Изучение технологий информационного моделирования зданий в образовательном процессе бакалавров по направлению "Строительство"

Обоснование актуальности проблемы. Внедрение современных технологий в данный момент происходит во многих сферах деятельности человека. В настоящее время проектная документация на объекты капитального строительства разрабатывается с использованием компьютерных технологий.

В университетах в рамках дисциплины «Инженерная графика» на строительных специальностях рассматривается программа Autodesk AutoCAD, в которой для целей архитектурно-строительного проектирования используются в основном двухмерные технологии проектирования [4]. При двухмерном проектировании разрабатываются отдельные чертежи на отдельные конструкции и инженерные системы здания. Информация об элементах здания распределена по разным чер- тежам различных разделов проектной документации на объект. Кроме того, элементы здания являются просто совокупностью линий, а зачастую изображаются не по их реальным размерам, а в виде условных обозначений (особенно это актуально для чертежей инженерных сетей здания). Это приводит к множеству несоответствий, так как не всегда возможно обнаружить нестыковки даже внутри одного раздела проектной документации. Решением этой проблемы может быть использование технологий информационного моделирования зданий (от английского Building Information Modeling, сокращенно BIM).

Информационная модель здания – это предназначенная для решения конкретных задач и пригодная для компьютерной обработки структурированная информация о строитель- ном объекте, нужным образом скоординированная, согласованная и взаимосвязанная, имеющая геометрическую привязку, пригодная для расчетов и количественного анализа, допускающая необходимые обновления [9].

В данной работе использование BIM-технологий рассматривается на примере программного комплекс Autodesk Revit. Данный программный комплекс является наиболее распространенным и доступным, кроме того, он является универсальным (позволяет разрабатывать в единой среде как архитектурные и конструктивные решения здания, так и системы инженерно-технического обеспечения) [8].

Программный комплекс Revit позволяет создавать скоординированную трехмерную модель здания и инженерных систем, элементы модели являются взаимосвязанными и содержат в себе множество параметров. Программный комплекс предусматривает совместную работу над одной моделью нескольких пользователей, а также взаимодействие с другими приложениями. Кроме того, непосредственно из модели здания проектировщик получает рабочие чертежи и спецификации материалов, элементов и оборудования здания. Рассмотренные принципы позволяют минимизировать ошибки, возникающие при разработке проектной и рабочей документации на объект [6].

Внедрение технологий информационного моделирования зданий требует подготовки квалифицированных кадров в этой области. На данный момент лишь малая часть вузов включает в учебный процесс студентов BIM-технологии [1].

Целью данного исследования является разработка методического замысла внедрения технологий информационного моделирования зданий в учебный процесс бакалавров направления «Строительство».

В рамках данного исследования рассматривается профиль образовательной программы «Промышленное и гражданское строительство».

Основы информационного моделирования зданий (BIM) обсуждаются уже более 30 лет [2]. Применение BIM-технологий в России первоначально происходило в основном вследствие интереса частных организаций. Большое влияние на внедрение технологий оказал А. Высоцкий, который более 8 лет проводит обучение сотрудников коммерческих организаций, студентов СПбСТУ, а так- же публикует множество обучающих видеокурсов по программному комплексу Revit в сети Интернет [17].

На государственном уровне официальное обсуждение применения BIM-технологий началось в 2014 году, необходимость их использования отмечалась Президентом и Правительством Российской Федерации [10, 11, 13].

Необходимость внедрения информационного моделирования зданий связана со стремлением сократить количество ошибок при разработке проектной документации, сократить сроки на разработку и внесение оперативных изменений в проектную документацию, повысить эффективность работы проектных организаций и, как следствие, оптимизировать затраты на проектирование и строительство зданий.

Для полноценного перехода строительной отрасли к новым технологиям необходима подготовка квалифицированных специалистов в сфере информационного моделирования зданий. Но, несмотря на необходимость внедрения BIM-технологий, требования к их освоению в явном виде не включены в Федеральный государственный образовательный стандарт по направлению «Строительство» (далее ФГОС) [16], не разработаны единые рабочие программы дисциплин, позволяющие студентам осваивать необходимые компетенции в этой сфере, учебная литература по информационному моделированию зданий в свободном доступе встречается крайне редко.

