2022, Vol. 31
表1(Table 1)
现代建筑、工程与施工(Architecture, Engineering and Construction，AEC)行业的项目越来越复杂，管理难度越来越大。项目复杂性表现之一是整个建设运营过程涉及众多的利益相关者，因此，项目的信息与交流技术愈发重要，BIM技术也应运而生，在AEC行业中的应用规模日益扩大。在过去十几年中，BIM应用得到了相当大程度的发展，尤其在北美、英国和斯堪的纳维亚半岛等国家和地区内保持领先地位，已初步实现BIM技术的市场化和普及化。都柏林理工大学发布的BIM研究报告显示，2016年全球BIM市场规模已达到3.52亿美元，预测2022年将达到103.6亿美元，2017—2022年的复合增长率将达到19.45%[1]。
BIM相关技术是打开AEC行业未来之路的有效途径之一，高等教育机构作为行业工程师的主要培训者，有更大的责任来应对行业不断变化的技能要求，积极整合并将BIM课程纳入建筑、土木工程、工程建造与管理等专业，以便为AEC行业提供未来雇员做好准备。
在政府主导和协调支持下，BIM技术及应用的重要性愈发凸显，一些国家和地区针对BIM技术的高等教育和职业培训得到快速发展，为BIM技术人才的职业发展提供了保障[2]。目前，中国高校针对BIM教学开展了有益的探索，但BIM教育相对滞后，急需在BIM教学实践方面进行改革，以适应新技术条件下的行业人才需求[3-5]。因此，有必要梳理发达国家高校在BIM教育方面取得的进展，归纳其教育特征，为我国土木建筑类专业的BIM教育提供借鉴和参考。
一、高校土木建筑类专业BIM教育 (一)BIM教育进展在AEC行业，专业建筑师、工程师和项目经理等推动了CAD向BIM快速转变，同时也为专业教育带来了挑战和机遇。越来越多的高校、机构认识到，不能忽视BIM技术给行业发展带来的革命性影响，必须在课程中整合BIM概念、原理和过程等内容，帮助学生掌握必要的BIM知识和技能，确保他们能迎接行业所面临的挑战[6]。因此，越来越多的高校土木建筑类专业开始设置BIM类课程，运用各种手段和方法将BIM整合到教学内容中[7]。例如，美国101所大学中，81%的建筑学专业、60%的工程管理专业、44%的土木工程专业提供BIM课程，在尚未提供BIM课程的专业中，有57%的专业计划整合BIM课程[8]。
然而，BIM教育在各国实施的程度不同。一些高校在本科生和研究生专业中设置了BIM课程，有的国家在研究生BIM课程的数量方面处于领先地位，如英国高校。在课程设置上，大多数学校只提供1~3门BIM课程，仅限于1~2周的概论性介绍[8]，大多数课程设置也局限于单一学科，跨学科性BIM课程较少[9]。
(二)BIM教学要求与内容BIM表现为一个跨专业知识协同作业的过程或过程方法，用以改进规划、设计、施工、运营和维护的工作流程，强调协同性，因此，大多数教育工作者认为，除培养学生的基本知识和技能外，还要建立学生对BIM支持的全寿命周期建设和运维过程的整体理解，而不应拘泥于对某个BIM软件(工具)的掌握或运用[10]。然而，在当前的BIM教学实践中倾向于关注特定BIM软件的使用，迫切需要开展BIM理念、BIM管理和BIM协作等方面的教育。
BIM正快速发展，对BIM的功能要求更复杂，从3D拓展到4D、5D和6D，增加了时间、成本建模和设施管理等功能[2]。受BIM教学软件、硬件和师资的影响，国外各高校结合自身的资源和优势，开设了面向不同层次、不同专业的BIM课程。教学内容从基本的数字化图形和设计，发展到施工项目管理和高层次的BIM设计与案例研究。目前，关于土木建筑类专业中应教授学生哪些知识和技能尚缺乏一致的意见。Sacks和Pikas(2013)通过调查、组织工作坊、分析招聘广告和深度访谈，构建了能满足行业要求的BIM教育框架，将BIM教学涵盖的内容分为3类、39个主题[10]。一般认为，在BIM教学内容安排上应体现层次性，例如，在大学一、二年级，主要学习基础知识，如基本建模技能、约束条件下的参数化建模和实体建模；在高年级或研究生阶段，应专注于将BIM集成到更广泛的专业实践中，以建立对BIM支持的建筑施工过程的整体性理解。
