新工科背景下智能建造人才培养模式研究

［摘 要］ 在新时代背景下，人类步入第四次工业革命，建筑行业的产业升级势在必行，而智能建造的提出恰为此指明了方向，各大高校也响应国家政策相继增加了智能建造专业。首先在介绍智能建造的背景及意义的基础上对高校培养方案的制订进行了阐述，然后从建设项目的设计、施工、运维管理角度对智能建造中的BIM技术、3D打印、智能机械、人工智能等主要内容进行了介绍，并由此展开了对智能建造专业人才培养的探讨，为智能建造专业人才培养提供参考。

［关键词］ 新工科；智能建造；人工智能；教学模式；人才培养

［基金项目］ 2021年度河北省科技厅引进智力项目“新工科智能建造关键技术”（2021012）；2020年度国家教育部国家第二批新工科项目“面向区域经济发展的地方高校传统工科专业改造升级探索与实践”（E-ZYJG20200211）；2021—2022年度河北省教育厅高等教育教学改革研究与实践项目“新工科背景下土木类人才信息与智能素养路径的探索与实践”（2021GJJG188）

［作者简介］ 赵全胜（1968—），男，河北石家庄人，硕士，河北科技大学建筑工程学院教授，主要从事土木工程研究；梁 日（1998—），男，河北石家庄人，河北科技大学建筑工程学院2021级土木工程专业硕士研究生（通信作者），研究方向为新型材料。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）20-0082-04 ［收稿日期］ 2022-05-10

引言

随着我国经济的快速发展，建筑行业也有了十足的进展，众多世界级工程完工并投入使用。我国经济发展进入新常态，产业升级逐渐成为我国经济发展中的重要抓手。近年来，随着计算机信息技术的飞速发展，国家提出了新工科的概念，融合了传统土木工程的人工智能便是其中的重要组成部分。而且随着我国进入经济高质量发展新阶段，智能建造已经成为建筑业发展的必然趋势和产业转型升级的重要内容［1］。

智能建造是结合了BIM技术、计算机大数据、人工智能等先进技术的新型交叉学科，在新一轮的建筑业革命中起着引领作用［2］。世界各国均立足国情制定并逐步建立了以智能建造为核心的产业战略及人才培养体系。世界主要发达国家在项目建设过程中均要求工程项目必须应用BIM技术，并在3D打印、人工智能等方面也建立起了相应的技术标准，投入了大量资金支持［3］。2017年同济大学成功申报智能建造专业，随即北方建筑大学、北方工业大学等6所院校成功获批，截至目前已有64所院校开设相关专业。然而作为新建专业，每所院校都有自己的特色，但是其课程体系（培养方案）如何能够紧密地与第四次工业革命结合、适应社会的发展，这将是新开设智能建造的院校一大难题。

一、智能建造培养方案制订

培养方案是培养人才的顶层设计，是实现人才培养目标的书面保证，更是教师开展教学活动的依据和建立专业标准的载体。智能建造是传统土木工程专业的升级，制订培养方案时除了应满足国家工程教育认证的要求外，还应打破学科的壁垒，建立以土木工程核心课程为主线，深度融合物联网、大数据、BIM等先进的信息技术及一般机械和控制工程原理、工程管理相关知识的教学方案，完成建设工程的设计、生产、施工和全过程运行维护管理。

（一）打破学科壁垒

目前我国分为14个学科门类，下设113个一级学科。2020年新增了第14类“交叉学科”，这也给其他学科指引了方向。从目前而言，学科交叉是必然趋势，传统的土木工程已不适应现在社会的发展，必须打破传统的土木工程学科界限，重构核心课程。智能建造专业在保证土木工程专业知识传授的同时，注重建造信息化、智能化新技术、新思维的引导，培养学生的学习热情，树立坚定的信念，建立“五位一体”的培养模式（见图1），将计算机科学与技术、机械工程、电气工程、管理科学与工程、土木工程学科进行深度融合，并且结合各自院校的特点形成特色方向。