Существуют исследования, в которых описывается внедрение BIM-технологий в различных вузах [3, 7, 14]. Предлагаются в том числе междисциплинарные формы изучения, а также проектное комплексное обучение с привлечением студентов различных специальностей. При этом обозначены сложности в администрировании учебного процесса при привлечении студентов разных направлений подготовки. Поэтому на первом этапе необходима качественная проработка программы обучения BIM-технологиям студентов конкретных направлений с учетом их специфики работы.

В связи с этим необходима разработка методического замысла по освоению студентами BIM-технологий. При этом необходимо не просто научить студентов пользоваться инструментами программного комплекса, но и на междисциплинарном уровне продемонстрировать применение технологий в реше- нии конкретных задач в области проектирования.

Требования образовательных и профессиональных стандартов. Федеральным государственным образовательным стандартом (ФГОС) высшего образования бакалавриата по направлению подготовки 08.03.01 «Строительство» [16] установлены области и (или) сферы профессиональной деятельности выпускников и типы задач профессиональной деятельности, к решению которых необходимо готовить выпускников.

В соответствии с обозначенной темой рассматриваются компетенции, связанные с проектированием объектов капитального строительства.

Изучение технологий информационного моделирования формирует следующие общепрофессиональные компетенции выпускника: ОПК-2 – способность вести обработку, анализ и представление информации в профессиональной деятельности с использованием информационных и компьютерных технологий; ОПК-6 – способность участвовать в проектировании объектов строительства и жилищнокоммунального хозяйства, в подготовке расчетного и технико-экономического обоснований их проектов, участвовать в подготовке проектной документации, в том числе с использованием средств автоматизированного проектирования и вычислительных программных комплексов.

В соответствии с ФГОС при определении профессиональных компетенций образовательная организация должна ориентироваться на профессиональные стандарты. В данной работе рассматривается профессиональный стандарт 10.003 «Специалист в области инженерно-технического проектирования для градостроительной деятельности» [12].

Проектирование и информационное моделирование объектов строительства соответствует обобщенной трудовой функции профессионального стандарта «B. Разработка проектной продукции по результатам инженерно-технического проектирования для градостроительной деятельности». Трудовая функция – B/02.6 Моделирование и расчетный анализ для проектных целей и обоснования надежности и безопасности объектов градостроительной деятельности. Трудовые действия: определение параметров имитационного информационного моделирования; моделирование свойств элементов объекта;

документирование результатов разработки для производства работ по инженернотехническому проектированию объектов градостроительной деятельности в установленной форме.

Необходимые знания: системы и методы проектирования, создания и эксплуатации объектов капитального строительства, инженерных систем, применяемых материалов, изделий и конструкций, оборудования и технологических линий; средства информационно-коммуникационных технологий, в том числе средства автоматизации деятельности, включая автоматизированные информационные системы, в области инженерно-технического проектирования для градостроительной деятельности; руководящие документы по разработке и оформлению технической документации сферы градостроительной деятельности.

Необходимые умения: определять значимые свойства объектов градостроительной деятельности, их окружения или их частей; определять параметры имитационного информационного моделирования; моделировать расчетные схемы, действующие нагрузки, иные свойства элементов проектируемого объекта и его взаимодействия с окружающей средой с соблюдением установленных требований для производства работ по инженернотехническому проектированию объектов градостроительной деятельности; использовать информационно-коммуникационные технологии в профессиональной деятельности для производства работ по инженерно-техническому проектированию объектов градостроительной деятельности; оформлять документацию для производства работ по инженернотехническому проектированию объектов градостроительной деятельности в соответствии с установленными требованиями.

В результате изучении технологий информационного моделирования формируются следующие навыки: создание моделей отдельных элементов; информационное моделирование зданий; редактирование информационных моделей; извлечение информации из BIM-моделей; редактирование и оформление рабочих чертежей архитектурных и конструктивных решений.

