秦衛(wèi)紅，姚一鳴，張志強，徐 照，陸金鈺

(東南大學 土木工程學院，江蘇 南京 211189)

新型建筑業(yè)通過信息技術驅動，以工程全壽命期系統(tǒng)化集成設計、精益化生產(chǎn)施工為主要手段，整合工程全產(chǎn)業(yè)鏈、價值鏈和創(chuàng)新鏈，實現(xiàn)了工程建設的高效益、高質量、低消耗、低排放。這不僅對從業(yè)人員知識體系的數(shù)字化、智能化和集成化提出了新要求，也對高校人才培養(yǎng)提出了更高要求：如何在保障基礎知識掌握上，培育學生綜合應用的能力和掌握信息數(shù)字技術的能力。

畢業(yè)設計是大學生集成化培養(yǎng)的一個重要環(huán)節(jié)。隨著社會對人才多樣化要求的提高，高等教育開始向多樣化發(fā)展方向推動，多學科交叉人才培養(yǎng)的教學改革已成為研究熱點之一。多學科交叉畢業(yè)設計教學模式突破了專業(yè)限制，從科學關注的實際問題出發(fā)，利用各專業(yè)學生的專業(yè)技能，以團隊合作形式進行畢業(yè)設計，是對多學科交叉人才培養(yǎng)模式的延伸和拓展。

土木工程作為一門涉及多學科、多領域的綜合性學科，開展土木工程聯(lián)合畢業(yè)設計教學已成為主流發(fā)展趨勢。當前已有不少高校開展了聯(lián)合畢業(yè)設計的教學試點，然而都存在以下幾個關鍵問題：畢業(yè)設計時間有限，無法將多個專業(yè)有效融合，更多為幾個專業(yè)的簡單拼湊；不同專業(yè)學生之間溝通較少，缺少協(xié)作平臺，無法形成有效的團隊合作。因此，聯(lián)合畢業(yè)設計需要運用科學合理的指導管理方法，對課題選擇、團隊組成、實施過程等多方面進行改革。本文以東南大學土木工程專業(yè)畢業(yè)設計為例，以多學科交叉聯(lián)合畢業(yè)設計為教學模式，進行了相應的教學實踐案例探索。

一、土木工程聯(lián)合畢業(yè)設計教學模式探索的意義

(一)培養(yǎng)土木工程復合型人才的需要

早在 2007 年英國皇家工程院(RAE)發(fā)布的《Educating Engineers for 21st Century》中就曾指出，工程師應當扮演三種不同卻又相互關聯(lián)的角色：具有專業(yè)知識的技術專家；能夠在復雜環(huán)境中跨邊界工作的復合人才；具有創(chuàng)新精神和領導能力的挑戰(zhàn)者。《住房和城鄉(xiāng)建設部等部門關于加快新型建筑工業(yè)化發(fā)展的若干意見》(建標規(guī)〔2020〕8號)中指出，應加強系統(tǒng)化集成設計，推動全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同，加快信息技術融合發(fā)展。重點指出通過數(shù)字化設計手段推進建筑、結構、設備管線、裝修等多專業(yè)一體化集成設計，促進多專業(yè)協(xié)同，提高建筑整體性。如今，土木工程正朝著超大跨、超高層方向發(fā)展，多專業(yè)協(xié)同要求增強、多學科交融增加。土木工程作為一個系統(tǒng)工程，是由多個處于不同環(huán)節(jié)、職能的專業(yè)協(xié)同完成，彼此相互依存，只有各專業(yè)的高效有機配合，才能較好地完成具體高尖項目工程。這就要求在對土木工程學生培養(yǎng)過程中，不僅加強專業(yè)基礎知識的學習，同時還要具備一整套綜合能力，包括高效的人際交往、團隊意識與協(xié)作能力等。

(二)解決當前畢業(yè)設計題目類型單一、學科彼此割裂的有效途徑之一

傳統(tǒng)的土木類專業(yè)畢業(yè)設計題目通常由教師給定，一人一題，題目類型相對固定，實際內容大同小異，一些題目甚至沿用多年，側重于對問題的驗證，缺乏創(chuàng)新。不同學科之間由于缺少橫向聯(lián)系，只重視本專業(yè)理論知識的學習和訓練，忽視相關專業(yè)知識的拓展，學生缺乏整體的大工程觀，其設計成果合理性脫離實際。這造成了學生畢業(yè)設計缺乏挑戰(zhàn)性、創(chuàng)新性和吸引力，直接導致了知識面不夠寬、團隊合作意識淡薄等問題。為此，借助畢業(yè)設計這一途徑，通過不同專業(yè)聯(lián)合設計，激發(fā)學生的主觀能動性，群策群力，以為土木工程畢業(yè)設計注入新動力。

