基于BIM和CDIO的道桥毕业设计的教育改革和实践

摘要：近年来，由于土木类专业自身受制于工程量大、不可逆性等特点，使CDIO教育理念在土木类专业方面发展受限。本文将CDIO模式和BIM技术引入到道桥专业毕业设计教学体系中，利用BIM的可视化、参数化设计提高学生的毕业设计成果质量、提高学生的综合能力，所进行的教学改革与实践可为我国应用型本科教育发展提供一定的参考。

关键词：BIM;CDIO;道桥专业;毕业设计;教学改革

引言

近年来，随着每年我国土木类专业培养人数的大量增长，就业压力持续扩大等问题，导致人均师资、教学资料等教学资源相对贫乏，加之互联网的普及，致使学生工科毕业设计任务量不均衡，学生相互间相似度高，以及与工程实践脱节等问题。

在目前应用型本科院校实习实训教学资源相对紧缺的情况下，可以将CDIO模式和BIM技术引入到道桥专业毕业设计教学体系中，利用BIM的可视化、参数化设计提高毕业设计作品质量，提高学生的工程素养及综合能力。

本文所进行的道桥专业毕业设计的教学改革与实践，以CDIO为路线，以BIM为技术手段可以让学生体验道桥工程的从构思到拆除的全寿命周期的理论与实践;可以使土木类毕业生具有较强的解决复杂工程问题的能力、口头以及书面的沟通能力等优质工程人才，并可使学生就业后提前胜任岗位工作1~2年。

1CDIO教育理念与BIM技术融合教改理论

美国麻省理工学院和瑞典皇家工学院等四所大学经过四年的探索研究后创立了CDIO工程教育理念，并于2004年成立了CDIO国际合作组织[1]。CDIO代表构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和运作(Operate)，以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程[2]，迄今为止，有几十所世界著名大学已全面采用了CDIO工程教育模式，取得了非常好的效果，CDIO模式培养的学生尤其受到社会与企业的欢迎。2006年，汕头大学成为中国高校第一个CDIO成员，近年来各专家学者、高校教师对利用CDIO提高土木工程专业实践教学效果方面也做了大量的研究与实践。

在美国，很多学校已将BIM融入到了课程中或计划增设BIM课程[3]。如佛罗里达大学建筑设计与工程学院自2007年将BIM引入到本科生的识图课以加深学生对图纸的理解，然后引入到施工技术、施工组织管理、预算以及优化设计等课程直至让学生利用BIM技术完成土木工程自设计、施工、预算以及能源、日照分析等所有环节。在国内，目前主要是各大BIM软件厂商和中国建设教育协会在极力推动BIM技术的应用，很多大学成立了BIM研究小组。

CDIO教育理念在机械、电子、计算机等教学专业上发展迅速，在土木工程专业上也有一定的发展。但是，由于土木工程自身受制于工程量大、不可逆性等特点而相对受限，而BIM(建筑信息模型)将建筑物在各个不同阶段的仿真模拟信息构建数字化模型，使建设项目的所有参与方在项目从概念产生到完全拆除的整个生命周期内都能进行可视化的模拟。建筑参数信息在周期内在各参与方之间流转，结合土木工程教学，二者都强调了全寿命周期，CDIO强调项目以全寿命周期进行教学，BIM对土木工程的全寿命周期进行实现和管理。

2CDIO模式毕业设计的组织与管理实践

在本次教学研究与实践中，参照CDIO的标准，以2013～2016级土木工程道路桥梁工程方向为实践对象，进行CDIO核心能力的研究与实践，将毕业设计设置为CDIO一级项目，毕业设计题目重点考虑采用真实工程、环境背景或真实案例完成桥梁设计、道路设计工程。公路工程设计类题目完成公路工程路线、路基路面结构、防护与排水工程设计以及工程预算、规划性施工组织设计，桥梁设计类题目完成桥梁自概念设计到结构计算设计;毕业设计分四个阶段进行：

(1)动员与选题阶段：由教研室对学生就业状况及兴趣意向统计各类型题目数量，教师按照指导学生数量的110~120%及参照前述统计结果拟定毕业设计题目并进行双向选择。

(2)开题阶段：指导教师依据给定的题目内容，要求学生在与题目高度相关且级别较高的文献中选择相关资料，学生在此基础完成外文翻译、文献综述，并完成开题报告，经过多轮修改后进行开题答辩。通过者可进入到后续的设计环节。