Освоение приведенных выше компетенций, трудовых действий, знаний, умений и навыков производится в результате изучения учебных дисциплин и прохождения практик.

Место информационного моделирования зданий в образовательной программе. Обозначенные компетенции и знания, умения, навыки формируются у бакалавров профиля «Промышленное и гражданское строительство» при совместном изучении следующих учебных дисциплин: инженерная графика; архитектура гражданских и промышленных зданий; автоматизированные системы разработки проектной документации; железобетонные и каменные конструкции; конструкции из дерева и пластмасс; программные комплексы проектирования зданий; металлические конструкции; основания и фундаменты [15].

Освоение непосредственно средств информационного моделирования предполагается в рамках дисциплин «Автоматизированные системы разработки проектной документации» (изучается в 4-м семестре) и «Программные комплексы проектирования зданий» (изучается в 6-м семестре).

Предшествующей дисциплиной для изучения технологий информационного моделирования является «Инженерная графика» (изучается во 2-м семестре). В рамках данной дисциплины студенты осваивают требования национальных стандартов (ГОСТов) к конструкторской и проектной документации (ЕСКД, СПДС). Студенты приобретают навыки выполнения и редактирования архитектурно-строительных чертежей с использованием программного комплекса AutoCAD, это позволяет студентам проще осваивать инструменты Revit в связи со схожестью некоторых операций и интерфейса.

При изучении «Архитектуры гражданских и промышленных зданий» (в 4-м и 5-м семестрах) студенты осваивают основы архитектурно-конструктивного проектирования зданий, изучают схемы объемно-планировочных решений и конструктивные элементы зданий. Программой дисциплины предусмотрены курсовые и самостоятельные работы студента по темам «Двухэтажное общественное здание», «Жилой дом» и «Промышленное здание».

В дисциплинах «Железобетонные и каменные конструкции» (в 6-м и 7-м семестрах), «Конструкции из дерева и пластмасс» (в 6-м семестре), «Металлические конструкции» (в 7-м и 8-м семестрах) и «Основания и фундаменты» (в 7-м семестре) изучаются методы расчета и конструирования соответствующих строительных конструкций. Программами дисциплин предусмотрены курсовые и самостоятельные работы студентов, включающие в себя разработку рабочих чертежей строительных конструкций.

Методический замысел по освоению студентами технологий информационного моделирования предусматривает использование BIM-технологий при выполнении самостоятельных и курсовых работ (проектов) по обозначенным дисциплинам.

Образовательный процесс по освоению BIM-технологий включает следующие компоненты: целевой; содержательный; процессуальный; результативно-оценочно-корректировочный [5].

Цель образовательного процесса. Целью образовательного процесса по внедрению технологий информационного моделирования является обучение студентов проектированию зданий с использованием BIM-технологий, формирование у студентов соответствующих знаний, умений, навыков.

Содержание образования. Освоение технологий информационного моделирования предусматривает изучение ряда укрупненных разделов.

• 1.    Нормативно-технические документы в области информационного моделирования зданий, программные комплексы, реализующие BIM-технологии.

• 2.    Введение в Revit и пользовательский интерфейс.

• 3.    Создание и редактирование семейств Revit.

• 4.    Моделирование элементов здания стандартными средствами.

• 5.    Создание и редактирование спецификаций помещений, элементов, материалов.

• 6.    Оформление видов и листов с готовыми чертежами.

• 7.    Моделирование несущих конструкций здания, создание и редактирование аналитической модели здания.

• 8.    Создание сложных параметрических семейств несущих конструкций.

Разделы 1–6 изучаются в рамках дисциплины «Автоматизированные системы разработки проектной документации». Изучение дисциплины производится параллельно с первым семестром изучения «Архитектуры гражданских и промышленных зданий». За счет совместного изучения архитектуры и BIM-технологий параллельно рассматривается проектирование и информационное моделирование элементов зданий, предусмотрена совместная работа над курсовой (самостоя- тельной) работой по архитектуре 2-этажного общественного здания совместно на двух дисциплинах с построением информационной модели здания в Revit с автоматическим извлечением из нее чертежей. На рис. 1 для примера приведены трехмерное изображение BIM-модели и извлеченный план этажа.