(三)為畢業(yè)設計教學提出了新挑戰(zhàn)和新契機

當前已有不少高校開展了聯(lián)合畢業(yè)設計的教學試點，然而都存在以下幾個關鍵問題：畢業(yè)設計時間有限，無法將多個專業(yè)有效融合，最后成為幾個專業(yè)的簡單拼湊；不同專業(yè)學生之間溝通較少，缺少協(xié)作平臺，無法形成有效的團隊合作。因此，聯(lián)合畢業(yè)設計需要運用科學合理的管理方法，對課題選擇、團隊組成、實施過程等多方面進行改革。

基于此，本文提出基于CDIOF-BIM的土木工程聯(lián)合畢業(yè)設計教學模式。

二、CDIOF-BIM教育理念

(一)CDIOF理論的提出

CDIO是構思(Conceive)、設計(Design)、實施(Implement)和運行(Operate)四個單詞首字母大寫的縮寫。該理論于2001年由美國麻省理工學院與瑞典皇家技術學院、查爾姆斯技術大學和林克平大學聯(lián)合提出，旨在構建一套全新的工程教育思想。其來源于工程系統(tǒng)的全生命周期理論，強調在工程活動“構思—設計—實施—運行”的全生命周期過程中，將教學建立于實際工程情景中，使學生能夠將所學的專業(yè)知識應用到工程實踐中。結合土木工程，“構思”包括業(yè)主需求、投資計劃等；“設計”主要包括工程設計方案、施工方案等；“實施”是指項目的建設和管理過程等；“運行”包括項目的試運營等。

而在上述過程中，信息的反饋非常重要，只有及時進行溝通，才能保證系統(tǒng)的高效運轉。為此，提出在CDIO實施過程中應實時開展“反饋評價”(Feedback Evaluation)，簡稱“CDIOF”。

(二)BIM技術

BIM(Building Information Modeling，BIM)，即建筑信息模型，是由查克·伊士曼(Chuck Eastman)在1975 年提出，旨在建立一個基于計算機系統(tǒng)，實現(xiàn)對建筑物智能模擬，保證建筑模型的可視化、一體化、參數(shù)化和具有仿真性、可出圖性、信息完備性等特性。BIM技術的發(fā)展，為多專業(yè)聯(lián)合畢業(yè)設計提供了平臺和有效途徑。

住建部正在大力推廣建筑信息模型(BIM)技術，加快推進BIM技術在新型建筑工業(yè)化全壽命期的一體化集成應用，試點推進BIM報建審批和施工圖BIM審圖模式，推進與城市信息模型(CIM)平臺的融通聯(lián)動，提高信息化監(jiān)管能力和建筑行業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈資源配置效率，發(fā)揮新型建筑工業(yè)化系統(tǒng)集成綜合優(yōu)勢。

為此，通過引入CDIOF工程教育理念和BIM技術，開展基于CDIOF-BIM的聯(lián)合畢業(yè)設計教學模式的探索與實踐，嘗試以工程項目實現(xiàn)為導向，在解決實際問題、實現(xiàn)項目的過程中培養(yǎng)學生的溝通協(xié)作能力、大工程意識。

三、基于CDIOF-BIM的聯(lián)合畢業(yè)設計教學模式架構

基于CDIOF-BIM的聯(lián)合畢業(yè)設計教學模式架構如圖1所示。該模式以CDIOF為指導思想，以實際工程項目為依托，以BIM技術為紐帶和平臺，設置相應的教學流程和方法。

圖1 基于CDIOF-BIM的聯(lián)合畢業(yè)設計教學模式架構

(一)構思(Conceive)

