基于BIM技术毕业设计实践与建议

BIM（BuildingInformationModeling，建筑信息模型）是继计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，简称CAD）技术后建筑领域出现的又一次革命性的计算机应用技术，已广泛应用于土木建筑、工程管理等领域。BIM贯穿于工程项目的全生命周期各个阶段，是工程信息的高度集成，为建设项目各参与方提供工程信息交换与共享的平台。自2002年以来，BIM逐渐被引入工程建设领域，现已被全球建筑界广泛认可。虽然BIM技术在我国起步较晚，整个市场尚未成熟，但是随着信息技术的快速发展，业主对BIM的认知与认可度越来越高，更多的应用价值被挖掘出来，整个BIM市场正迎来爆发式增长。毕业设计是大学阶段最重要的专业综合实践环节，通常设置在最后一学期，是大学四年所学知识的综合运用。随着BIM技术的快速发展与普及，其相关课题正在逐步被引入建筑学[1,2]、土木工程[3,4]、工程管理[5]等专业的毕业设计教学中，取得了一些教学成果。但仍存在前期课程设置不合理、课题方向前沿性不足、软件研发类课题偏少等问题，亟须加以改进和完善。本文归纳总结了与BIM技术相关的毕业设计课题方向，并给出相关案例，提出了提升毕业设计效果的几点建议，可以为BIM技术相关专业的毕业设计提供借鉴和参考。

1基于BIM技术的毕业设计课题方向

目前与BIM技术相关的毕业设计聚焦于基础应用、技术融合和软件研发等三个主要方向，如图1所示。1.1BIM基础应用方向。BIM基础应用多数是基于BIM软件开展相关应用研究，是目前毕业设计的主流课题方向。如采用Revit软件建立三维信息模型，在此基础上进行施工图深化、碰撞监测、进度模拟、工程量统计、造价分析和三维动画展示等工作。早期的研究对象以房屋建筑为主，目前已拓展至桥梁、隧道、地铁等公共基础设施。在BIM应用软件方面，建模软件以Revit最为常用，碰撞检查和动画模拟多数采用Revisworks软件，工程算量和造价分析则常采用广联达和鲁班等国内软件。总体来看，该方向的毕业设计课题以应用为主，课题的完成情况与研究对象的复杂性、研究内容的丰富性、研究成果的实用性密切相关。随着信息技术的快速发展，当代大学生的计算机应用能力、新知识接受能力和创新能力也在不断提高，早期以多高层房屋为对象的“建模+动画+算量”的毕业设计课题已难以满足培养目标的要求。因此，该类课题的研究对象正逐步拓展至超高层建筑、大跨空间建筑、钢木结构建筑、地铁隧道等公共基础设施和市政工程项目；研究内容也延伸至进度控制、成本管理乃至运营维护等多个方面；同时，研究课题也越来越多地来源于实际工程，研究成果的实用性已成为毕业设计成绩评定的重要依据之一。1.2BIM与前沿技术融合方向。随着BIM技术的逐步普及，其应用和研究正在从传统的辅助设计施工向多技术融合的方向发展。如BIM与RFID（RadioFrequencyIdentification，无线射频识别）、BIM与GIS（GeographicInformationSystem，地理信息系统）、BIM与VR（VirtualReality，虚拟现实）、BIM与AR（AugmentedReality，增强现实）、BIM与三维激光扫描、BIM与结构健康监测等前沿技术融合方向。以BIM与RFID技术融合为例，在传统的施工现场，大批量地进行构件验收、安装时，主要通过人工方式填写报告、录入数据，信息延误的现象时有发生，工作人员常常无法判断构件的真实状况，很容易发生错误，导致各类问题频发。利用RFID技术可以实时追踪、监控构件的生产、运输、安装和运维状态，并以无线网络即时传递信息到BIM数据处理平台，可以实现对构件的实时追踪，解决信息错误和丢失等问题，能有效地提高工程项目的管理效率和经济效益。该类毕业设计课题通常要求指导教师有一定的前期研究基础，有时采用校企联合指导方式，由企业导师制定课题的研究内容，毕业设计开展过程中由校内和校外导师共同指导。1.3BIM软件研发方向。BIM的核心思想是信息的集成、交互与共享，模型是载体，软件是工具。在BIM软件平台研发方面，国内外各大软件开发商已经开发了各类适用于建筑不同阶段、提供不同功能的商业BIM软件。如，美国Autodesk公司推出的Revit、Navisworks、Civil3D等BIM软件；美国Bentley公司推出的ABD（AECOsimBuildingDesigner）软件；此外还有Tekla公司开发的专用于钢结构设计的Xsteel软件，Graphisoft公司的ArchiCAD软件等。国内也有广联达、鲁班、PKPM、3D3S等公司开发的相关BIM软件。虽然商用BIM软件已较为成熟，但针对不同对象、不同功能、不同企业均存在一定的局限性，尚需定制研发。相比于BIM应用方向，软件研发类课题一方面要求指导教师有前期研究基础，另一方面要求学生有一定的编程基础，更重要的是对软件编程有兴趣。此外，也有部分研发类课题不需要编写代码，只需要设计软件功能和操作界面等，具体编程工作由他人或企业来完成。