(3)“做中学”毕业设计实施阶段：指导教师根据题目类型，成立不同的设计小组，组员轮流担任小组长，协助教师日常工作管理，组内每周不少于两次的组内汇报与讨论，每位学生汇报自己的进度，其他学生及教师进行质询，通过相互讨论交流解决设计中出现的问题，基本上能解决九成的问题，对于学生通过讨论不能解决的问题，教师再进行引导或讲解、或指定解决途径，在整个设计过程中，教师进行设计工作进度的总体把控，监督学生进行组内讨论、交流，定期填写“毕业设计指导记录本”，由于实际工程的复杂性和长周期性，学生在讨论中，通过相互辩论来修正自己的错误观点，在不断的相互妥协中提高团队意识及协作能力，提高工程素养;通过查阅资料、相互探讨提高学习能力，在解决问题的过程中完成知识的学习及技能的培养，通过多次汇报培养了学生利用专业工具的口头及书面表达能力;学生则组织每次的讨论，完成场地、设备、具体流程安排等组织工作，每位学生均参与此项组织工作，在组织能力及领导能力上都得到了提高，更进一步培养了学生团队协作能力。

(4)评定阶段：参照CDIO的各项标准，主要评估学生设计成果的学术水平、工程可行性、符合工程规范、可持续性发展等指标，参考学生在各阶段的表现，最终评定学生的课程成绩，在此过程中，学生的工程能力得到极大的提高，再通过论文检测等手段，既保证了设计的质量，也在设计的过程中培养了学生的各项能力;教研室还进行了格式检测，培养了学生的书面表达能力。

3BIM技术实现道桥毕业设计

由于道路、桥梁等土木工程造价高、占用土地、空间巨大，一旦实施后，就不能再恢复到初始状态，在实施CDIO工程教育时都受限，这也是机械、电子、计算机等专业在CDIO改革上大规模推进，而在土木工程专业领域推进相对缓慢的原因，而才有BIM技术能有效的解决这一问题;

在本专业的毕业设计中，道路工程采用BIM软件Civil3D或者路易-BIM道路设计系统进行公路设计;首先可采用Civil3D可对地线数据进行预处理，由于DWG数据量大，会影响到设备在后期的设计效率，可以对无效的数据删除或圈定设计的区域;然后Civil3D中进行选线操作，按照道路工程在山区或平原地区的选线要点，初步拟定几条合适的线路，对拟定的线路根据软件给定的参数进行比较;还可在软件中进行动态三维比较;线路确定后，可依据公路设计的等级，参数等进行平面、纵断面、横断面的设计，以及交通标志、道路景观的设计，最后，可对设计的线路进行三维漫游等。最后依据制作的三维模型生成工程图纸;在毕业设计的实践中，本专业在平时的教学中已开设了BIM课程-Civil3D软件的学习，学生已基本掌握了道路工程的设计原理，基本能独立利用Civil3D软件完成道路工程毕业设计的几何构成;在此过程中，也可采用路易道路设计系统完成上述工作，但在实际工作中，Civil3D软件功能过于强大，学生在操作中相对困难，路易道路设计系统在学生掌握设计理论的前提下，可比较轻松的完成上述工作，且能更容易生成可实用的工程图纸。在完成几何构成后，学生可完成后续的路基、路面的结构计算以及论文撰写等工作;整个毕业设计的工作中，采用BIM软件可完成50%以上的工作量。

类似的，在桥梁工程的设计中，学生可利用了SketchUp及photoshop进行桥梁的概念设计，利用3dmax或Revit建模，可利用Midas或桥梁博士进行结构设计。

结语

中国当前的工科教育毕业生毕业后一般不能立即胜任岗位工作，需要一定的见习期，解决实际工程问题的能力有待在实际工

作中去培养锻炼，更是缺乏对当代工程的领导、决策、协调、控制的初步能力和管理素质，已经不能满足当前形势下产业升级的需要，此教育教学环境下的高校土木类专业毕业生也不例外;特别是在大部分学生在毕业设计时段兼顾考研与就业的情况下，各校的毕业设计质量都在下降，CDIO模式可将学生土木工程构思、设计、施工、运营各阶段有机结合，利用BIM技术可实现参数化、可视化设计，显现道路、桥梁在设计、施工等环节可能出现的矛盾或不合理现象，并通过不断的修改、优化设计，从而提高学生的工程素养及学习能力;于应用型高校工程教育研究进行有益的探索和尝试，将促进道桥专业CDIO模式教学和BIM技术的研究和应用的进一步深化，不仅能够满足国家产业发展的需求及当前产业升级对工程人才的需求，并对我国其他应用型高校道桥工程专业实践教学及BIM技术研究和应用的具有重要的借鉴作用。

参考文献

[1]李定海.CDIO教育理念下的大学物理实验选修课教学初探[J].佳木斯教育学院学报,2013,(09):213.

[2]钟婷婷.工科背景下产教融合国际案例研究与启示[J].科教文汇,2019,(06):9-11;

[3]刘红勇,何维涛,黄秋爽.普通高等院校BIM实践教学路径探索[J].土木建筑工程信息技术,2013,5(05):98-101.