聯(lián)合畢業(yè)設計構思包括師生團隊組建、聯(lián)合畢業(yè)選題、協(xié)調平臺搭建等內容。

首先，應建立不同專業(yè)的教師團隊、不同專業(yè)的學生團隊。根據(jù)土木工程畢業(yè)設計可能涉及的專業(yè)，如上部結構設計、地下防護工程設計、基坑支護、施工組織設計和工程管理等專業(yè)，在選擇學生比例時根據(jù)不同專業(yè)畢業(yè)生本身畢業(yè)設計工作量進行匹配。以一個由兩棟框架房屋的設計流程為例，選擇兩名同學進行上部結構設計、其他專業(yè)各一名學生。如上，每個學生的畢業(yè)設計工作量比較符合原專業(yè)各自的畢業(yè)設計工作量，與未進行聯(lián)合畢業(yè)設計的原專業(yè)其他學生的工作量也吻合。在指導教師的配備上，每個學生均配備各自專業(yè)的一名指導教師，兩個上部結構設計的同學可以配備同1名或者不同的指導教師。因為這種模式僅進行了兩次嘗試，覆蓋學生也是部分學生，所以未進行更大的生師比試驗。但是可以預見，這種模式如果推廣下去，生師比可以擴大至2—5名。

其次，確定畢業(yè)設計題目，形成畢業(yè)設計任務書。畢業(yè)設計應以實際工程為依托，明確設計目標和內容，包括實際工程的業(yè)主需求、造價概預算等，形成初步的概念設計。為保證最后設計成果的完備性和系統(tǒng)性，同時考慮各專業(yè)不同的教學目標和專業(yè)特點，分別制定了各專業(yè)設計任務書，明確了各專業(yè)設計內容及成果要求，對設計內容、BIM 模型、出圖標準、計算說明等做了較為詳細的規(guī)定。

另外，搭建協(xié)同平臺，包括：設計軟件、標準規(guī)范、電腦、師生溝通平臺等。為保障多專業(yè)的高效協(xié)同和工作有序開展，學校應提供必要的軟硬件設施，實現(xiàn)在溝通平臺上指導學生。

(二)設計(Design)

確定設計任務之后，通過對各個專業(yè)的設計任務進行分解，分別制定了設計任務書，明確各專業(yè)分工，開始進行專業(yè)設計和協(xié)同設計。

該階段主要進行工程項目方案設計和施工方案設計，具體包括結構設計、基坑設計、裝飾裝修設計等，形成初步的施工圖。其中，各專業(yè)的計算模型能夠在BIM平臺上進行銜接，這要求師生對建模軟件有較高的熟練程度。

另外，在設計過程中，各專業(yè)需綜合運用平時所學基礎理論知識，對項目的定位、類型及設計內容進行理性分析，并給出合理的設計方案和設計策略。同時，各專業(yè)要保持密切溝通，既要滿足項目的合理需求，又要保證技術的合理性和與專業(yè)間的協(xié)調性，充分體現(xiàn)理論結合實踐的教學目標設定。

(三)實施(Implement)

對于實際工程，“實施”是指項目的建設和管理過程，包括施工及管理、成本控制等。而在畢業(yè)設計階段，需根據(jù)工程項目的施工過程模擬，檢查是否存在碰撞、設計不合理等問題，進而進行深化設計，優(yōu)化設計方案。

(四)運行(Operation)

在實際工程中，“運行”主要是指項目主體結構實施完成后，進行的調試和預運營過程。而在畢業(yè)設計過程中，可以對運營場景進行模擬，檢驗設計成果。

(五)反饋(Feedback)

“反饋”包括畢業(yè)設計過程中教師對學生畢業(yè)設計的指導、監(jiān)督，學生之間信息的溝通，以及畢業(yè)設計成果的檢驗。及時溝通反饋是促進畢業(yè)設計有序高效開展的保障。

四、基于CDIOF-BIM的聯(lián)合畢業(yè)設計教學實踐實例分析

基于CDIOF-BIM理念開展土木工程聯(lián)合畢業(yè)設計教學實踐，涉及的專業(yè)有結構工程、地下工程、巖土工程、工程管理等。

(一)教學實踐實例構思

1.畢設選題

畢業(yè)設計課題選擇需適合多專業(yè)的聯(lián)合設計，且難度宜適中。如選擇“濱州市渤海先進技術研究院設計”實際工程為課題，設計內容包括結構設計、巖土設計、施工設計、項目管理等，要求學生能夠根據(jù)給定的資料進行項目全過程設計。