(三)BIM教育面临的挑战随着BIM技术和BIM应用生态系统的快速发展，AEC行业对BIM专业人员的需求与日俱增。尽管大学BIM教育经历了重大的变化，并取得了明显的效果[9]，但在人才缺口庞大的背景下，BIM教育面临的若干挑战不容忽视。例如，缺乏经验丰富及掌握最新BIM知识的教师，现有教育工作者不愿意在教学中学习和整合BIM技术，缺乏BIM教学相关资源和基础设施，缺乏将BIM技术融入现有工程类课程的新思路[11]。协同是实现BIM的最高驱动力[12]，但高等教育在土木建筑类专业的课程设置和模块内容方面尚不适应这种协同挑战[13]。
虽然BIM教育仍缺乏有效的手段和方法，但美国、英国等发达国家的高校对土木建筑类专业BIM教育进行了有益探索，对促进BIM教育发挥了重要作用。
二、美英高校BIM教育实践 (一)BIM教育的层次性BIM教育涉及教学内容多，教学时间长，需要针对不同层次的教育对象设计不同要求的教学内容，因此，BIM教育的层次性特征比较明显。Suwal和Singh[11]提出了BIM教育的四层次战略(表 1)。具体到某个专业，BIM教育各有侧重，但仍具有层次性的特点。例如，Lee和Yun[14]对建筑施工与管理专业提出了不同层次的BIM课程(表 2)。
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表 1 BIM教育的四层次战略 |
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表 2 施工与管理专业中BIM教育的层次 |
BIM教育的层次性同时适用于BIM教育的纵向与横向整合[11]。其中，纵向性指教育程度，如职业水平、本科生水平、研究生水平和达到从事科学研究的水平；横向性指涉及专业的多学科性和广度，如建筑学、结构工程、机电水暖、施工管理，等等。然而，在当前土木建筑类专业教育中，BIM教育无论是纵向还是横向整合仍然不够成熟。
(二)美国高校BIM课程设置与教学 1. 课程设置与目标在美国，许多学校只在建筑科学、建筑技术、土木工程、建设工程管理等专业中开设1~3门BIM技术课程。美国部分高校BIM课程设置与目标如表 3所示。各学校所设置课程中名称各不相同，有些课程直接以BIM技术或BIM专题命名，有的课程名称则包含“虚拟”“数字化”“信息技术”“管理创新”等关键词，实质上仍强调BIM技术在建设项目中的应用。在课程教学目标上，一般在低年级安排讲授BIM技术的概论性知识，开展BIM基础软件教学，例如，工程数字化制图、基本建模技术；在高年级或研究生阶段，则强调BIM技术在项目设计、施工、运营等环节中的综合应用，包括从3D到6D的BIM工具箱应用，涉及项目规划设计、施工过程可视化、项目控制(进度、质量、成本、安全等)和信息交换等，强调在多学科协作环境下的BIM技术实现及应用。
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表 3 美国部分高校BIM课程设置与目标 |
美国高校BIM课程设置的形式主要分为两类：一类是将BIM视为一种突破性技术，在现有课程中增加BIM技术内容，用以改进现有课程内容并借以提升学生学习效果；另一类是将BIM视为新范式，开设BIM课程，以促进基础课程的变革[15]。对于前一类，不设置专门的BIM课程，而是在传统课程中引入BIM内容和工具。例如，利用BIM原理和应用技术对工程图学课程进行重组、改革，将BIM视为土木工程专业设计意图表达和交流的主要媒介。
在新设BIM课程形式中，将BIM作为专业改革或整体教学策略的核心，专门开发BIM课程。例如，表 3中的一些高校专门设置了BIM课程，较为系统地讲授BIM技术在项目全寿命周期内的实践应用。有些学校在新设BIM课程时，还考虑了跨学科协作。例如，宾夕法尼亚大学开发了“BIM工作室”课程，学生为来自建筑学、风景园林、建筑工程、结构工程、机械和照明/电气工程等专业的本科生和研究生，要求他们运用BIM技术进行数据收集、分析、设计开发、数据协同以及项目演示。该课程在集成环境下培养学生的协作能力，使之对各学科BIM应用有更深入的理解。