В дальнейшем в 5-м семестре обучения студенты могут продолжить освоение BIM-технологий при выполнении курсовых (самостоятельных) работ «Жилой дом» и «Промышленное здание» по дисциплине «Архитектура гражданских и промышленных зданий».

Разделы 7 и 8 изучаются в рамках дисциплины «Программные комплексы проектирования зданий». Параллельно в 6-м семестре обучения студенты осваивают дисциплины «Железобетонные и каменные конструкции» и «Конструкции из дерева и пластмасс».

В курсе «Железобетонные и каменные конструкции» предусмотрены самостоятельные работы (включающие графическую часть) по расчету и конструированию монолитного ребристого перекрытия и сборной плиты перекрытия. Разработка графической части самостоятельной работы предусматривается совместно с использованием BIM-технологий. Для этого в разделах 7 и 8 рассматриваются инструменты армирования монолитных и создания семейств сборных железобетонных конструкций (пример приведен на рис. 2).

Инструменты моделирования деревянных и стальных конструкций, а также фундаментов могут использоваться в дальнейшем при выполнении работ по соответствующим дисциплинам в 6–7-м семестрах обучения, а также на дипломном проектировании.

Рис. 1. Трехмерное изображение модели здания и план этажа в Revit

Рис. 2. Трехмерное изображение модели и схемы армирования сборной диафрагмы жесткости в Revit

Изучение дисциплины производится с использованием следующих ресурсов: нормативные документы (национальные стандарты и своды правил); учебные пособия [2, 6, 9]; интернет-ресурсы [17].

Методы и формы учебно-педагогического взаимодействия. При изучении BIM-технологий используются различные методы [5].

• 1.    Методы организации и осуществления учебной деятельности: словесные (рассмотрение теории и инструментов моделирования производится на лекциях); наглядные (аудитории демонстрируется использование функций программы); практические (на практических занятиях студенты выполняют задания по построению информационной модели здания); гностические (рассматриваются вопросы моделирования нетиповых конструкций, для которых нет готовых инструментов; постановка на практических занятиях отдельных задач, не рассмотренных на лекционных занятиях, для вовлечения студентов в самостоятельный поиск решения проблемы); самоуправление учебными действиями (самостоятельная работа студентов над проектом гражданского здания).

• 2.    Методы стимулирования и мотивации учения (анализ конкретных ситуаций; разъяснение значимости технологий информационного моделирования в будущей профессии студентов; предъявление требований к получению зачета по дисциплине).

• 3.    Методы контроля и самоконтроля (устный контроль текущих знаний, электронное тестирование по темам для самостоятельного изучения, итоговый устный и письменный контроль).

Предусмотрены следующие организационные формы образовательного процесса: лекции, практические занятия, самостоятельная работа, производственная практика.

Дисциплины «Автоматизированные системы разработки проектной документации» и «Программные комплексы проектирования зданий» объемом 3 зачетные единицы каждая включают по 48 аудиторных часов и 60 часов самостоятельной работы студентов.

На лекционные занятия отводится по 16 часов в рамках каждой дисциплины. План лекционных занятий приведен в табл. 1.