2.成果要求

為使最后成果完備、系統(tǒng)，考慮到各專業(yè)不同的教學目標和專業(yè)特點，分別制定了各專業(yè)設計任務書，明確了各專業(yè)設計內容及成果要求，對設計內容、BIM 模型、計算說明等做了規(guī)定。譬如，結構專業(yè)學生完成2棟辦公樓設計；地下工程專業(yè)學生完成辦公樓人防地下室設計；巖土專業(yè)學生完成辦公樓基坑支護設計；工程管理專業(yè)學生完成辦公樓施工組織設計和BIM技術在土建工程設計中的應用。

3.組織形式

建立結合校內外指導教師專業(yè)特點的聯(lián)合指導小組。根據(jù)畢業(yè)設計任務要求和設計專業(yè)需求，組建學生聯(lián)合設計小組。

(二)設計→實施→運行

在確定了設計任務之后，對各個專業(yè)進行分解，分別制定設計任務書，明確各專業(yè)分工。

按照教學大綱要求，畢業(yè)設計時間為18周。為了確保在規(guī)定時間內完成所有任務，考慮到設計過程內容繁多、環(huán)節(jié)復雜，各專業(yè)制定了嚴格的研究計劃。計劃的總體要求為：各專業(yè)學生不僅要盡早完成自己專業(yè)的任務，同時根據(jù)團隊總體部署，與其他專業(yè)做好溝通，有序推進，協(xié)同完成。如圖2所示，是某工程管理學生制定的研究方案和技術路線。

圖2 研究方案和技術路線

在實施中，根據(jù)給定的建筑方案，結構專業(yè)學生快速進行上下部結構的方案設計和結構計算；巖土專業(yè)學生進行地下設計；工程管理專業(yè)學生進行施工設計、項目管理、裝飾裝修等，這些設計實時通過BIM平臺進行交互使各專業(yè)之間有序銜接。

另外，在實踐中，通過師生研討，總結出了一套適合于多專業(yè)聯(lián)合畢業(yè)設計的BIM軟件全過程使用技術路線：方案設計(SketchUp)→建筑建模(Revit)→結構分析(PKPM)→可視化展示(Lumion)→計量計價(廣聯(lián)達/斯維爾BIM5DforRevit)→施工模擬(Fuzor)→運維管理(ArchiBUS)。各BIM軟件的功能和之間的信息流如圖3所示。

圖3 各BIM 軟件的功能和之間的信息流

畢業(yè)設計最終成果呈現(xiàn)主要包括論文和BIM模型。各專業(yè)形成的對應論文如下：結構專業(yè)：《濱州市渤海先進技術研究室——A2辦公樓結構設計》《濱州市渤海先進技術研究院——采購項目辦公A-4結構設計》；地下工程專業(yè)：《濱海市渤海先進技術研究院——辦公樓人防地下室結構設計》；巖土專業(yè)：《濱州市渤海先進技術研究院——A區(qū)辦公樓項目基坑支護設計》；工程管理專業(yè)：《濱州市渤海先進技術研究院——辦公樓施工組織設計》《基于BIM技術的土建工程多學科一體化畢業(yè)設計》。形成的部分BIM模型如圖4所示。

圖4 部分BIM模型效果圖

五、基于CDIOF-BIM的聯(lián)合畢業(yè)設計教學效果與思考

(一)教學效果

1.基于問卷調查的教學效果評價

筆者對參與聯(lián)合畢業(yè)設計的學生開展了“聯(lián)合畢業(yè)設計”調查，內容包括“聯(lián)合畢業(yè)設計結果的滿意程度”“聯(lián)合畢業(yè)設計能力鍛煉”等。

調查結果顯示，在“聯(lián)合畢業(yè)設計結果的滿意程度”調查中，調查結果為“滿意，基本符合作品水平”的比例為100%，充分反映了聯(lián)合畢業(yè)設計效果較好，得到了學生的認可。

另外，對“聯(lián)合畢業(yè)設計能力鍛煉”的調查結果如圖6所示。可以看出，所有學生的團隊協(xié)作能力得到鍛煉(占比為100%)；大多數(shù)學生的知識信息獲取能力(占比為83%)、實踐及動手能力(占比為67%)得到了鍛煉；還有50%的學生認為創(chuàng)新能力得到了鍛煉。這說明通過聯(lián)合畢業(yè)設計的教學過程，使學生各方面的能力得到全面提升。

