过日常学习，学生已经掌握了毕业设计的流程与要点，指导教师可以通过网络，根据学生就业意向和实习岗位，安排学生选择施工组织设计、监理实施细则和施工图预算中的一项添加到毕业设计计算书中，并对计算书进行批阅，形成一个完整的毕业设计。学生在毕业实习中根据自己的切身体会，在指导教师的引导下，反思毕业设计中存在的问题，对已经完成的内容进行整合与深化，这能使他们的毕业设计更具有工程实践价值。
当2012级房屋建筑方向学生在2016年参与毕业答辩时，他们一个人完成的设计内容相当于往届土木工程专业和工程管理专业两个学生的毕业设计，包含了一栋建筑的总平面图、建筑施工图、结构施工图、一榀框架手算计算书，以及施工组织设计或监理实施细则或施工图预算，设计完成度和正确率远高于往届学生，整体成绩良好率提升了30%。
三、结语
以毕业设计为导向，结合不同专业课程对BIM软件的运用，将毕业设计的内容分解到相关专业课程中完成，让教学内容具有连贯性和继承性，能提升日常教学质量和毕业设计水平，学生的日常学习可以有的放矢。如果在进入大四之前就完成了毕业设计的主要内容，大四学年学生就可以从容安排时间，这既提高了毕业设计质量，也增加了学生日常学习的积极性。这一改革方向贴合应用型高校土木工程专业现状，值得在未来继续深入探索研究。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 王英，李文婷，朱美春. 土木工程专业毕业设计中学生能力培养的探索与实践[J].大学教育，2016（9）：135-136.
[2] 张晋元，芦燕，韩庆华. 土木工程专业本科毕业设计创新与实践[J]. 高等建筑教育，2016（1）：162-166.
[3] 唐红元，刘保县.土木工程专业毕业设计教学存在的问题及对策[J].高等教育研究，2011（4）： 114-117.
[4] 饶凌平，丁坚勇，胡钋.本科毕业设计与科研和工程实践密切结合的探索性实践[J].大学教育，2015（11）：36-38.
[5] 易富，张二军，赵文华.基于毕业去向的土木工程专业毕业设计改革与实践[J].大学教育，2014（11）：19-21.
[6] 盛黎.面向施工岗位的土木工程专业毕业设计改革实践[J].浙江树人大学学报（自然科学版），2016（1）：66-68.
[7] 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（2）：134-138.
[8] 齐岳，张俊华，赵文军.结合BIM技术的房屋建筑学课程改革探讨[J].高等建筑教育，2014（6）：147-149.
[9] 李久林.大型施工总承包工程BIM技术研究与引用[M].北京：中国建筑工业出版社，2014：22.
[10] 中华人民共和国住房和城乡建设部.关于推进建筑信息模型应用的指导意见[EB/OL].http：//www.mohurd.gov.cn/wjfb/201507/t20150701_222741.html.2016-06-05.
[11] 钟炜，张馨文，姜腾腾. BIM仿真在工程项目管理课程教学改革中的应用研究[J].土木建筑工程信息技术，2013（6）：7-11，34.
[12] 王芳，张志强.融合BIM技术的应用型土木工程专业实践教学平台的优化与应用[J].高等建筑教育，2016（1）：155-157.
[责任编辑：陈 明]
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