摘要
BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）是智慧城市基础设施数字化的关键技术，其人才缺失严重制约了建筑业转型升级、智慧城市建设和数字经济发展。而现有的BIM课程及教学体系主要面向建筑设计与施工管理，已无法满足国家、行业和市场对大数据、人工智能等新一代信息技术和“建筑+城市”BIM复合型人才的需要。为此，构建了面向BIM技术的教学平台，设计了面向大数据和人工智能的BIM应用的综合教学方案，在建筑电气与智能化国家一流专业进行了教学实践，学生课程体验值较高，达到了提升BIM教学水平的目的，为同类专业在BIM复合型人才培养方面提供了参考。
建筑业是我国国民经济的重要支柱产业。长期以来，我国建筑业一直存在工业化信息化水平较低、生产管理方式粗放、科技创新能力不足等问题，迫切需要集成BIM、大数据、人工智能、物联网等技术，推进智能建造与建筑工业化协同发展。BIM人才缺失已经成为建筑业转型升级和智慧城市建设的制约要素之一。传统的BIM教学体系已经不能适应新时代的行业需求。高校作为人才培养的摇篮，必须紧跟市场的迫切需求，结合大数据、人工智能等信息技术调整BIM教学内容，培养更多适应行业发展需要的BIM人才。
BIM是建筑设施物理与功能特征的数字化表达，并为参与建筑全生命周期的各利益相关方的所有决策提供可靠的数据支撑。BIM技术是建筑数据的载体，也是建筑信息化和智慧城市大数据的重要内容。近几年，国务院、住建委、发改委、交通运输部、水利部和各省市相继推出了BIM实施指南、标准和指导意见等。住建部《关于推进建筑信息模型应用的指导意见》中提出，“到2020年末，以国有资金投资为主的大中型建筑，以及申报绿色建筑的公共建筑和绿色生态示范小区，在新立项勘察设计、施工、运营维护中，集成应用BIM的项目比率达到90%
BIM人才缺失已成为建筑业转型升级和智慧城市建设的制约因素之一。2018年全国两会代表提出：BIM技术人才需求旺，高校培养却“缺位”，高校土木专业应增设“BIM技术”课
国内外大中专院校相继开设了BIM相关课程，并且出版了配套教材。例如：中国工程院丁烈云院士主编的《BIM应用·施工》，中国工程院李建成院士编著的《BIM应用·导论》，广州优比建筑咨询有限公司CEO何关培主编的《BIM总论》，以及上海磐晟建筑工程有限公司主编的《Revit构件制作实战详解》，墨尔本大学数字建筑高级讲师Dominik Holzer编写的《The BIM Manager's Handbook》，南加州大学建筑学院的Karen Kensek和Douglas Noble编著了《Building Information Modeling-BIM in Current and Future Practice》。现有的课程和教材主要涉及BIM基本概念、BIM建模、BIM在建筑全生命周期中的价值和BIM应用案例四大方面。
| 教材名称 | 出版时间及出版社 | 作者 | 内容简介 |
|---|---|---|---|
| BIM技术应用基础 | 2015年，中国建筑工业出版社 | 王轶群 | 全国高等职业教育暨培训教材。介绍BIM建模技术、工程算量和5D应用 |
| BIM技术概论（第二版） | 2018年，中国建筑工业出版社 | 陆泽荣，刘占省 | BIM技术人才培养项目辅导教材编委会。从宏观角度讲述BIM的基础知识及所用模型和软件 |
| BIM应用基础 | 2013年，同济大学出版社 | 刘广文等 | BIM建模技术、工程算量和5D应用 |
| 建筑信息模型（BIM）概论 | 2019年，中国建筑工业出版社 | 中国建设教育协会 | “1+X”职业技能等级证书系列教材，建筑信息模型（BIM）技术员培训教程。阐述了BIM概述、BIM软件以及BIM在各阶段应用 |