圖5 “聯(lián)合畢業(yè)設計能力鍛煉”的調查結果

2.CDIOF-BIM畢業(yè)設計培養(yǎng)模式實用性強、適應性好

根據(jù)畢業(yè)設計目的，多專業(yè)聯(lián)合畢業(yè)設計，既可以是全專業(yè)的，也可以是部分專業(yè)的聯(lián)合教學。

多專業(yè)聯(lián)合教學，可以借助于視頻會議、微信、BIM 工作集等技術實現(xiàn)跨地域、跨時空的溝通與交流及聯(lián)合畢業(yè)答辯與指導。特別是2020年以來新冠疫情暴發(fā)期間，師生可以線上實時溝通交流。

3.BIM模型管理便于聯(lián)合畢業(yè)設計教學效果反饋

三維化、BIM信息化的特性讓聯(lián)合畢業(yè)設計更加直觀、清晰，有利于信息傳遞和反饋。各專業(yè)之間的溝通和資料共享更加便捷、高效和精準。教師指導和學生理解也更加明晰和具體，達到事半功倍的教學效果。

(二)思考與展望

結合多專業(yè)聯(lián)合畢業(yè)設計實踐探索，提出幾點思考。

1.多專業(yè)聯(lián)合畢業(yè)設計的選題宜多方考慮

畢業(yè)設計課題的選定不應只考慮本專業(yè)的要求，而應考慮設計過程中易于多專業(yè)的溝通協(xié)調的課題內容。同時，畢業(yè)設計課題的內容應根據(jù)師生團隊的專業(yè)特點進行選定。

2.科學的團隊組建，高效的團隊管理

受畢業(yè)設計時間限制，多專業(yè)之間的時間銜接是實施過程中面對的最大難題。因此，團隊組建、溝通、管理尤為重要。團隊組建過程中，專業(yè)數(shù)量不宜過多，如本文案例中，專業(yè)選擇有結構工程、地下工程、巖土工程、工程管理等，并沒有將電氣、暖通、給排水、園林等專業(yè)全部納入。另外，設計過程中，教師應加強引導監(jiān)督，學生需加強自我學習管理和各專業(yè)之間的有效溝通和協(xié)作。

3.有效的協(xié)同平臺保證

該教學模式需要占用較多的教學資源，涉及大量的設計軟件、人員和硬件設施，尤其是BIM軟件等，對學校的軟硬件設施提出了更高要求。

4.對輔導教師工程實踐能力提出了新要求

傳統(tǒng)重理論、輕實踐的教學模式使得教師更關注于課堂教學，而開展基于實際項目的跨專業(yè)聯(lián)合畢業(yè)設計，要求教師擁有豐富的工程實踐經(jīng)驗，了解一般土木工程項目的設計過程，并對不同復雜程度項目中的技術選用有著較強的把握能力。這就要求高校轉變教學培養(yǎng)觀念，提高教師工程實踐能力。

六、結語

基于CDIOF-BIM的土木工程聯(lián)合畢業(yè)設計教學實踐表明：

(1)建立以CDIOF為指導思想、以實際工程為依托、以BIM技術為紐帶的教學模式，通過各專業(yè)的緊密協(xié)作，畢業(yè)設計成果豐碩，學生滿意度接近100%；

(2)總結出適合于多專業(yè)聯(lián)合畢業(yè)設計的BIM軟件全過程使用技術路線：方案設計(SketchUp)→建筑建模(Revit)→結構分析(PKPM)→可視化展示(Lumion)→計量計價(廣聯(lián)達斯維爾BIM5DforRevit)→施工模擬(Fuzor)→運維管理(ArchiBUS)；

(3)該模式有效鍛煉了學生的團隊協(xié)作能力、知識信息獲取能力、實踐及動手能力和創(chuàng)新能力，拓寬了指導教師的知識面，增強了指導教師工程實戰(zhàn)經(jīng)驗；

(4)該模式對畢業(yè)設計也提出了新要求：合理的師生團隊組合、多專業(yè)的合作協(xié)同、高效的組織管理、有效的協(xié)同平臺等。