土木类多专业联合毕业设计研究

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摘要：基于BIM技术的土木类多专业联合毕业设计是一种针对本科毕业设计模式的探索，旨在模拟实际工程项目流程，以解决传统模式下存在的闭门造车、缺乏沟通等问题。联合毕业设计中的分工协作主要产生于工程设计、施工和投资造价管理之中，其中施工组织设计扮演着承上启下的作用，一方面需要以工程设计图纸为施工的依据，要在三维BIM模型的基础上开展方案选择和施工模拟，与工程造价专业的工作协调形成控制性投资计划；另一方面则通过以上模拟来发现各种问题，将其反馈到设计之中进行优化。通过这一过程形成工程项目的全过程管理，实现多专业的协作。

关键词：联合毕业设计；BIM技术；施工组织设计；多专业协同

本科毕业设计是教学过程最后阶段采用的一种总结性实践教学环节[1]。土木类专业的毕业设计一般以结合工程实际的工作为主，一般情况下按照一人一题、指导教师为学生拟定题目的方式进行。这样的模式便于指导教师全程掌握学生的完成进度及质量，并对学生进行各阶段的考核管理，按照教学大纲的要求保证毕业设计的质量[2]。传统的毕业设计模式暴露出了以下明显的问题。一是闭门造车，缺乏信息交流。二是缺少协调与交流。为了解决以上问题，自2017年起，西南石油大学土木工程与测绘学院就联合土木工程、建筑环境与能源应用工程、工程管理、测绘工程等专业的师生开始了面向行业变革、顺应信息化发展潮流、结合数字建造、基于BIM的跨专业联合毕业设计的探索与实践。对美国高校土木类专业的调查结果可以看出，几乎所有的专业课程都有BIM技术的应用，其中奥本大学毕业设计运用了BIM技术、科罗拉多州立大学也开设了BIM技术多专业联合课程等[3]。国内各高校根据各自的特点决定所采取的方式，如清华大学软件学院的BIM标准研究课题和同济大学的BIM技术研究项目、哈尔滨工业大学首次开设的“BIM技术应用短课”和华南理工大学开设的“BIM工程师培训课程”[4]。高校应充分利用BIM技术的优势，抓住毕业设计这一时间充裕、能够寻求到与工程实践结合的宝贵机会，来提高BIM人才培养质量，同时也加强毕业设计的实践应用能力培养效果。

一、基于BIM的跨专业联合毕业设计的可行性

在拥有了BIM技术这一信息平台之后，多专业针对同一项目进行联合毕业设计拥有了可行性。高校可以将项目全寿命周期中涉及的各阶段设计工作进行有效拆分，并分别安排给不同专业的团队，整个过程完全模拟工程实践操作程序。其具体分工如下。1.土木工程专业：负责完成结构正向设计、结构工程建模工作；设计成果传递给其他专业用于后期工作。2.建筑环境与能源应用工程专业：负责完成空调暖通系统正向设计及建模、给排水系统正向设计及建模工作；设计成果传递给工程管理专业用于安装工程部分的施工方案编制和工程计量。3.工程管理专业：负责完成项目统筹协调、施工组织设计、工程计量、计价工作。4.测绘工程专业：负责完成影像获取、GIS建模、模型修饰、模型整合工作。每个专业在完成各自负责的工作之外，还必须充分考虑与其他专业之间的协调。以施工图设计为例，土木工程专业给出建筑和结构设计图纸，并将其传递给建筑环境与能源应用工程专业进行暖通空调和给排水工程设计，同时也提供给工程管理专业进行三维建模、碰撞检测和技术经济分析。建筑环境与能源应用工程专业和工程管理专业在工作过程中发现设计存在的各种问题，如结构与管道的碰撞，或者提出更为优化的设计方案，并将意见反馈给土木工程专业，进行图纸的调整和优化。这一多专业联合毕业设计模式之所以能够得以实施，关键在于BIM技术构建了整个工程项目的信息交互平台，能够在项目协调过程中实现“一模到底”，各个专业都可以在统一的BIM模型上开展工作，并及时传递信息。BIM模型的三维可视化效果可以让不同专业在空间的视角下开展设计，从而有效避免了平面图纸上容易出现的构件碰撞现象，减少了后期工作可能遇到的返工情况。模型的实时计量和BIM5D的应用，也能够直观输出项目经济数据，成为对设计方的有效反馈。