3. 教学方法BIM表现为一个协作的过程或过程方法，而非一项技术或设计工具，在BIM教学实践中，只有通过基于过程和项目的教学才能取得良好的效果。因此，BIM固有的强技术性和实践性，使传统的教学方法不能满足BIM教学目标的实现。一些高校在传统讲授、课堂讨论等基础上，积极引入新的教学方法，如行业专家讲座、现场参观、参与项目实践、BIM工作坊等(表 4)。
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表 4 美国部分高校BIM课程教学方法 |
协作是实现BIM的重要驱动力[12]，一些高校在BIM教学过程中非常重视团队协作，以实际项目为基础开展教学，既能改善教学效果，又能培养学生的协作精神。例如，加利福尼亚大学在可持续设计与施工BIM应用课程中，开展基于项目的教学，学生在校园在建工程中扮演不同的角色进行项目合作，取得了良好的教学效果[16]。
(三) 英国高校BIM课程设置与教学 1. BIM课程学习目标体系由英国高等教育学会发起的BIM学术论坛在其报告中提出了BIM嵌入高等教育相关专业的建议性教学目标体系[17]。该报告阐述了不同目标层级下BIM教育的三类预期学习效果，即知识与理解、实用技能和可转移能力，如表 5所示。
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表 5 英国高校BIM课程教学目标体系 |
基于从业人员的专业技能和职业资格要求，大多数BIM学术论坛成员高校开设了BIM硕士教育项目，部分高校BIM教育项目如表 6所示。
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表 6 英国部分高校BIM硕士教育项目 |
表 6中，除全日制学习外，一些高校还提供了远程学习方式供学员选择。其中，远程学习满足了一部分有更新职业技能、促进职业发展需求的学员。例如，密德萨斯大学在BIM管理硕士项目中采用了远程学习模式，适用于全职工作的学员。该项目学习包括三个模块：第一个模块侧重技术层面的BIM管理，第二个是操作层面的BIM管理，第三个模块是战略性BIM管理。三个模块均提供学术界和行业专家的在线演示支持，并鼓励学生参与讨论。
3. 本科生BIM教育虽然许多英国大学已经开展了BIM硕士学位教育，但本科生项目的BIM教育值得长期投入且效果最为显著。其内在逻辑在于，BIM适用于建筑物全寿命周期，培养新一代掌握BIM技能并满足现代工作流程需要的从业者是值得的，而不一定只在研究生层次上进行“专业化”培养。
例如，拉夫堡大学是英国为数不多的在本科教育项目中纳入BIM教学的高校之一，在建筑与土木工程学院四个本科专业(即建筑工程与设计管理、土木工程、建设工程管理和商业管理与工料测量等)中嵌入了BIM方面的教学内容[18]。其典型的本科生BIM教育分3个阶段，即阶段性BIM教学、BIM研讨班与视频辅导和BIM专用模块建模[19]。
阶段性BIM教学在本科四年的教学中均嵌入了BIM内容。第一学年，学生主要学习BIM基本原理和概念，树立BIM技术意识，熟悉BIM协作性和互操作性问题；第二学年，侧重于学习BIM协议(标准)、多学科设计信息的产生、模型的协调和建筑施工信息交流数据集的生成；第三学年，要求学生深入产业生产一线，熟悉行业需求和BIM应用，参与专业实践，检验和调整实际技能，认识BIM应用的机会和障碍；第四学年，要求学生将BIM应用到专业领域(包括论文和设计项目)，建构和管理共享数据环境，并获得BIM建设项目交付的相关知识。
BIM研讨班教学阶段要求四年级学生参加为期5天的生产一线BIM研讨班，旨在提高学生对BIM的认识，检验各种教学资源的实用性，评估将要教授的BIM技术。该研讨班除了教授BIM必备知识和技能外，还要求学生开展各种讨论，如评价和比较BIM软件、3D模型比较以及使用信息交互数据实现BIM协作等。研讨班提供机会让学生参观施工现场，与行业专家交流，并参与案例研究。在研讨班结束前，要求参与学生运用所学技能合作建立一幢多层建筑的3D、4D模型。
