基于 OBE-CDIO 的装配式建筑 BIM 一体化实践教学改革

【摘要】目前我国建筑业迫切需要向工业化、信息化、智能化转型发展，而装配式建筑和 BIM 技术一体化人才的严重匮乏已经成为行业发展的瓶颈。针对现有装配式建筑理论教学和实践教学的不足，结合以学习成果为导向的 OBE 教育理念和行业需求，构建了设计、生产、施工一体化的装配式建筑 BIM 实践教学目标，采用 CDIO 工程教育模式和案例驱动法，建立了装配式建筑 BIM 一体化实践教学框架。通过教学案例分析和学生反馈证明：该实践教学体系可有效弥补装配式建筑理论教学的不足，显著提高了学生运用 BIM 技术解决装配式建筑设计、生产、施工一体化的综合能力。

引言

装配式建筑指的是用工厂生产的预制构件在现场装配而成的建筑，是工业化建筑的重要组成部分。由于其具有缩短工期、节约材料、提升工程质量、改善劳动条件、符合节能减排等优点，因此国家提出大力发展装配式建筑，推动建筑工业化发展。装配式建筑的建造全过程需要全面协调建筑、结构、设备、装修等各专业及建设、生产、施工、监理等各单位，相对传统建筑而言更加系统化，一旦构件在现场装配时发生“错漏碰缺”或“设计变更”，返厂返修会造成巨大的经济损失和工期延误。而 BIM（Building Information Modeling）技术作为整合项目的各种相关信息的三维数字模型，可以在装配式建筑设计、生产、建造和管理协同过程中进行相关信息共享和传递，将会有效避免上述弊端。2020 年武汉火神山和雷神山两座医院从开始设计到建成仅历时十余天，离不开 BIM 技术在装配式建筑设计、生产、施工的一体化应用。

装配式建筑推广和发展的最大短板是专业人才严重不足，尤其是装配式建筑与BIM 技术复合型一体化人才。目前全国绝大部分本科高校还未设置装配式建筑类专业或者方向，仅有部分本科高校在土木工程专业的培养方案中增设了装配式建筑相关课程。部分高职院校开展了装配式建筑人才的培养工作，但是课程体系和实践教学均为初期探索阶段，且与 BIM 技术的结合度不高。潘洪科等研究了建筑产业化背景下本科高校装配式建筑方向人才培养方案与教学体系改革，苟寒梅等建立了五维协同的装配式建筑职业教育人才培养机制，刘莉萍等探索了装配式建筑土木工程施工课程实践教学的建设途径，而针对 BIM 技术如何融入装配式建筑理论与实践教学还鲜有研究。为培养装配式建筑与 BIM 技术复合型一体化人才，本文首先分析了现有装配式建筑理论教学和实践教学的不足，基于成果导向的 OBE (Outcomes based education)理念，根据行业需求提出了装配式建筑设计、生产、施工一体化 BIM 能力实践目标，采用CDIO(Conceive-Design-Implement-Operate)工程教育模式将实践教学过程分为构思、设计、实现和运作环节，建立了基于OBE-CDIO 的装配式建筑 BIM 一体化实践教学框架，并通过实际项目案例应用，验证了该实践教学模式的合理性和有效性。

1 装配式建筑教学现状

目前，各院校在装配式建筑理论教学和实践教学中存在以下问题：

1.1 装配式建筑理论教学现状

装配式建筑人才培养仍处于初期探索阶段，专门设立装配式建筑相关专业和方向的高校非常少。虽然已有部分高校开设装配式建筑相关课程，但是绝大部分仅是在培养方案增加了介绍装配式建筑的课程，且理论课时较少。装配式建筑相关课程体系和教学大纲仍不完善，尤其是教材和教学资源不足，教学内容抽象，绝大多数老师教学方式传统，学生学习的参与度和互动性不高，无法激发学生对装配式建筑的兴趣。

1.2 装配式建筑实践教学现状

由于受设备、经费和师资等条件限制，大部分院校的装配式建筑实践教学深度远远不够，仅有少数院校建成了配有装配式建筑实体模型的实训室，但是固定、静态的设备与构件模型对学生的理解、掌握和运用能力的提高十分有限。除了参观预制构件厂以外，学生能进入装配式建筑实际项目实习的机会少之又少。另外我国绝大部分高校的土建类专业已经开设了 BIM 相关课程，BIM技术在土建类课程设计、毕业设计等综合实践中已得到广泛应用，但是与装配式建筑的结合度并不高，目前针对 BIM 技术如何融入装配式建筑的理论教学与实践教学还鲜有研究。

