地铁车站工程施工改革研究

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引言

“地铁车站工程施工”是轨道交通工程专业的核心专业课程，包括：概述、明挖法施工、盖挖法施工、浅埋暗挖法施工、施工质量安全管控5个模块。课程目标是：通过教学与实训，使学生掌握地铁车站工程涉及的施工技术和方法，具备地铁车站工程施工组织、管理和质量控制的能力；形成良好的思维习惯、工作方法和科学态度；能独立思考、钻研探索，善于组织团队，团结协作；树立创新和终生学习的意识，在未来岗位上有能力进一步学习新技术，解决新问题。BIM（建筑信息模型）是将建筑工程设计信息转化为三维可视化模型，并嵌入设计、建造和运营管理中涉及到的各类信息，实现在项目建设、运营全周期过程中项目参与方之间高效协同与管理的信息化技术[2]。近年来，在政策的大力引导下，BIM技术在各类工程建设项目中得到了广泛的应用。如何将生产中的新技术引入课堂教学，提升教学质量，为行业培养熟练掌握运用新技术的高质量人才，是高等职业教育的重要课题。以“地铁车站工程施工”课程为例，分析了常规教学、实训中的不足，研究探讨了BIM与土建类专业课程教学融合的优点和教学改革实施路径。

一、“地铁车站工程施工”课程常规教学实训中的不足

地铁车站工程施工是一门综合性、实践性很强的课程，常规的教学、实训过程存在以下不足[1]。

1.学生代入感不足。常规教学中，通过图片、视频等多媒体手段，帮助学生熟悉工程现场，并设置任务、问答、讨论、汇报等环节，引导学生代入实际工程情境，但课堂环境和实际工程仍然有较大差别，代入感不足导致内驱力不足，大部分同学仍然处于被动接受的状态，对知识的掌握和理解运用仍停留在文字概念层面。因此，目前常规教学方式，在培养学生施工组织、管理等综合能力方面，效果尚不尽人意。

2.实训教学困难。实践是将理论知识转化为能力的重要途径，实训是学生在学校学习阶段的实践，也是职业教育的一大特色。对于地铁车站工程施工这门课程，由于工程的建设周期长，工程量大，受教学时间和经费的限制，学生难以通过参观学习，接触建设工程全周期的施工内容；同时，考虑到安全因素，学生的现场学习仅限于参观，不能动手实践，施工现场的实习效果不佳。导致了实训周安排的实际工程案例，难以达到预期的效果。BIM技术具有可视化、模拟仿真、多人协同等特点，为解决上述“地铁车站工程施工”课程教学和实训中的不足提供了全新的技术手段。

二、基于BIM的土建类课程教学改革现状

BIM，建筑信息模型（BuildingInformationModeling）的思想源于EASTMAN在20世纪70年代提出的“基于计算机的三维建筑绘图”。美国BIM标准，将BIM定义为设施物理和功能特征的虚拟或数字表示，其中，物理特征包括建筑设计或施工图，功能特征包括结构分析、施工过程模拟等[2]。BIM技术进入我国后，其内涵由BuildingInformationModeling进一步扩展为BuildingInformationManagement，即由工程项目设施的全过程数字化表达，进一步扩展至基于工程项目设施数字化表达的全过程管理。2011年住房和城乡建设部印发的《2011-2015年建筑业信息化发展纲要》首次在国家行政主管层面提及BIM，纲要将BIM作为建筑企业信息化系统的重要组成部分，加速推动“十二五”期间建筑业信息化建设。国家十四五建筑业发展规划，提出了以推动智能建造与新型建筑工业化协同发展为动力，推动建筑业绿色高质量发展这一主题，而BIM技术则是其中标准化和数字化的基础。从“十二五”到“十四五”，从最初的信息化试点到成熟的标准、产业、人才三维体系建设，BIM已然成为建筑业数字化发展的核心[3]。围绕人才培养，BIM的教学改革实践大致分为两类，一类是针对BIM技能培养，增设相关专业或课程，这方面主要结合“1+X”BIM证书制度，以培养高质量的、专业性强的BIM技术应用型人才为目标[4]；第二类则是在传统专业技术课程中探索融入BIM元素，提升教学质量。这类改革实践目前尚处于探索阶段，以“工程识图”[2]和“工程概预算”[5]居多。齐东春等[6]针对“桥梁工程”结构体系多样、构造复杂的教学特点，提出了基于BIM技术的三维模拟情景教学法。张天龙等[7]探讨了BIM技术在城市地下空间工程实践教学中的应用。叶剑标等[8]分析了将BIM纳入高职院校土建类专业课程体系遇到的问题，并讨论了改革方法。