（二）培养学生创新思维

高校是教书育人的圣地，最基本的职责是传授学生专业知识，使学生适应社会的发展，更重要的是培养具有一定的创新意识的人才。新一轮的科技革命和产业变革背景下，综合国力的竞争本质上是创新能力的竞争。新工科背景下要求高校在制订新的培养方案时必须革新传统的教学理念，重视学生创新能力的培养。智能建造专业的学生只有具备较高的创新意识和创新能力才能在毕业之后促使建筑业的变革，促进产业发展［4］。然而，在智能建造专业的培养方案中如何融入创新能力的培养才能充分提升学生创新能力？一是可以通过增设创新类的实践课程，如在培养方案中增设“创新创业和个性教育”课程，学生可以通过参与“全国结构设计竞赛”“全国高校BIM毕业设计大赛”“全国大学生交通科技大赛”等赛事获取学分，不仅培养了学生的创新意识，而且还提高了创新能力；二是可以设置一些课程实验，如“混凝土3D打印技术试验”“装配式技术实验”等，不仅能够提高学生动手能力，而且也潜移默化地使学生形成一定的创新意识。

二、智能建造专业培养方向

在高校教学中，智能建造专业要在传统土木教学中加入融合了新技术的施工案例，增加机械工程智能机器人、人工智能算法的学习。因为大量新课程的加入容易让学生摸不到重点，学得太泛而不够精，故在具体实践中，高校可在智能建造专业前两年进行大类培养，在打牢土木工程知识的基础上，再加入机械原理与设计和计算机原理基础课程，让学生对智能建造有整体性的认识。在第三年进行分类培养，学生从自己的兴趣出发进行选择，分为智能建造设计班、智能建造装备班及智能建造算法班三个方向，分别对智能建造中的智能设计、智能装备及智能机器人和人工智能算法进行重点培养。

（一）智能建造设计

智能建造设计方向主要解决智能建造中的智能设计问题，其中重点是建筑信息化模型，打破以往计算、绘图、施工的传统模式，增强学生的智能设计理念。在课程设置上重点学习BIM技术与3D打印技术。

BIM技术是将建筑物用数字化的理念表达，通过数字模型数据实现对工程建设全寿命周期内的精细管理，并以此加强工程技术人员对建筑信息做出正确理解与高效应对的能力［5］。在美国，BIM技术已为其带来超半数的投资回报率，国内各大企业也在积极推动BIM技术的应用。目前，我国还处于BIM人才紧缺状态，虽然有不少高校开设了BIM技术相关课程，但多为选修课，学生参与程度不高。因此智能建造设计班重点培养学生的BIM能力，除了进行BIM的建模基础教学，还要针对具体的工程实例进行训练，鼓励学生积极参加BIM竞赛，充分调动学生积极性，真正做到学以致用［6-7］。

智能建造设计班开展3D打印课程，基于3D打印快速成型技术，重点教授工作原理与实际操作。让学生了解到适用于打印的先进材料，掌握一定算法，实现简单的打印编程，课程中可以让学生亲身体验3D打印的过程。除此之外，还可加强校企合作，让国内先进的3D打印企业参与培养过程，跟进工程实例，掌握最新的行业动态。

（二）智能建造装备

智能建造装备方向主要解决智能建造中的智能施工问题，追求施工的少人化、无人化及建造过程的规范化，重点在于基于机械自动化的智能装备及智能施工机器人［8］。传统的施工现场，现场人员施工设备繁杂，较难做到施工的精细化管理［9-10］，而智能机器人可有效解决这一问题。由于施工现场的复杂性，一般针对重复性大的施工工序进行智能机器人的研发［11］。智能施工平台就是融合了多种作业场景、施工设备、施工工序的作业平台，在计算机系统的控制下实现多工序的自动化施工［12］。

针对上述建筑行业现状，在智能建造装备班中应深入学习进阶机械类课程，对机械课程进行调整，深入发掘与土木工程相关内容，重点学习智能机器人相关课程。在班级中设置博士学位导师制，让学生尽早接触科研内容，引导学生分析施工工艺背后的原理，理论结合实践，为进一步研发适合机器人自动化施工的工艺打下基础。另外，鼓励教师成果落地并作为案例引入课堂，使学生在科研探索中提高发现问题、解决问题的能力［13］。