二、基于BIM的施工组织设计

可以看出，工程管理专业所负责的工作在整个联合毕业设计中占有中心地位，而施工组织设计工作则在工程管理专业的工作中有着承上启下的作用。基于BIM技术开展的施工组织设计在国内已经有很多实践与探索，对其工作内容进行归纳，有利于分析其在整个联合毕业设计中所起到的作用，以及与其他各专业工作之间的分工协作关系。单位工程施工组织设计是以单位工程为对象，由承包商根据施工图纸及其他有关资料和现场施工条件，编制对单位工程的施工过程起指导和制约作用的技术、经济文件。单位工程施工组织设计的编制视工程的规模大小、复杂程度及用途（投标用或实施用）略有不同。BIM技术在施工组织设计工作中的应用主要集中在施工进度控制、施工模拟和资源管理3个方面，其主要的应用方式和作用如下。

（一）施工进度控制

将BIM三维模型关联进度计划信息，就能形成以BIM模型为基础、WBS工作分解为核心、进度计划为扩展的4D信息模型。然后，基于BIM5D软件完成4D信息模型的集成，在完成3D模型、场布模型和进度计划模型的创建后可以集成4D信息模型。在4D信息模型集成后，就可以在其基础上完成施工进度控制。利用BIM5D软件，项目管理者可以完成对施工场地布置和施工进度的可视化模拟，同时也能对项目进度、资源进行动态管理。

（二）施工模拟

BIM5D软件打破了传统项目管理模式，在4D信息模型集成的条件下，为项目管理者提供了更强大的施工模拟功能。通过使用施工模拟功能，管理者能够随时查看不同施工时间和区间的三维动态图像，随时获取场地布置情况、项目进展情况和资源消耗情况，并且能及时发现和优化项目中存在的不合理方案，真正做到前期指导施工、过程把控施工、结果校对施工的精细化项目管理。

（三）进度、资源管理

在对3D模型、进度计划模型和场布模型集成后，BIM5D软件为管理者提供了多种进度、资源管理功能，能够形象直观地反映出项目进展情况和资源消耗情况。1.进度形象管理、进度对比、进度跟踪在BIM5D软件中,模型会用不同的颜色表示不同的任务状态，可以实现计划进度和实际进度的形象对比，并直观地看到一项工作延误对后续工作及总工期的影响。同时，在实际进度发生偏差时，还可以通过进度跟踪功能对进度问题及时上报并进行调整和实时跟踪。2.工程量动态查询、资源动态查询、实际与计划资源对比管理在4D模型中每个构件都关联了时间信息，因而可以按时间进度和工程模型范围两种方式查询构件工程量，查询结果可按构件类型、流水段、楼层、规格型号4种方式汇总。4D模型也具有资源消耗量信息，BIM5D软件可以在统计构件工程量的同时，统计出相应模型相关的资源消耗量。此外，若在进度计划中选中任意时间节点，即可查看该时间段内所需的人工和材料资源用量，在具备条件的工程项目中，可用于与实际资源消耗量的对比，并生成S曲线。由上可见，施工组织设计工作细致繁多，需要大量基础资料作为支撑，其设计成果又会反馈给其他专业，作为其他专业工作协调优化的基础。在BIM技术这一平台上，信息传递变得高效化，更需要关注在分工协作中的信息流程和权限分配。

三、施工组织设计与其他专业工作之间的信息传递

施工组织设计工作的整个流程都在频繁地与其他专业工作进行大量的信息传递，具体分析如下。

（一）施工组织设计的基础是设计类工作

在联合毕业设计的流程中，土木工程专业要完成建筑和结构设计工作，建筑环境和能源应用工程专业要完成给排水和暖通空调工程设计工作，设计图纸正是施工组织设计的基础资料。施工组织设计编制第一步工作就是要熟悉、审查图纸，发现、修改其中的错误，并收集相关资料。设计类工作同样是确定施工方案的前提条件，结构设计决定了钢筋混凝土工程的施工顺序和方法；建筑设计决定了门窗、屋面、防水保温等工程的施工方法和细节；给排水和暖通空调工程设计决定了各种管道、水电线路的施工方法和细节。施工组织设计正是要把图纸设计变为可以实际指导施工的具体方案，而在多专业协同的过程中，又必将会发现其中的不合理之处，如空间冲突等，这些发现又可以反馈给设计方，并提前进行改进，以避免未来实际施工过程中的返工。设计图纸还决定了施工平面和空间的布置，建筑物的总平面设计决定了施工临时设施可以利用的场所的位置和大小，对于绘制施工总平面布置图，并选定设备类型、制定材料采购计划表等都有参考作用。