На раздел 1 предусмотрен один академический час, так как на лекциях излагается

Таблица 1

План лекций

№ лекции	№ раздела	Наименование или краткое содержание лекционного занятия	Кол-во часов	Дисциплина
1	1	Нормативно-технические документы в области информационного моделирования зданий. Программные комплексы, реализующие BIM-технологии	1	АСРПД
2	2	Введение в Revit, интерфейс программы	1	АСРПД
3	3	Семейства элементов в AutodeskRevit: типы и категории семейств, параметры семейств	1	АСРПД
4	3	Семейства элементов в AutodeskRevit: создание и редактирование семейств аннотативных обозначений	1	АСРПД
5	3	Семейства элементов в AutodeskRevit: создание и редактирование геометрии семейств, семейства архитектурных объектов	2	АСРПД
6	4	Моделирование элементов здания: оси, уровни, стены, колонны, балки, фундаменты	2	АСРПД
7	4	Моделирование элементов здания: перекрытия, крыша, лестницы	2	АСРПД
8	4	Моделирование элементов здания: окна, двери, проемы, помещения, зоны	2	АСРПД
9	5	Создание и редактирование спецификаций	2	АСРПД
10	6	Оформление строительных чертежей: аннотации, виды и листы	2	АСРПД
11	7	Моделирование стальных балочных площадок и ферм	2	ПКПЗ
12	7	Моделирование деревянных конструкций	2	ПКПЗ
13	7	Моделирование монолитных железобетонных колонн, балок, безбалочных перекрытий	2	ПКПЗ
14	7	Армирование монолитных железобетонных конструкций	2	ПКПЗ
15	7	Аналитическая модель здания	2	ПКПЗ
16	8	Создание параметрических семейств сборных железобетонных изделий	6	ПКПЗ

только основная информация, более детальное изучение предусматривается в рамках самостоятельной работы студентов.

Лекционные занятия проводятся в аудитории с проектором и мультимедийной системой для демонстрации рассматриваемых функций программного комплекса.

Освоение умений, применение полученных знаний и формирование навыков происходит в основном на практических занятиях. На практических занятиях студенты выполняют упражнения по информационному моделированию зданий в Revit, производится имитация трудовой деятельности.

На практические занятия отводится по 32 часа в рамках каждой дисциплины. План практических занятий приведен в табл. 2.

Разделы 1 и 2 не рассматриваются на практических занятиях, так как основаны на теоретическом материале.

План практических занятий построен с учетом необходимости студентов закончить выполнение самостоятельных (курсовых)

работ, выполняемых совместно с дисциплинами «Архитектура гражданских и промышленных зданий» и «Железобетонные и каменные конструкции», до окончания учебного курса, раздел 3 частично перенесен в конец семестра, чтобы в первую очередь рассмотреть вопросы моделирования и оформления чертежей здания.

Практические занятия проводятся в компьютерном классе с персональными компьютерами для обучающихся и компьютером с проектором и мультимедийной системой для преподавателя для демонстрации методики выполнения упражнений.

На самостоятельную работу студента отводится по 60 часов на каждой дисциплине. При выполнении самостоятельной работы студенты изучают как теоретические разделы дисциплины (усваивают знания), так и выполняют практические задания (формируют умения и навыки).Самостоятельная работа студента сопровождается консультациями преподавателя.

Таблица 2

План практических занятий

№ занятия	№ раздела	Наименование или краткое содержание практического занятия	Кол-во часов	Дисциплина
1	3	Создание семейств марок и выносок, компонентов узлов	2	АСРПД
2	3	Редактирование семейств, создание параметров семейств элементов	2	АСРПД
3	4	Моделирование гражданского здания и его элементов	14	АСРПД
4	5	Создание и редактирование спецификаций: помещений, материалов, оформление спецификации	4	АСРПД
5	6	Оформление чертежных видов: расстановка размеров, уровней, маркировка элементов, настройка видимости	4	АСРПД
6	6	Оформление листов, печать и экспорт чертежей	2	АСРПД
7	3	Создание семейств геометрических тел	2	АСРПД
8	3	Создание семейств архитектурно-строительных элементов (окна, двери, столбчатый фундамент, отверстие)	2	АСРПД
9	7	Моделирование стальной балочной площадки, моделирование чертежей и спецификаций КМ	3	ПКПЗ
10	7	Моделирование стальной фермы, оформление чертежей и спецификаций КМ	3	ПКПЗ
11	7	Моделирование деревянной стропильной крыши	4	ПКПЗ
12	7	Моделирование и армирование железобетонного столбчатого фундамента	3	ПКПЗ
13	7	Моделирование и армирование железобетонной колонны	4	ПКПЗ
14	7	Моделирование и армирование монолитного железобетонного ребристого перекрытия	5	ПКПЗ
15	8	Создание семейств арматурных изделий	4	ПКПЗ
16	8	Создание семейства сборной железобетонной плиты	2	ПКПЗ
17	8	Создание семейства сборного железобетонного ригеля	2	ПКПЗ
18	8	Создание семейства сборной железобетонной диафрагмы жесткости	2	ПКПЗ