BIM专用模块建模教学阶段要求学生创建新的BIM专用模块，以满足BIM应用的特定需求，这些模块受课程约束或其独特性而未被嵌入常规教学。此阶段的任务由跨专业的多人团队合作完成，学生来自建筑工程与设计管理、土木工程、建设工程管理和商业管理与工料测量等专业，同时也鼓励部分研究生参加。在具体项目中，各小组成员扮演不同角色，实现BIM建模(3D、4D和5D BIM)与协作应用。例如，学生可自由选择如何创建5D数据，即通过电子表格生成Revit进度，或导出3D模型到CostX或Naviswork实现工料测量。
在课程教学中，通过现场参观、讲授、研讨、工作坊及引导性自主学习等多种方式实现BIM教学目标。其中，引导性自主学习在教学学时中占比非常高。例如，在100学时的协同BIM设计项目课程中自主学习占68%；在150学时的3D BIM概念设计课程中自主学习占79%。在课程结束时，以建模、个人汇报、团队作业汇报等方式评价学生学习成果。
三、美英高校BIM教育的特点 (一)核心思想现代建筑工程技术、过程的复杂性意味着没有人能主宰一切，BIM作为一个与生产、交流、分析相关的模型化技术，以一种特殊方式创建、使用和共享全生命周期数据，为工程项目规划、设计、建造和运行维护过程提供标准化信息模型，可以应对复杂、快速发展项目的同时在降低成本、提供项目可持续性方面发挥较大作用。因此，BIM教育需强调土木建筑各学科间的协作，培养学生基本的BIM知识和技能，建构学生对BIM支持的项目全寿命周期建设与运营维护过程的整体性理解，而不拘泥于某个特定BIM软件(工具)的掌握或运用。
(二)教育主题与课程BIM技术服务于建设项目全寿命周期，BIM教育将BIM技术与项目交付技术、项目管理和协作等结合，为土木建筑类专业学生建立所需的BIM能力框架。大多数BIM教育工作者认为，学生学习手绘草图、阅读和理解图纸、使用物理模型和学习CAD等仍是学习BIM的前提条件，有助于学生深刻理解建筑物及其构件的相互联系。在美英高校的BIM教育过程中，3D、4D、5D甚至nD技术贯穿其中，循序渐进地建构BIM知识和技能的逻辑顺序，并涵盖设计、施工、运维等项目全寿命周期的重要阶段。BIM教育中有代表性的主题和内容如表 7所示。
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表 7 BIM教育主题与课程 |
在BIM的运用和能力中，可施工性和可视化是目前BIM教育所必需的，BIM设计、能源模拟、基于BIM的协作、基于模型的估计和成本控制以及4D仿真也是重点讲授的内容。但是，受教学条件、资源所限，一些教学内容未能在BIM课堂中体现，例如，设备(资产)管理和更新优化是运维阶段的事项，在教学实践中较少涉及。因此，可以根据行业的直接投入和在就业市场上BIM职业道路的基准，结合地方行业发展现状和学校教学条件，选择性地安排教学内容，让学生熟悉BIM应用实践中的标准和约定，学习和思考现实世界中的挑战和解决方案。
(三)教育方法 1. 课程设置策略BIM课程设置是课程改革或整体教学策略的核心，其主要形式为开发专门的BIM课程和面向BIM的课程重组。但是，在土木建筑类专业中，专设BIM课程需要教师适应与BIM相关的新技术、新教学策略，学生将不得不适应不同的学习环境，一些教育工作者担忧这种变革会对现有课程的根本转型或重组起反作用[10]。因此，只有少部分学校采用了独立设置BIM课程的策略，大多数学校则在现有课程基础上更新、重组。
2. 软件教学方法BIM应用中，尚无一种软件能覆盖项目全寿命周期的BIM应用，必须根据不同的项目阶段采用不同的软件，因此，BIM软件的种类非常多。常见的BIM软件有Revit、Microsoft Project、Navisworks Manage和Vico Office等。在AEC课程中，分步指导(作为讲师引导的方法)、阅读讲义和补充材料、学习音频视频教程、指导和交互式模拟等已成为软件教学的主要方法。例如，教师可以在虚拟或现实课堂上分步骤演示软件的使用方法，再由学生演练或自学，是掌握软件使用的普遍教学方法。
