基于BIM技术的水利类专业复合型应用人才培养研究
杰德尔别克·马迪尼叶提 严新军 晋强 林丽
摘 要：水利类专业院校主要培养水利工程通用的基本技能与专业能力，并培养出具有创新精神的高级工程技术人才。对于不断加速的工程领域现代化持续发展而言，就必须培育适应新时期建设行业的水利类创新人才。BIM技术目前在多个领域广泛使用，但在水利行业应用缓慢，在相关的大部分高校也未开设有关的课程。作为新疆地区重点培养应用型人才的高校，新疆农业大学重视并不断改革人才培养体系，强化信息化教学，一直在探索BIM技术与专业充分融合的方法与培养BIM技术复合型人才的有效路径。文章以新疆农业大学水利水电工程专业为例，通过一系列的教学改革，形成了一套BIM技术应用与教学框架，可为同类专业改革提供参考。
关键词：BIM技术;水利工程;课程体系;人才培养;专题设计
中图分类号：G642;TV61? ? ?文献标志码：A? ? ? ? ? 文章编号：1673-8454（2021）06-0072-05
一、引言
信息时代的到来，创新了工程建设行业的发展，改变了建设项目的实施和管理，已成为不可逆转的行业发展方向[1-3]。BIM（建筑信息模型）技术是近年来新兴的工程技术，由于其可视化、精确化、模拟性及精确管理等优势，在工程领域应用日趋广泛，并在设计、施工模拟、碰撞检测及智慧管理等方面带来高效率的工作[4][5]，BIM技术水利工程中的应用虽然还不算成熟，但对于BIM技术应用型人才的需求日益增加且不断提高。高校作为培养人才的主要基地，承担着向社会培养BIM技术相关人才的重任[6][7]。目前，传统的人才培养方案和课程体系已经无法满足现代水利工程相关单位的要求，主要表现在传统课程体系开设单一、理论课程较多、没有进行知识的复合、数字资源的缺乏等多方面[8][9]。高校应致力于培养具备水利工程全寿命周期的项目设计、施工、管理的BIM技术应用能力的高素质技术人才，甚至是多学科交叉型的专业人才。发达国家在教学中应用BIM技术较为成熟，如美国亚利桑那州立大学（ASU）在大一到大四部分的课程中植入BIM技术，并进行BIM 技术软件的培训，使学生对BIM 有全方位的运用与了解。国内部分高校也做出了创新性的教学改革，如河海大学苏静波等把BIM技术引入《水利工程制图》课程当中，进一步加强学生的三维建模能力和结构认识能力[8][10];天津大学白学海等提出了构建“BIM+VR教学应用平台”的理念[11][12];华北水利水电大学谷智炜等提出了BIM技术与工程造价专业课程体系的衔接方法[13][14]。水利类专业培养体系跟其他工程类专业有一定的区别，目前植入BIM技术或衔接BIM技术的方法极少。将BIM 技术融入到教学中，尤其是引入到专业课程、毕业设计及课程设计等方面，和传统教学模式结合在一起，有利于进一步提升本科教育水平，能够解决传统教学模式中存在的众多问题，也为高校人才培养方式增加了更多可能性[15]。
本文以此为背景，通过市场调研，总结了新疆农业大学水利水电工程专业教学方面的问题，探索全新的课程体系建设，摸索出一套培养BIM技术复合型人才的有效方法，并指出亟待解决的关键问题，以使水利学院能培养出真正的社会亟需的有用人才。基于BIM技术开展水利类专业复合型应用人才培养的研究，对于水利类专业人才培养的发展具有重要的理论及现实意义。
二、水利类专业传统教学方式的局限性
1.侧重于二维展示
从目前大部分工科类高校情况来看，CAD辅助设计技术的应用较为成熟，即通过二维的模型展示三维模型，但即便可以熟练应用CAD，与水利水电工程专业仍然有一点脱节，同时这种教学模式中学生也无法深刻理解和学习到BIM技术[16][17]，缺乏整个建筑物或枢纽的整体性，不能详细和全面地提供建筑结构的设计模型和具体参数，有些复杂的水工建筑物用二维的方式展现内容，缺乏直观性和形象感，学生很难理解构造原理和设计原理，会影响学生学习兴趣，难以达到预估的学习效果。