三、“地铁车站工程施工”课程中融入BIM的优点分析

能力培养是专业课的关键目标。常规施工课程教学主要是文字概念，能力培养效果不佳，将BIM融入专业课程，通过合理设计教学内容，可有效提升教学效果，具体优点分析如下。

（一）创造虚拟仿真环境，提高学生自我学习驱动力

BIM虚拟建造技术，是在传统BIM3D模型的基础上增加时间维度（BIM4D），即采用施工进度信息驱动相应三维模型的显示、消失、变换等状态，从而在虚拟空间模拟工程的建造过程。采用BIM虚拟建造技术对工程施工过程进行动态、交互式的可视化模拟，有助于管理人员提前发现施工中可能遇到的问题，并提前优化施工组织，制定应对措施，为大型复杂工程的顺利完工，提供了新的管理模式和方法[9]。BIM虚拟建造技术为传统施工技术类课程的教学，提供了全新的技术手段。以“地铁车站工程施工”课程为例：一方面，可采用BIM技术创造虚拟仿真的工程环境，解决目前实训教学困难的问题。例如：可通过建立车站主体结构三维模型，结合虚拟漫游，帮助学生更好认知地铁车站结构；结合具体案例，建立工程周边环境、地下管线三维可视化模型，帮助学生更好认知城市环境下地铁车站工程施工的特点；通过工程案例的BIM4D模拟，帮助学生直观地认知地铁施工的全过程。另一方面，可通过布置相关工程任务，让学生以项目技术管理人员的角色在虚拟仿真工程环境下完成该任务，从而将被动学习改为主动探索，解决目前教学中，教多练少，学生代入感不足的问题。例如，提供场地环境、设计图纸和施工临设的3D素材，让学生分组进行场地布置、管线改迁、支护施工、土方开挖、主体结构施工等方案以及工程施工组织任务的编制等。

（二）巩固强化学生基本职业技能

以识图能力为例：识图是基础而重要的施工技术能力，实践教学中发现，尽管学生在一年级已经学习了“工程识图”专业基础课，但仍有相当部分学生看图慢，看图难，究其原因，是缺乏动手实践。因此，在“地铁车站工程施工”课程中引入BIM：一方面，在授课阶段，充分利用BIM三维可视化建模以及模型切割、隐藏、多视角浏览等功能，帮助学生快速理解地铁车站的主体结构、关键节点、构件的二维CAD施工图纸；另一方面，通过翻转课堂的方式，学生分小组协同，并根据下发的二维CAD施工图纸，建立BIM三维模型，从而巩固强化学生的识图能力。实践表面，在对车站结构构成、梁板柱主体以及关键节点钢筋绑扎、防水节点大样，等涉及工程识图能力的知识点授课中，融入BIM以及翻转课堂的授课方式后，学生的学习兴趣和学习效果均有大幅提升。（三）拓展提升学生综合能力以工程施工管理和组织协调能力为例：对于分项工程施工技术的授课，在传统课堂讲解和示例演示视频的基础上，建立BIM虚拟施工环境，采用翻转课堂的形式，安排学生根据提供的设备、临设、建构筑物等素材，进行场地布置、复现施工关键步骤，对比优化施工方案，进而编制施工进度计划，并利用3D演示和动画等方式，进行施工交底。利用BIM将抽象的施工技术要点、注意事项，变为案例演练，切实提升学生的施工管理和组织协调能力。