| BIM Handbook（Second Edition） | 2011年，John Wiley & Sons | 美国佐治亚理工学院Chuck Eastman等 | 从原理到应用论述了应用建筑信息模型（即BIM）进行设计、施工和设施管理的新方法，描述BIM对于建筑全生命周期各参与方所带来的深远影响 |
| Building Information Modeling | 2014年，Routledge | 美国南加利福尼亚大学Karen K. | 介绍BIM的基本概念、价值、数据标准以及应用案例等 |
| Building Information Modeling：Framework for Structural Design | 2015年，CRC Press | 美国佛罗里达大学Nawari N.O.和Michael K. | 重点从建筑结构的角度论述BIM的建模与应用 |
综上可知，现有国内外的教材和课程偏向于培养学生的BIM建模能力、BIM管理理念
北京建筑大学电气与信息工程学院开设了BIM技术与应用和建筑信息模型（BIM）技术课程，使学生具备利用大数据、人工智能技术开展面向BIM的程序设计和建设智能化系统的能力，响应了国家、行业和市场对BIM人才的需求。同时，课程也培养了学生的计算思维，教会其利用计算解决实际问题、探索新问题。学校电气与信息工程学院将BIM技术课程教学进行模块化，分为BIM建模、BIM与大数据、BIM与人工智能等模块。每个模块对应一个系统的知识体系，设计理论教学内容和综合性实验项目，在建筑电气与智能化国家一流专业的培养计划中进行实践。学生的调查问卷表明，课程体验值较高，学生对于模块化的BIM技术课程非常满意。
BIM技术课程是建筑土木、计算机和管理等学科的专业课
根据国内外BIM教学研究成果和自身经验，在教学过程中将理论教学和实践教学相结合，增加项目类作业，培养学生综合运用知识的能力，协同人工智能和大数据等前沿理论、方法和技术，实现BIM技术课程教育教学质量提升。根据课程的教学要求，研究了课程知识点先后关系和重点内容，构建了完整的理论和实验教学体系。首先，进行理论教学和实验教学的分块，研究如何将课程分块，各块独立作为一个完整内容；其次，完成理论教学体系内容设计，研究每个模块的主要内容及具体的授课内容和学时安排；随后，完成实验教学体系项目设计，研究每个板块综合性项目的具体要求及主要考查学生哪些方面的能力；最后，实现在线BIM技术应用平台建设。BIM技术教学大纲的主要内容，如
图1 教学大纲的主要内容
对于BIM技术应用的学习，需要强大的实践环境。通过产学研结合建设的BIM应用平台，能够为在校师生的BIM实践教学提供大量的教学案例和项目设置，弥补了学校教学资源的不足。同时，也可以使学生参与实际项目模拟，了解BIM技术在项目实施过程中遇到的问题和解决办法。除此之外，电信学院还不定期地邀请相关专家前来举办BIM技术专题讲座。
在实际教学活动中，教师首先需要明确教学目标、任务和内容；其次将课程内容以问题形式进行呈现，设计实际问题情景，提出问题的切入点；接着将问题进行分解，划分出重点和难点，并给予学生解决问题的一些信息。学生需要进行课前预习，查阅相关内容；课上明确课程问题；运用计算思维分析并解决问题。学生将运用计算思维解决问题过程中遇到的难题及时与教师展开互动，教师针对问题进行讲解并根据反馈适当作出调整。将计算思维贯穿整个BIM与大数据、人工智能技术结合的知识体系中，辅助学生解决领域问题，使得知识掌握、思考过程和解决问题能力相互促进、共同提高。
产学研结合所建设的BIM技术教学应用平台，围绕“BIM大数据并行计算框架与方法”“BIM数据融合”“BIM数据知识发现”“BIM数据可视化”等展开研究，能够为在校师生提供面向BIM模型快速、简易的数据服务。