2基于BIM技术的毕业设计案例

2.1BIM基础应用方向毕业设计案例。以同济大学本科毕业论文“超高层建筑模架装备模块化仿真设计与建造技术研究”为案例。该论文以上海市真如城市副中心A5地块项目1号办公楼为实际工程背景，借助BIM工具对钢柱筒架交替支撑式整体钢平台模架装备开展研究，完成的主要工作包括：（1）对钢柱筒架交替支撑式整体钢平台模架装备系统组成和工艺原理进行归纳总结，对超高层结构核心筒使用钢平台模架装备关键技术进行分析，包括模架的现场安装、标准层施工、桁架层施工和墙体收分层施工等技术；（2）分析钢柱筒架交替支撑式整体钢平台模架装备的模块化设计方法，初步确定模架标准构件库，根据模架装备标准构件创建Revit参数化族库，对标准构件和非标准构件进行组合，并进行整体钢平台模架装备的虚拟预拼装；（3）根据二维设计图纸建立该超高层建筑的核心筒模型，采用Navisworks进行整体钢平台模架模型和核心筒模型的合模，对钢平台模架施工关键技术进行可视化施工模拟。毕业设计成果提出了一种钢柱筒架交替支撑式整体钢平台模架装备的模块化方案，借助BIM软件建立了模架标准模块构件族以及核心筒模型，完成了模架模块的组合与拼装，实现了模架装备和核心筒的合模，并对钢平台安装、标准层施工、收分层施工等进行了三维可视化分析。该毕业设计的研究成果已应用于实际工程项目中，对模架装备的模块化和BIM技术的推广具有积极作用。2.2BIM与前沿技术融合方向毕业设计案例。目前，BIM与GIS、VR、RFID、三维激光扫描等技术的融合交叉应用已成为工程界和学术界的研究热点。以三维激光扫描为例，该技术是测绘领域继GPS之后的又一次技术革命，通过高速激光扫描测量方法，大面积、高分辨率地快速获取物体表面各点的坐标、反射率、颜色等信息，基于这些大量、密集的点信息可快速复建出真彩色三维点云模型，为后续的数据分析等工作提供准确依据。该技术具有快速性、非接触性、穿透性、高密度、高精度、实时性强等特点，很好地解决了目前空间信息技术发展实时性与准确性的颈瓶。以同济大学本科毕业论文“基于BIM技术对既有建筑快速建模方法的研究”为案例，该论文针对目前既有建筑建模时面临的竣工图纸无迹可寻、空间几何信息难以采集、建筑物细部特征难以捕捉、测量所需时间及金钱成本过高等问题，采用三维激光扫描技术对上海某演艺场所进行扫描，利用JRC3DReconstruction软件对点云数据进行降噪与配准，再采用ICP算法进行平滑操作，最后对该建筑进行整体建模，生成的三维模型见图3所示。该模型已用于其改造工程的后期设计与研究工作中。2.3BIM软件研发方向毕业设计案例。以同济大学本科毕业论文“基于二维码的钢结构构件追踪管理软件研发”为案例，该论文从研究国内外钢结构BIM建造管理平台入手，分析了构件信息追踪管理平台的研发和应用现状，将BIM技术与二维码技术相结合，设计了基于二维码的钢结构构件追踪管理软件主要功能和界面，基于B/S架构，采用Html、JavaScript和Neo4j等语言初步实现了构件追踪和进度管理等基本功能。构件追踪界面见图4所示，软件对每一根构件生成唯一的二维码，支持单独或批量下载功能。二维码存储构件的编号、安装位置、尺寸、长度和质量等基础信息。用手机扫描二维码即可查看构件的报验和质量检验等详细信息。通过二维码功能，可追踪构件的生产、制作、运输和安装等全过程信息，实现对构件加工和安装中的质量监控信息以及构件安装进度信息的实时掌控，而这些信息直接反映到构件的位置管理、质量管理和安装进度管理中，为这些管理活动的进行提供了帮助和支持，追溯到最上层则实现了加工制作计划的实时调整，而加工制作的调整又决定了现场施工情况。此外，通过二维码信息能够直观快速地发现现场质量问题，解决现场管理人员携带图纸及查询资料不方便等问题，提高了现场工作效率。本软件的开发涉及BIM模型的解析、上传和显示等功能，这些功能的实现需要大量的编程工作，很难由一位本科生在毕业论文周期内完成所有工作，因此，软件的前期开发工作已由指导教师团队完成，本论文主要是实现了基于二维码的钢结构构件追踪管理功能模块的设计和研发工作。