2 基于 OBE-CDIO 的装配式建筑 BIM 一体化实践教学改革

2.1 OBE-CDIO 理念与改革路径

以学习成果为导向的 OBE 工程教育理念，首先在美国和澳大利亚等国家应用，然后推广到全球工程教育改革。该理念以学生为中心，要求教育者必须预想出学生毕业时所需要的能力与目标，然后反向设计教育结构来保证学生达到预期效果。以工程项目为载体的 CDIO 理念，指的是从工程师必须具备的基本能力出发，为学生提供以真实世界的产品从构思、设计、实现到运作的全生命周期为背景环境的工程教育模式。CDIO 的内涵是一种基于工程全周期人才培养模式，以教学大纲为培养标准，建立一体化的相互支撑和有机联系的课程体系，通过“以项目为驱动力”和“做中学”的方式引导学生主动学习，有效提升学生的知识水平、个人技能、团队协作和工程系统等综合能力。

将 OBE 理念和 CDIO 工程教育模式有机结合，能够有效培养满足行业发展的工程领域人才。本文从装配式建筑和 BIM技术的应用点入手，结合 OBE 理念和行业需求制定了装配式建筑 BIM 设计、生产、施工一体化能力培养目标。然后反向设计了实践教学实施框架，合理分配所需的装配式建筑理论知识点进入相关 BIM 实践环节，采用 CDIO 模式指导实践教学过程，根据不同阶段的学习产出结果进行评价反馈和持续改进，实现能力培养目标和实践教学过程的可持续发展，建立的基于 OBE-CDIO 的装配式建筑 BIM 一体化实践教学改革路径如图 1 所示。

2.2 基于 OBE 的装配式建筑BIM 一体化实践教学目标

OBE 理念要求教育者需预先构想出学生毕业时所能达到的能力和水平，因此作者首先通过调研设计院、预制构件厂、施工企业等不同企业对装配式建筑人才的需求，提炼出装配式建筑 BIM 设计能力、BIM 生产能力和 BIM 施工能力等一体化实践能力目标，并以 BIM 技术在装配式建筑设计、生产、施工等不同阶段的应用产出为学习导向，合理确定装配式建筑 BIM 一体化实践能力培养目标，以学生为中心，将不同阶段的实践成果进行反馈和评价，确保学生能够掌握基于 BIM 技术完成装配式建筑项目全周期的分析与管理。根据实践能力培养目标深入贯彻 OBE 理念，系统整合大多学校开设的装配式建筑理论课程教学目标，反向设计出装配式建筑 BIM 实践课程教学目标和教学内容，将能力培养始终作为教学目标落实到具体教学内容中，如图 2 所示。其中装配式建筑 BIM 一体化实践能力培养目标包括：

（1）装配式建筑 BIM 设计能力培养目标

培养学生掌握运用 BIM 进行装配式建筑方案设计和建模的能力；掌握运用 BIM进行开展装配式建筑荷载布置、结构分析和构件验算的能力；掌握运用 BIM 进行装配式建筑节点设计和预制构件拆分设计的能力。

（2）装配式建筑 BIM 生产能力培养目标

培养学生掌握运用 BIM 进行预制构件深化和模具设计的能力；掌握运用 BIM 模拟预制构件生产流程的能力。

（3）装配式建筑 BIM 施工能力培养目标

培养学生掌握运用 BIM 进行装配式建筑施工场地规划布置的能力；掌握运用 BIM进行装配式建筑施工计划编制与进度模拟的能力；掌握运用 BIM 模拟装配式建筑吊装、连接等虚拟施工仿真的能力；掌握运用BIM 进行装配式建筑工程量汇总和计价的能力。

具体的装配式建筑理论课程教学目标和 BIM 实践课程教学目标对应关系如表 1所示

2.3 基于 CDIO 的装配式建筑 BIM 一体化实践教学实施框架

CDIO 工程教学模式强调学生主动参与到项目研发到产品运行的生命周期，是实现 OBE 能力培养目标的关键。根据 CDIO工程教育模式，本文采用项目案例驱动法，将装配式建筑 BIM 一体化实践教学框架分为构思、设计、实现和运作四个环节，以保证学生达到可以掌握应用 BIM 技术解决装配式建筑设计、生产、施工等工程问题的一体化能力，如图 3 所示。其中四个环节教学内容如下所述：

（1）构思（Conceive）环节

教师根据培养目标，选取装配式建筑项目案例，布置项目任务要求、安排计划等内容；学生熟悉和理解项目任务书。本环节的产出成果为项目任务书。

2）设计（Design）环节

教师的指导下，学生分组并制定项目计划书，重点讨论并梳理项目工作分解、任务分工、实施流程、计划安排、成果输出等内容，同时分析项目实践过程中可能遇到的重点和难点问题，指导教师可根据学生提交的计划书进行讲解和答疑。本环节的产出成果为项目计划书。

（3）实现（Implement）环节

学生根据项目计划书分工合作，运用BIM 技术按照装配式建筑设计、生产、施工等阶段分步开展实践工作，并按计划节点和相应标准输出相应成果，经指导教师审查通过后，方可进入下一阶段。本环节的产出成果为装配式建筑实际项目在设计、生产、施工阶段的 BIM 模型和应用成果，具体如表 2 所示。