В качестве самостоятельной работы студента предусматривается выполнение следующих заданий:

• 1)    изучение действующей нормативнотехнической документации в сфере BIM-технологий, изучение теории информационного моделирования, рассмотрение программных комплексов для BIM-моделирования (4-й семестр);

• 2)    моделирование и разработка чертежей гражданского здания графической части самостоятельной работы по дисциплине «Архитектура гражданских и промышленных зданий» (4-й семестр);

• 3)    моделирование и разработка чертежей монолитного ребристого перекрытия графической части самостоятельной работы по дисциплине «Железобетонные и каменные конструкции» (6-й семестр);

• 4)    моделирование и разработка чертежей сборной плиты перекрытия графической части самостоятельной работы по дисциплине «Железобетонные и каменные конструкции» (6-й семестр).

Для подготовки к будущей производственной деятельности студенты в процессе обучения в соответствии с учебным планом [15] проходят производственные и преддипломную практики (в 4, 6 и 8-й семестрах). Для освоения технологий информационного моделирования возможно направление студентов на практику в организации, использующие технологии информационного моделирования.

Оценка результатов и качества образования. Предусматриваются входящий, текущий и итоговый виды контроля. При входящем контроле оценивается освоение студентами знаний, умений, навыков из предшествующих дисциплин. На дисциплине «Автоматизированные системы разработки проектной документации» необходимо оценить владение студентами программным комплексом AutoCAD и знание основных требований к архитектурно-строительным чертежам, изучаемым на дисциплине «Инженерная графика». На дисциплине «Программные комплексы проектирования зданий» оцениваются знания, умения, навыки, полученные студентами при изучении дисциплин «Архитектура гражданских и промышленных зданий» и «Автоматизированные системы разработки проектной документации». Входящий контроль производится в письменном виде.

Текущий контроль позволяет оценить освоение студентами материала курса. Текущий контроль производится на практических занятиях в виде устных опросов по теме соответствующей лекции и в виде самостоятельного выполнения отдельных упражнений. Также производится контроль освоения студентами материала смежных параллельно изучаемых дисциплин. Поскольку раздел 1 «Нормативно-технические документы в области информационного моделирования зданий, программные комплексы, реализующие BIM-технологии» практически полностью изучается в рамках самостоятельной работы студента, производится дополнительный контроль изучения путем компьютерного тестирования.

Итоговый контроль производится в виде зачета по соответствующей дисциплине в виде устного собеседования и проверки выполнения самостоятельных работ студента (гражданское здание, монолитное ребристое перекрытие, плита сборного железобетонного перекрытия).

Освоение необходимых знаний, умений, навыков проверяется путем опроса студента по лекционному материалу и в ходе выполнения самостоятельной работы. Производится проверка выполненных моделей и чертежей, дополнительно дается практическое задание на редактирование и (или) дополнение модели для проверки освоения студентом навыков практической работы. При успешном прохождении итогового контроля студент получает отметку «зачтено».

Заключение. В данной статье разработан проект методического замысла по внедрению технологий информационного моделирования зданий в учебный процесс бакалавров по направлению «Строительство» на примере профиля образовательной программы «Промышленное и гражданское строительство». Рассмотрены все компоненты образовательного процесса, предложено содержание курсов, методы и формы учебно-педагогического взаимодействия, а также оценка результатов и качества образования. Проект методического замысла предполагает междисциплинарное взаимодействие при освоении технологий информационного моделирования. Подобраны необходимые разделы курсов, изучение которых способствует формированию знаний, умений и навыков, при этом предложены конкретные формы и методы учебно-педагогического взаимодействия, предложен план занятий и система оценивания работы студентов. Результаты исследования могут исполь- зоваться для разработки рабочих программ дисциплин в сфере информационного моделирования зданий.