3提升基于BIM技术的毕业设计效果建议

3.1增加前沿课题数量。目前，BIM方向的毕业设计仍然以“建模+动画+算量”的软件应用型课题为主导，虽然该类课题的实用性强，但往往工作量大而难度不大，特别是对一些研究型高校的学生，该类课题的毕业设计主要是提高了学生的BIM软件使用能力，对学生的创新性培养不足。随着信息技术的快速发展，建议增加BIM与物联网、大数据、VR、AR等新型技术相结合的毕业设计课题，提高学生的实践能力和创新能力。此外，现有的主流BIM平台均被国外垄断，亟须发现和培养一批专注于软件研发的学科交叉类学生，可以通过增加平台研发类课题，锻炼学生的研发能力，为其将来的工作和继续深造打下基础。3.2加强校企合作。BIM技术无论是软件使用、平台研发，还是与新技术的创新应用，均具有很强的实践性。目前，很多土木建筑类大型企业均配备了BIM技术中心，具有较强的BIM应用、产品和新技术研发能力，而在国内高校中专职从事BIM教学和科研的教师非常欠缺。通过校企合作，可以弥补校内指导教师BIM实践能力的不足，促进产、学、研全面合作，充分发挥学校与企业在BIM人才培养过程中的职能作用，实现优势互补、资源共享，强化实践育人环节，对于提高人才培养质量具有积极的意义[6]。针对于此，同济大学与上海建工、华东建筑设计院等单位已建立了长期的校企合作关系，与BIM技术有关的毕业设计课题多数来自于企业，部分毕业设计成果已直接应用于实际工程，取得了较好的教学效果。3.3重构现有课程体系。近十年来，虽然BIM技术和软件已有长足的进步，正向设计已开始应用，但逆向建模仍是主流，在毕业设计中也最为常见，即学生根据二维CAD图纸创建其建筑、结构及机电等三维BIM模型。从已有的毕业设计效果看，存在两方面的问题，一是许多学生的识图能力较弱，特别是机电图纸的识图能力非常欠缺，需占用大量的毕业设计时间来提高识图能力；二是学生的BIM软件操作能力不足，很多时间被用于软件学习中，实际的毕业设计工作时间被大量挤占。目前，很多高校没有单独设置BIM课程，或者虽然单独设置但将其作为选修课，普及面不广，这就需要我们对现有的课程设置体系进行完善和重构。考虑到BIM技术的应用领域非常广泛，笔者建议将BIM技术的教学融入专业培养体系中，如：将BIM技术引入工程制图、房屋建筑学、钢结构和混凝土结构设计、土木工程施工、工程项目管理等多门课程中，特别在课程设计中，将其作为一项必修内容。通过BIM技术的三维可视化、虚拟仿真、信息共享等功能实现课程体系的有机整合。

BIM技术已被广泛视为改造建筑业这一传统产业的战略手段，正在导致建筑业进行一次史无前例的彻底变革。从高校的实践课程教学来看，BIM技术相关课题已成为建筑学、土木工程、工程管理等专业毕业设计的一个重要方向。本文归纳总结了与BIM技术相关的三大毕业设计课题方向：基础应用、前沿技术融合和软件研发，以同济大学为例展示了各方向的毕业设计案例，最后提出了增加前沿课题数量、加强校企合作、重构现有课程体系等用于提升毕业设计效果的建议，可以为BIM相关专业的毕业设计提供借鉴和参考。

参考文献：

[1]李东锋.基于BIM技术的建筑学课程设计研究[J].城市建筑,2020,17(343):51-52.

[2]许娟,鲁子良,侯超平,等.基于BIM平台的传统民居建筑保护与更新教学实践研究[J].建筑与文化,2019,186:42-43.

[3]白泉,边晶梅,于贺.土木工程专业BIM教学改革研究与实践[J].土木建筑工程信息技术,2017,9(5):90-93.

[4]王婉,李怀健,刘匀.BIM技术在校企联合毕业设计中的应用和实践[J].高等建筑教育,2018,27(6):161-166.

[5]张静晓,赵陈影,李慧,等.工程管理专业BIM毕业设计学习效果测评[J].实验技术与管理,2018,35(1):171-176+183.

[6]刘骜蒋山,唐瑜.基于建筑业BIM体系的建筑学专业教学建设初探[J].建筑与文化,2017,164:64-66.

作者:吴杰 王剑平 单位:同济大学土木工程学院