（4）运作（Operate）环节

学生对实践成果进行汇总和汇报，根据不同的考核成果内容设置，设置不同的考核评价方法，包括学生自评、团队互评、指导教师与答辩专家点评等，对学生是否达到实践课程的能力培养目标进行评价考查，以检验实践效果并对 OBE 能力目标和 CDIO 四个实践环节进行持续改进。

3 案例分析

作者以海南某大学土木建筑工程学院装配式实践课程为例，对提出的基于OBE-CDIO 的装配式建筑 BIM 一体化实践教学创新模式进行应用和分析。在构思环节，教师选取广州市某住宅作为实际工程项目，项目案例为装配式钢筋混凝土剪力墙结构，其中墙体采用现浇混凝土方式，梁板均采用预制构件，建筑面积 12629 平方米，地上 27层（主体结构），地下室 1 层，建筑高度为83.3m，结构抗震设防烈度 7 度，设计基本地震加速度 0.10g。根据该项目的实际情况和能力培养目标，制订了 5 人一组的 BIM项目任务书，其中任务书内容可概括为：以项目方案设计图纸和相关资料为依据，建立该装配式住宅 BIM 模型，并开展基于 BIM技术的装配式建筑设计、生产、施工一体化应用。在设计环节，学生分组后通过学习项目任务书，首先对项目任务进行分解，并明确团队成员分工任务。根据时间进度制定BIM 应用实施方案、技术路线和输出成果。其中设计阶段 BIM 应用由 2 名队员协同完成，生产阶段 BIM 应用由 1 名队员完成，施工阶段 BIM 应用由 2 名队员协同完成。在实现环节，学生团队成员间相互配合，按照项目计划书分阶段完成装配式建筑 BIM设计应用、BIM 生产应用和 BIM 施工应用等任务，并将输出成果（如图 4 所示）提交指导教师进行审核。指导教师采取线上、线下多种渠道及时答疑和跟踪指导，并实时对产出成果进行评价和反馈，以便及时修正和改进。在所有分享任务完成后，全体队员将成果进行汇总、统计、分析和展示，编写实践总结报告并制作 PPT 进行答辩。根据不同的考核成果内容设置，设置不同的考核评价方法，包括学生自评、团队互评、指导教师与答辩专家点评等。该评价体系可针对不同阶段各项成果进行评价并给出改进意见，实现对 OBE 能力培养目标和 CDIO 工程实践框架的持续改进。

基于 OBE-CDIO 的装配式建筑 BIM 一体化实践教学效果可通过客观成绩和学生反馈两个方面进行验证。一方面，本课程实践教学成果参加“斯维尔杯”“优路杯”“龙图杯”以及全国高校 BIM 毕业设计创新大赛、全国大学生结构设计信息技术大赛等全国 BIM 竞赛荣获特等奖 2 项、一等奖 4 项、二等奖及其他奖项若干。与此同时对三个年级本科生发放问卷，通过 Likert5 分量表来调研学生对于装配式建筑的设计、生产、施工的掌握程度，其中 2016 级本科生未开设装配式建筑相关课程， 2017 级仅开设装配式建筑理论选修课，2018 级本科生开设了装配式建筑的理论课程和 BIM 实践课程，问卷中不了解、有所了解、一般、掌握、完全掌握等五个选项的分值分别对应 1、2、3、4、 5 分。统计得到的三个年级学生自我评价样本平均值（见图 5）表明，未开设装配式建筑课程的 2016 级学生对装配式建筑设计、生产、施工的掌握程度平均值分别为 1.91、3.04、1.58，这是由于学院集中安排学生前往装配式建筑构件厂开展专业生产实习，所以大部分学生通过参观基本掌握预制构件生产流程等内容，但是对装配式建筑设计和施工了解甚少。对于仅开设装配式建筑理论课的 2017 级学生和同时开设装配式建筑的理论课程和 BIM 实践课程的 2018 级学生，其装配式建筑设计、生产、施工的掌握程度平均值分别提高 41.79% 、7.69%和 25.03%，说明实践教学模式能显著提高学生运用BIM 技术开展装配式建筑设计和施工的能力。

4 结论

本文结合 OBE 教育理念和 CDIO 工程教育模式，分别提出了装配式建筑 BIM 设计、生产、施工一体化实践能力培养目标，采用构思、设计、实现、运作等四个环节确装配式住宅BIM模型 叠合板 叠合梁 阳台板施工进度计划施工场地布置 Likert样本平均值8定了装配式建筑 BIM 一体化实践教学框架，最终构建了基于 OBE- CDIO 的装配式建筑BIM 一体化实践教学模式。最终通过案例分析和学生反馈，验证了该实践教学模式可有效弥补装配式建筑理论教学的不足，显著提高了学生运用 BIM 技术解决装配式建筑设计、生产、施工一体化的综合能力，有助于装配式建筑和 BIM 技术一体化复合型人才的培养。

（编辑：奚雅青）

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