2.信息化协调水平不高
目前通过CAD所绘制的图形弊端越来越明显，主要体现在可视化及信息化程度不高、无关联性等方面[18]，在CAD 绘图中，只要修改某一图中的图形，就需要手动改正所对应的其他平面图、立面图、大详图中的相关信息，或者修改其中一个区域，就需要对多个图相应位置重新修改，对于水利工程这样的复杂工程而言，学生在毕业设计或课程设计中所绘制的施工图纸往往比其他工程多，该工作模式大大增加了不必要的工作量和后期修改的复杂性。
3.与其他课程联系不够紧密
目前所上的CAD类课程及其他课程之间没有明显的联系，CAD课程只是传授软件的操作，学生无法深刻理解其与以后专业课程的关系，难以理解所绘制的水工建筑物或者某构件的构造原理和设计原理[19][20]，也不太清楚对整个培养模式的逻辑关系。教师在完成教学内容的过程中，为了达到课时要求，通常会侧重于概念的讲解，缺乏实际的应用，意味着学生可能感受不到所学知识的价值与其他课程的联系。BIM技术的应用不是学习软件就可以解决问题，而是要通过一系列软件的学习和专业知识的应用，学生会建立在全生命周期中BIM技术应用的整体框架和管理模式，同时要求学生把BIM技术应用作为一种新技术、新的工作流程來对待，这就需要将BIM技术与更多的课程联系起来。
三、BIM技术应用于水利工程教学中的优势
BIM技术的出现，为水利行业带来了多方面的机遇和挑战，很多企业在原有的传统工作模式、业务范围及应用技术上，向新领域、新科技发展，更何况在大部分水资源已开发利用、水利相关项目越来越紧缩的背景下，大部分企业都在寻找能带来更多价值的创新型人才。水利水电工程是以培养掌握中小型水利工程设计能力、施工技术应用能力、水利工程运行管理能力为核心的高级技术应用型人才为目标的专业。但是通过原有的培养模式培养学生，很难培养出BIM专业应用人才，同时BIM人才的短缺也制约了BIM技术在水利工程全生命周期中的应用与推广。
BIM技术具有信息集成性、可视化、模拟性、优化性、共享性等众多特点， 对于教学环节而言，其可视化、模拟性、优化性的特点具有明显的优势。学生通过BIM相关的软件进行三维翻模，一般常用的基本构件如门、窗、柱、梁、板、楼梯等软件中都包含，对于水工建筑物等异形形状的绘制可能没有所引用的模型，这种情况下大部分软件都有相应的模块来创建异性构件，如Revit软件标准族等。通过三维建模，学生可在创建的过程中掌握设计内容和方法，这样一方面可以提高学生的创新能力，也就是根据自身的理解和规范要求，大胆地去创建各种模型;另一方面可以提高空间想象力，进一步了解各个组成构件。在建模的基础上，学生可以进一步应用BIM相关软件来达到更好的效果，如把所创建的厂房上部结构模型应用在相关的结构计算软件中（如Midas软件），可以进行结构计算和配筋，若发现弯矩等参数过大，可以进一步优化或缩小有关尺寸，还可以把参数化模型导入施工模拟软件中进行施工环境模拟和进度模拟。
通过对工程相关单位企业深入调研，所归纳的主要BIM技术相关职位有BIM技术参数化设计师、BIM技术协调员、BIM技术开发人员、BIM技术施工现场观察员及软件产品经理等多方向，主要体现在工程绘图能力、生产和施工技术应用能力、信息化管理能力、工程计划及结算能力等方面。通过对学生培养上述的BIM技术重要特点，其可以基本胜任以上几个相关职位的需求。通过系统的BIM技术学习，学生可以对水利工程项目全生命周期有清晰的了解，并弥补不足的专业知识。
四、BIM技术在实践教学中的实现