随着项目的不断推出和实施，BIM数据规模不断扩大。BIM技术教学应用平台集成了一种BIM数据三角化方法，称为BIMTriSe
图2 BIM模型解析
BIM模型外轮廓提取是BIM数据分层、分级的重要途径，可以满足智慧城市建设对GIS和BIM融合的需求。平台利用一种外轮廓检测算法OutDe
图3 BIM模型可视化
BIM是建筑大数据价值和知识发现重要组成。BIM技术应用教学平台以一种综合栅格和拓扑特征的BIM室内路网新模型及其路径规划方
图4 BIM模型外轮廓提取
针对多终端BIM数据可视化所存在的问题，平台综
图5 BIM模型室内路网提取及最短路径规划
BIM教学应用平台可以为师生提供BIM二次开发服务，对于编程基础强弱的学生均适用。平台的三维可视化引擎支持加载大体量模型并且不卡顿，加载速度较快，良好的视图效果与UI交互模式给学生和教师提供了更加流畅完美的模型操作体验。该引擎对资源库进行了整体封装，减少了开发代码量。同时，平台还为学生和教师提供了构件高亮、透明、隐藏、模型分解、修改背景颜色等可视化功能。在实际使用中，学生只需要将模型Key和开发密钥替换为自有的，就可以实现任意BIM模型可视化、操作和二次开发。下面介绍使用平台研发的三维可视化引擎创建BIM模型可视化界面的过程。
（1）创建html页面：创建模型容器viewport，设置显示模型的窗口宽度为1 000像素，高度800像素。
（2）引入css：引入依赖的库，BOS3D可视化层叠样式表。
（3）引入js：引入依赖的库，BOS3D可视化引擎。
（4）初始化：配置初始化参数option及实例化对象viewer3D。
（5）加载模型：设置用户开发密钥与模型Key参数，加载模型实现三维可视化。
1974年，Chuck Eastman提出的“building description system
针对美国给出的BIM定义中的几个关键词：设施（facility）、数字化表达（digital representation）、功能和物理性质（physical and functional characteristics）、共享知识资源（shared knowledge resource）、可靠基础（reliable basis）、决策（decision），让学生自由发言，谈谈自己对这些词的理解。为什么定义中并没有涉及建筑一词，BIM却被定义为建筑信息模型？定义中使用facility一词的原因？传统的CAD也被用于三维设计，它与BIM有什么本质区别？传统的CAD也是涉及3D，与BIM有什么本质区别？BIM的核心价值是什么？通过这一系列问题引导学生从BIM的定义中，更深层次地理解BIM定义及其中的几个关键词，纠正学生关于BIM只是建模的错误认识，激发学生探讨BIM相关内容的兴趣。教师通过展示BIM技术全过程集成应用的落地项目，直观地让学生理解BIM数据的感知、管理和使用。教师围绕如何实现BIM感知数据融合、语义消歧、不同业务决策、小数据的获取等问题，带领学生明确BIM同CAD、数据和建筑等的内在区别与联系。
传统的建筑电气设计教学效果并不理想，主要是实际施工项目和教学中使用的是二维施工图纸，教学方式是利用PPT展示施工现场的照片或者视频，需要学生有一定的空间想象能力。BIM技术作为一种新型的建筑技术，可以将二维的图纸转换为三维建筑模型，改变了传统的教学模
（1）建模软件使用：完成Autodesk Revit软件安装，熟悉用户界面、常规编辑命令、新建标高、轴网等操作；
（2）电气系统建模及管线综合优化：进行CAD图处理及链接导入与对齐；创建电缆桥架类型与过滤器，桥架建模；创建管线类型与过滤器，线管建模；碰撞检测修改优化模型；
（3）工程算量及注释出图：创建电气系统、电气设备、管线明细表；创建楼层平面；可见性/图形设置，标记和尺寸标注；添加图纸，出图；
（4）MEP族设置：熟悉族编辑界面；添加族类别和族参数；设置族类型、参照平面和参照线；完成族构件建模与验证。