（三）智能建造算法

智能建造算法方向主要解决智能建造中的智能运维管理问题，重点利用人工智能算法搭建模型框架，对施工过程进行感知、分析、修正，全面提升项目的管理精细度，降本增效。

当今社会，人工智能已经在各个领域得到了快速发展并形成了众多算法［14］。世界范围内也都在努力将计算机信息技术与传统产业进行创新融合，以促进传统产业的升级换代。建筑行业的智能化、信息化程度虽然较低，但人工智能在土木工程中却有着广阔的应用前景［15］。人工智能在智能建造中主要体现在基于算法的深度学习。刘占省［16］等基于数字孪生的技术，综合利用物联网、BIM和有限元模型搭建了智能建造方法的框架。

因此，智能建造算法方向重点开展深度学习方面的研究。在教学中，从最新的工程实例出发，引导学生增强对算法与土木工程实践相结合的理念。

结语

随着国家新基建战略的提出，虽然我国建筑行业的智能化、信息化还处在初步发展阶段，但顺应新发展格局的智能建造必将在未来发光发热。其中智能建造人才的培养是重点，高校作为人才培养的主战场，必须肩负起这一责任，努力创建新的人才培养模式，培养适合新时代的智能建造复合型人才。

第一，在课程体系上要突出重点。对原有淘汰落后的土木工程技术相关内容进行删减，增加BIM技术与3D打印技术的内容，更新课程设计；加快教授科研成果转化，并将其应用于教学当中。

第二，打破原有课程壁垒。加入机械原理与设计、智能机器人、人工智能和算法相关课程，通过对这些课程与土木工程的专业课程的有机结合，让学生接触到建筑前沿内容，激发学生兴趣，提升其利用计算机技术、人工智能等前沿科技解决土木工程问题的能力。

第三，把握好传统课程与新增课程的关系。智能建造专业培养人才，要以工程建设为核心，而不是传统课程与机械计算机类课程的简单相加。要在学生土木工程专业知识扎实的基础上，增加新技术类课程，并把握好两者的学时分配，在传统课程中提升理论学习占比，在新技术类课程上提升实践占比。

第四，坚持理论与实践相结合。在理论学习的同时增加实践环节，除了传统的现场实地实习，还要增强高校与企业的合作，坚持产学研相结合，使学生真正走入真实的工作环境，更好适应社会需求。

参考文献

［1］姜景山，何培玲，赵延喜，等.新工科背景下智能建造专业复合型人才培养的探索［J］.中国多媒体与网络教学学报（上旬刊），2022（1）：165-168.

［2］蒋宗禾.中国工程院院士肖绪文：智能建造是什么、为什么、做什么、怎么做？ ［N］.江苏科技报，2021-04-23（A08）.

［3］刘占省，刘诗楠，赵玉红，等.智能建造技术发展现状与未来趋势［J］.建筑技术，2019，50（7）：772-779.

［4］满轲，程海丽，崔光耀，等.智能建造专业实践教学改革研究［J］.智能制造，2022（1）：121-123+127.

［5］郑华海，刘匀，李元齐.BIM技术研究与应用现状［J］.结构工程师，2015，31（4）：233-241.

［6］梁小勇，赵琰，可淑玲，等.基于全过程融合式发展的工程管理应用型人才教学实践体系构建［J］.教育教学论坛，2020（23）：241-242.

［7］可淑玲，梁小勇，赵琰，等.新工科背景下应用型土建类专业人才培养模式研究［J］.创新创业理论研究与实践，2021，4（1）：131-132+138.

［8］韩靓.智能制造时代下机器人在建筑行业的应用［J］.建筑经济，2018，39（3）：23-27.

［9］KURT M L，VINEET R K， CAROL C M，et al．Scene understanding for adaptive manipulation in robotized construction work［J］. Automation in construction，2017，82：16-30.