新疆农业大学水利与土木工程学院在建设国家重点学科水利水电工程中，结合水利工程信息化发展，立项BIM技术应用复合型人才的专项课题，开始组织相关课程的开设，并不断研究现有的课程、毕业设计、课程设计与BIM技术衔接的方法。通过改革，有效提高了水利水电工程基础教学的科学性和系统性，并取得了显著效果：学院已开设一门《BIM技术应用基础》专业选修课程，报名人数已超过100人;从2019年年底开始组织学生参与各项不同等级的BIM相关科技竞赛，如“首届全国水利行业BIM应用大赛”“第六届全国高校BIM毕业设计大赛”等;在2020届毕业设计中成功应用了BIM技术;同时学院2019年年底通过新疆科技厅批复，成功建立了“新疆BIM及装配式工程技术研究中心”，为后期BIM技术人才培养和BIM技术的推广奠定了良好基础。
1.植入BIM技术的水利水电工程专业课程体系
根据水利行业未来发展趋势及现有的人才需求，学院对课程体系的优化及BIM技术的植入进行了一系列的探索。对于缺乏关联性的专业理论课程和课程设计，发挥BIM技术显著的作用，将其贯穿水利工程从概念设计、施工运营、竣工验收直到运营维护的建设项目的全生命周期。要把BIM技术融入到原有的课程体系中，形成有效的教学体系，需要在开设的各种专业基础课程和专业课程中融入BIM技术相关内容，同时也需要开设BIM技术软件实操课程，但根据目前大多数院校的教学方案来看，经过多年的实施优化已完善，没有更多的學时来学习BIM技术，因此需要合理协调，抓重点内容来学习。
学院最初以兴趣小组的形式开设了一门BIM技术的基础应用课程，报名人数已超过100人，同时申请了一门10学时的公共选修课程，但是由于学习内容不系统、涵盖面窄，学生学到的内容有限，通过一系列的摸底和研究，目前在课程体系中单独增加了一门32学时的专业选修课程，主授Autodesk公司Revit软件（学生版）建筑、结构、机电（管道）建模技巧、Dynamo参数化编程建模及Navisworks施工模拟和碰撞检测技术等内容。课程内容以某实际项目为准来进行授课，由于选课学生主要来自土木和水利两个方向，学习侧重点有所不同，教学内容也分两大块来讲解，分别是Revit软件为主的某幼儿园建筑、结构、机电模型实战操作，和Revit、Dynamo、Navisworks为主的某重力坝结构、机电模型实战操作，重点培养学生的设计能力、建模识图能力以及施工组织设计能力等。
2.BIM技术与现有课程的衔接
BIM技术与现有的课程相结合，需要本专业相关课程教师相互配合，将水利水电工程相关专业知识与BIM技术链接起来，形成一套系统的教学模式，让学生能够很好地将这些知识融会贯通，真正学到有用的知识。但由于缺乏雄厚的师资力量、没有合适的教学资料以及不熟练BIM技术系列软件等原因，施行起来难度比较大。在这样的现实条件下，学院根据实际情况主要探索总结了以下方法：
（1）水利水电工程专业主要的核心课程包括《水工建筑物》《水电站》《水利工程施工》及《水工钢筋混凝土结构》等，在授课过程中，可以适当调整课程内容，引用BIM技术来辅助教学，一般计算模型与自己所构思的模型之间存在一定的差异，而BIM技术所创建的模型中涵盖各种信息，并且能够进一步完成复杂分析和计算，因此教师可以利用BIM技术来展示整个过程的演变，巩固和关联实际建筑物和模型之间的关系，同时制作建筑物施工动态演示来展示整个枢纽或者建筑物的施工顺序、施工组织设计和水流模拟，并且利用毕业设计、课程设计中学生所做的成果也能达到一定的效果，因此也是一个循环渐进的过程。图1是在课堂当中所展示的案例教学成果，包括施工顺序模拟和虚拟漫游。
（2）学院通过机房的改造，在《计算机辅助设计实验》《水工CAD》等必修课程中，引入了Revit软件的教学内容，在大一授《计算机辅助设计实验》课程时，介绍BIM技术的理论知识，结合一些工程案例激发学生的兴趣，同时授简单建筑物的建筑和结构模型构建等内容（8学时），这种学习模式对后期的BIM技术应用带来许多益处。在大二《水工CAD》课程中，深入学习BIM技术的应用，尤其是在大坝参数化设计、工程量统计以及动态演示方面（8学时），充分培养学生动手能力和BIM技术应用能力，同时为在后期的毕业设计、课程设计中应用BIM技术做好充分准备。图2是学生所创建的参数化模型。