将BIM技术融入专业课程教学中，主要培养学生的BIM模型建造能力，通过模型加深学生对建筑电气设计专业课程的掌
BIM模型不仅包含空间几何数据，还包含在建筑物各个工程阶段积累的海量工程数
BIM模型信息的利用是充分发挥BIM价值的重要途径，信息检索是信息获取的重要手段。火灾发生时，消防人员需要快速定位建筑内的消防栓和最近的逃生出口；设备故障时，对BIM模型所包含的信息进行实时、高效的检索，是推广BIM应用场景下亟待解决的一个问题。
北京建筑大学智慧城市数字化研究室设计了一个BIM集成应用平台，将模型数据解析方法封装为一个API，利用相应的API接口对BIM模型导出的IFC（Industry Foundation Classes）文件进行处理。通过相关实践课程内容设计，使学生掌握利用Python程序如何调用已有API的能力，以获取BIM相关数据信息。BIM数据处理结果如
图6 BIM数据处理结果
Elasticsearch是一个基于Lucene的搜索服务器，提供了一个分布式多用户能力的全文搜索引
图7 BIM构件检索终端应用
BIM技术可以管理、汇总建筑全生命周期内的所有数据，如何对这些数据进行分析并加以应用？答案是人工智能（Artificial Intelligence，AI）技术。国家将人工智能作为科技的重要发展方向，要求在2030年中国的人工智能技术研究与应用走在全球的领先地
随着BIM技术的推广，室内设计与BIM技术开始融合，设计师设计的室内三维模型基本可以与装修后的实际效果相媲美。但是，当客户拿到一个喜爱的室内设计模型后，通常会面临如何找到与模型类似的实物这一问题。一般情况下，客户会拿着效果图到家具城进行逐一挑选，这样会耗费大量的时间和精力。随着互联网的发展，在线上商城购物成为了很多人的首选；因此，一个能够自动识别构件种类并推荐类似产品的系统必将给用户带来很大的便捷。商品检索是综合了物体检测、图像分类以及特征学习的技术。
BIM与人工智能模块的实验内容设计是将BIM模型中的构件与网上商城的商品图片进行匹配，如
图8 BIM构件推荐系统
本文所设计的教学体系及相关实践内容应用于电信学院建筑电气与智能化专业培养计划中，旨在培养学生掌握BIM基本概念、培养学生协同大数据、人工智能等技术开展面向BIM的程序设计及应用能力和建筑信息化、智能化系统的建设能力。该教学体系具有较强的创新性和应用前景，课程目标完全符合建筑电气与智能化专业建筑业务系统开发及数据应用人才的培养目标，提高了BIM建筑与建筑大数据相关课程的教学能力，提升了建筑运维应用相关专业的教学水平，并且能够为建筑类高校推广BIM教学提供经验。
教师在本文所设计的教学体系上，采用了与课程相适应的教学方法，借助各种教学手段提高课堂教学效果，根据学生反映情况及时调整教学。教学过程中，课堂气氛活跃，师生互动积极，学生表现出浓厚的学习兴趣，课程体验感较好。学生课程评价较高，多数学生在接受系统教学后，具有了一定的智能化系统建设能力，纷纷表示愿意继续学习BIM技术课程。电信学院还增设了与BIM相关的毕业设计，以促进知识能力转化。学生综合运用所学知识，结合实际独立完成课题，知识的掌握程度、运用理论解决实际问题的能力、实验能力、计算机运用水平、书面及口头表达能力，以及事业心与责任感大大增强，综合素质得到了全面提升。
BIM技术是工程信息化的关键使能技术。高校有必要将先进的信息技术手段与BIM相结合，提出面向BIM的大数据和人工智能应用的教学体系，合理地安排课程内容，选择合适的教学应用平台进行教学。通过改进和完善教学体系，有效缓解了BIM复合型人才的供需矛盾，有力地推动了建筑业转型升级、智慧城市建设和数字经济发展。
参考文献
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