3. 产业参与BIM具有很强的实践性，在BIM教学中仅限于软件技能的课程并不能让学生自如应对BIM的实际挑战，不能有效地向学生传递基本的BIM知识，毕业生掌握的BIM专业技能与AEC行业的人才预期之间存在不小的差距，因此，在课程开发和实际课程教学中寻求行业专家的建议和指导非常必要。例如，从行业聘请BIM专业人士做兼职教师，以授课、讲座、交互指导、小组讨论、实地考察等方式，丰富BIM课程的教学内容和教学模式。
4. 作业作业是让学生巩固BIM知识和技能的重要手段。例如，课程总结、学期论文、独立作业或团队作业，利用BIM工具建模及模型分析，与专业人士交流，开展案例研究和现实背景下的BIM行业应用等。
5. 评价除教师的常规评估外，专业人员评估、同行评估和自我评估方法也已应用于BIM课程中。行业内专业人士的评估，可为BIM课程带来新的视角，并对学生的可交付成果提出建设性意见，丰富学生的学习体验。
四、美英高校土木建筑类专业BIM教育的启示(1) 探索并构建完善的BIM课程体系。在课程设置模式方面，除开设BIM概论性专门课程外，建议在现有土木建筑类专业课程中嵌入BIM工具和内容，改进现有课程内容并提升学生学习效果。课程内容方面，以3D、4D、5D为主线，遵循工程建造过程，渐进式地设计BIM授课内容。
(2) 升级BIM教学软硬件环境。BIM教学涉及项目全寿命周期，各阶段用到的软件多，对运行的硬件环境要求高。因此，高校必须投入必要资金，升级硬件并配置相应的BIM软件，涵盖项目设计、建模仿真、虚拟施工及管理、项目运维等各阶段，为BIM教学提供有效保障。
(3) 强化师资队伍建设。缺乏经验丰富的教师是BIM教育面临的重大挑战。高校可以采取“走出去、请进来”的策略，强化师资队伍建设，提高BIM教育效果。一方面，高校要激励并选派教师赴大型企业或国内外工程现场进行工程实践，参与BIM应用问题的解决，学习和掌握BIM技术，并用于教学实践中。另一方面，高校可聘请一批经验丰富的行业专家作为兼职教师，参与土木建筑类专业课程的BIM教学。
(4) 采取多元化教学模式。在教学模式方面，除了课堂讲授BIM内容和工具外，可以让学生阅读BIM材料、观看视频，并以案例、项目组织教学。学生小组讨论、交互指导、团队作业、工作坊、业界讲座、实地考察、BIM项目案例研究与分析等，也是提高学生学习BIM知识和提高BIM技能的有效方法。此外，积极组织师生参加BIM技能大赛，以实际工程案例为基础，模拟实际工作场景，通过以赛促教、以赛促学，进一步提高学生的实践和创新能力，培养学生团队协作能力。
(5) 推进学校与行业深度合作。在行业内，一些大型设计院、施工单位、项目咨询公司、房地产企业和建造软件公司基本上都拥有专门的BIM技术中心和团队，具备丰富的BIM应用实践经验，为学校和行业开展深度合作创造了良好条件。例如，利用产业合作项目，开展合作办学、订单培养、技术攻关，共建BIM实践创新培训基地、校企BIM研究中心(院)等，丰富BIM教学软硬件资源，优化BIM课程内容，提高BIM教育水平，培养BIM应用的高素质优秀人才。
五、结语越来越多的美英高校在AEC专业中融入了BIM教育，大多数高校都制定了渐进式的BIM教育战略，并明确了BIM教育的阶段性目标，在课程内容、教学方式、行业参与、教学评价等方面开展了有益探索，取得了较好的效果。目前，我国高等教育部门正在“中国制造2025”国家战略背景下积极推进新工科建设，培养未来新兴产业和新经济需要的高素质复合型新工科人才。因此，有必要借鉴BIM教育、培训的先进理念和方法，加快我国AEC专业中BIM教育和培训的步伐，以BIM行业应用推进建筑业产业升级，助力建造强国愿景的实现。
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