3.BIM技术与毕业设计的衔接
把BIM技术融入到毕业设计中，可以加深学生对专业知识的认识与应用，有效提高其综合实践能力和学习能力，同时也可以改变水利水电工程专业毕业设计脱离工程实际的现状，为将来从事BIM技术相关工作奠定基础。但是对于没有接触过BIM技术的学生来讲，直接应用有一定的难度和门槛，主要是因为过程中涉及的软件较多，应用知识体系庞杂，同时应遵循一定的规律等。因此需要制定详细的毕业设计组织计划，尤其在前期的培养过程中融入好BIM技术相关知识，要具备一定的软件操作技能，分配任务后展开建模、算量、投标报价、虚拟建造等一系列工作，采用一体化协同设计方案，可以有效系统地整合水利水电工程专业本科四年所学课程。我院通过一系列研究，在毕业设计改革方面取得了显著成果，在2020届本科毕业设计中采用BIM团队协同设计与合作方案，以多个设计专题为主，成功地进行了以BIM技术为主的毕业设计全过程，既培养了学生团队合作精神，又提高了设计效率与质量，逐步形成了水利水电工程“专业知识+BIM 技能”的复合型人才培养体系。图3是学生在毕业设计阶段完成的三维透视图和二维施工图图纸。
图3所设计的是当地比较典型的一座水电站，电站主要由引水渠道、压力前池、压力管道、电站厂房及尾水渠组成，所有学生前期都会参与水能计算、装机容量确定、主厂房布置、压力前池和管道设计等内容，但由于所涉及的设计范围不一致，同时其中每个学生专题设计内容不一致，根据学生目前所掌握的BIM技术应用情况来看，划分了十项专题内容。专题既有各专业模型搭建的逆向设计过程，又有结构计算、优化结构等正向设计内容，同时考虑到以后到施工单位就业的学生，也融入了施工有关的专题设计。在专题设计过程中，鼓励学生采用不同软件操作验证和比较各项设计内容的准确性和优化效果。详细划分情况如图4所示。
4.其他方面
在课程体系中实践复合型应用人才培养的基础上，根据不同年级的知识结构特点，依托大学生创新项目和全国举办的各类科技创新竞赛，培养学生的创新能力，使学生在实践中锻炼多学科交叉的创新思维和解决实际工程问题的基本技能。学院与外企合作建立了实习基地，充分利用建设基地服务条件，进一步培养BIM技术应用实践能力，同时学院多措并举，多次邀请BIM 技术应用经验丰富的企业来学院或以在线的形式开展学习交流活动，不同层次的BIM技术应用成果在院内得以呈现，进一步提高学生的兴趣与技术水平，达到了提升教学水平与培养人才的目的。同时鼓励教师多次参加与BIM技术有关的研讨会、培训班，提高了学院本身的师资队伍力量。
在研究生培养方面，近几年依托横向课题已培养多个BIM技术应用方面的人才，主要研究参数化建模过程、轻量化引擎应用与二次开发、Revit软件二次开发及复杂施工过程展示等方面，尤其在Revit二次开发方面，根据企业要求开发出了一整套渠系建筑物稳定计算和水力计算插件，并应用在实际工程当中。在应用型本科教育的推进和转型中，学院既提升了学生的应用型技能，又培养了社会亟需的BIM技术应用人才，将BIM技术的优势发挥到了最大化，从而实现了教学效果与提供经验的目的。
本文通过多方面的分析，提出了植入BIM 技术的课程体系教学模式，将BIM 技术融入水利工程教学实践中，与传统教学方法相结合，可以改变学生对水利工程建筑、设计、施工等相关因素的理解，不仅大大提升了实践教学水平与教学效果，学生还可以真正了解BIM 技术在实践中的核心建筑信息共享的优越性，为培养出更具备综合能力的BIM技术应用型人才提供基础，为同类专业的教学与培养方式改革提供参考。
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（编辑：鲁利瑞）