四、基于BIM的“地铁车站工程施工”课程教学改革路径

BIM及虚拟建造技术为提升地铁车站工程施工课程的教学提供了全新的技术支撑，将BIM融入地铁车站工程施工课程的教学，可采取以下路径措施。

（一）加强师资队伍建设

专业课融入BIM教学改革尚处于探索阶段，专业课老师往往对BIM技术的策划、应用能力不足。针对这一问题，建议采取以下措施：第一，组织专业课老师参加专项BIM培训，提高专业课老师对BIM技术的认识，使专业课老师具备应用既有BIM资源库进行授课的能力；第二推荐优秀教师到企业顶岗锻炼，在企业生产实战中磨炼BIM策划、协同和应用能力，搜集生产一线的典型案例，丰富课堂教学素材库；第三鼓励新老教师搭班结对。老教师具备丰富的课程建设和授课经验，年轻教师则具备更强的新技术学习能力，二者优势互补，有利于更好地打磨提升BIM与专业课融合；第四，从制度层面加强激励和引导，增大BIM相关教改项目的支持力度，鼓励老师探索多样化的融合教学方式、对引入BIM进行专业课授课的教师，在工作量认定方面给予额外奖励等等。

（二）加强学生BIM能力基础建设

学院BIM技术课程为选修课，且第一年专业基础课中BIM元素较少，导致学生BIM能力参差不齐，阻碍了课程任务布置。针对这一问题，可采取以下措施：第一，对新生开展BIM技术认知讲座，通过行业发展、前沿应用、就业前景等多方面介绍，激发学生的学习兴趣；第二，成立学生兴趣团体，逐步形成学生“老带新”梯队，为社团成员提供各类比赛的备赛指导，以及到企业一线生产实习的实践机会；第三，从学科建设的层面，循序渐进，逐年加大专业基础课中BIM相关知识和应用点的比例，夯实学生BIM技能基础。

（三）加强课程内容建设

课程内容的建设，不仅要将BIM模型、BIM演示等素材融入现有课程的授课中，还应以学生能力培养为中心，逐步增加任务导向的教学内容：一方面，以巩固课程知识，强化学习效果为目标，进行课程BIM任务的设计。这类任务建模精度不需要太高，一般在LOD100～200之间，随堂任务可提供基础的族库素材，让学生直接进行模型调取和空间的摆放，以缩短不必要的建模时间。例如，在地铁车站构成与施工技术概述授课中，布置车站构成的建模任务，强化学生对相关构筑物和空间位置分布的印象；围护结构施工授课中，要求学生在虚拟空间中再现各关键施工步骤。另一方面，以BIM为纽带，纵向拓展理论和工程实践相关知识，横向拓展工程识图、成本概算等其他专业课的相关知识，设计具体任务，以达到锻炼学生举一反三、融会贯通，解决工程实际问题的能力，这类任务耗时较长，一般以大作业的形式，让学生在课后完成。例如：在钢筋工程的授课中，要求学生完成地铁车站结构梁板柱钢筋深化模型，并对节点进行碰撞检测和钢筋布置优化；在盖挖法实例课后，布置学生具体工程案例的虚拟建造和工程量计算的任务。

（四）优化课堂教学中“教”与“练”的比重

在课堂教学的侧重上，应更多从“教”向“练”侧重。在授课方面，通过借助多媒体和BIM技术，加快学生对原本枯燥抽象的概念知识的理解，从而缩短“教”的时间；同时，一些知识点也可采用学生课后自学+课堂汇报或测验的形式，从而在锻炼学生自学能力的同时压缩“教”的时间。在练习实践方面，提升翻转课堂教学的比例，在讲授知识点后马上让学生随堂练习和汇报，可极大强化学生对知识点的记忆和理解，巩固教学效果；同时，布置较为复杂的综合性案例实践任务，如采用BIM虚拟建造技术进行施工方案比选，学生分组课后完成，并在课堂上答辩。

（五）运用PDCA循环持续改进优化教学内容和改革措施

BIM与地铁车站工程施工专业课程教学的融合，并非一蹴而就，需要在探索中不断改进。在落实推进上述各项改革措施的过程中，引入“PDCA”循环的工作方法，即Plan（计划）、Do（执行）、Check（检验）和Act（改进）：在师资队伍建设和学生BIM能力基础建设方面，可采用访谈、问卷调查等方式检验既有改革措施的实施效果，在课程内容建设和课堂教学方式的优化方面，可采用随堂测试和学生访谈等方式检验教学效果，及时总结检验发现问题，并制定相应方案积极落实改进。通过不断重复上述循环，持续、高效地推进教学内容改进和改革措施优化。