（二）施工组织设计与工程造价工作的同步协调

在联合毕业设计中，施工组织设计和工程造价工作都由工程管理专业负责完成，单纯根据图纸进行的工程计量计价工作是简单且缺乏实际意义的，因此在联合毕业设计中进行的工程造价工作与施工组织设计应同步进行，并相互协调。造价专业计算出的工程量将作为施工组织设计中编制进度计划、制定材料采购计划和设备选型的基础。结合施工组织设计中编制的进度计划产生出BIM5D模型，把控整个工程的资金需求，从而对投资者可能面对的资金压力进行预测，并最终与实际项目进展进行对比。

（三）施工组织设计与BIM拓展应用之间的关系

在BIM技术中，拓展应用是体现信息化优势的重要内容。在多专业联合毕业设计中，同样安排了多方面的BIM技术拓展，如VR应用、GIS空间信息处理、工序节点施工模拟等，这些工作都属于施工组织设计工作在某一方面的延伸。

四、联合毕业设计存在的问题

基于BIM技术的土木类多专业联合毕业设计创造了一个项目综合信息平台，在解决了大量传统毕业设计存在的问题的同时，也带来了许多新的问题。近几年，BIM技术已经被广泛应用于工程施工实践，已经在毕业设计中使用。多专业联合毕业设计作为一种新的模式，也进行了一些实践和探索。不可避免的是，新的方法总会带来新的问题，具体来说有以下几个方面。

（一）时间安排的冲突

从联合毕业设计整体流程，以及前文所分析的各专业之间的协调可以看出，多专业联合毕业设计是在尽可能地模拟实际工程项目的整个流程，从设计到施工是有一个先后顺序关系的，大型工程项目往往要花费数月时间在施工图纸设计上。如前所述，设计图纸是后续一系列工作的基础，毕业设计的工作时间只有一个学期，不可能让后续工作等待工程设计的完成再进行开展。目前采用的办法是，先提供已有工程图纸，让联合毕业设计的各个专业工作得以同步推进，再利用各专业的协调能力对设计图纸进行调整，但是无论如何，已有图纸必然会对工程设计造成影响，与实际工程从无到有的过程不符。

（二）学生运用BIM技术的能力瓶颈

多专业联合毕业设计涉及4个专业，且是针对一个大型工程项目进行设计工作，要完成这么多的工作内容，必须要组建一个大型的项目团队，而团队成员对于BIM技术的应用能力必然存在参差不齐的情况。项目团队在每个专业都设置了“领头”学生保障专业能力，但是部分学生的能力不足，制约着设计水平的进一步提高。

（三）多专业信息协调效果未达预期

在联合毕业设计中要实现多专业之间的信息传递和协调，以达到最大程度的模拟工程实践过程，摆脱毕业设计闭门造车痼疾。但是在实践过程中，由于学生普遍缺乏工程实际经验，虽然有BIM这一信息工具，但是却未能达到预期效果，主要是因为学生对于哪些信息需要传递、哪些工作需要协调的判断并不准确，这些都需要指导教师投入大量精力进行指导。

参考文献：

[1]张伟杰，孙辉辉，张玉洁.把握毕业设计节奏提高学生综合素养[J].教育教学论坛，2016（36）：46.

[2]石圆圆.建筑类高校多专业联合毕业设计教学模式的反思[J].中国现代教育装备，2020（1）：101.

[3]BECERIK-GERBERB，GERBERDJ，KUK.ThePaceofTechnologicalInnovationinArchitectural,Engineering，andConstructionEducation：IntegratingRecentTrendsintotheCurricula[J].JournalInforma-tionTechnologyandConstruction，2011（16）：412．

[4]陈红.大型实体模型智能化测控设计及关键技术研究[D].南京：河海大学，2016：62.

作者：蒋杰 刘红勇 单位：西南石油大学