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本栏目责任编辑：王
力
谢陈磊，汪明月，蒋婷婷
（安徽建筑大学电子与信息工程学院，安徽合肥230601）
摘要：建筑电气与智能化专业的传统实践环节中，学生通常只能掌握部分系统或施工环节，很难理解建筑电气各个系统组 成、施工及运行全过程。该文将BIM 技术与现有实验设备结合，提出一种虚实一体化实践教学系统，与传统实验教学平台进行有效结合，拓展相关实验与实践内容。通过创新教学方式，充分调动学生的主观能动性，增强学生对建筑电气与智能化系统与工程的全面理解，培养学生创新意识，提高学生的专业实 践能力和终身学习的能力。关键词：建筑电气与智能化；BIM 技术；虚实一体化；实践教学中图分类号：G642.0
文献标识码：A
文章编号：1009-3044(2021)13-0021-03
开放科学（资源服务）标识码（OSID ）：
1背景
建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)技术是建筑行业广泛运用的一种新技术，国外很多高校将其作为辅助手段引入到教学当中并取得成果。美国亚利桑那州立大学将BIM 技术引入到实验教学中，培养学生的实践动手能力[1]；宾夕法尼亚州立大学也在教学中应用BIM 技术取得了富有成效的结果[2]。在国内已经有部分高校将BIM 技术引入到教学研究中。清华大学、同济大学、天津理工大学、深圳大学等高校率先
将BIM 技术应用到专业教学中[3]
。在建筑电气与智能化专业课程中引入BIM 技术相关的工程实践课程，可提高学生的学习效率，并让学生提高综合能力更加契合就业市场需要。
建筑电气与智能化专业是将信息技术应用于建筑领域所形成的新型交叉学科[4]，所涉及的系统繁多，系统结构复杂。同时，受到专业实验室空间和经费的限制，建筑电气与智能化专业的实验室无法展示各个实际完整系统，传统的实验与实践教学系统一般只是展示各系统运行基本原理，学生在实验过程中也只能看到各个系统的某些局部特性，仍需要学生具有一定的空间想象能力。这给学生掌握实际工程知识带来很多的困难，部分同学在做实验过程学习兴趣不高、缺乏主动性，最终造成学生学习效率低，实践教学效果不明显。本文构建基于BIM 技术结合现有实验设备的虚实一体化实践教学系统。在分析相关建筑电气与智能化系统的系统组成基础上利用BIM 技术建立不同建筑空间的3D 模型与相关设备3D 运行模型，并将部分设备模型与现有实验设备建立连接关系，对于部分缺少的实验第六届cctv模特大赛
设备利用BIM 技术进行仿真模拟，进而组成完整的建筑电气与
智能化系统。通过分析系统运行数据，制定相应控制策略，完成实际与虚拟设备展示与控制，虚实一体化更全面形象地模拟建筑电气与智能化系统实时运行状况。利用BIM 强大的信息处理和动态仿真能力，将实践教学内容转换为形象生动、可交互式的工程现场模拟场景，提高学生的学习兴趣和实际操作能力。
2建筑电气与智能化实践教学现状
建筑电气与智能化专业以培养建筑电气与智能化及其相关领域应用型人才为目标，对学生工程实践能
力培养尤为重要。目前，专业实践教学内容陈旧、教学模式与教学方法单一，无法调动学生的主观能动性，学生的专业实践能力已无法满足建筑电气与智能化行业的需求。主要存在以下问题：
1）实践教学课时比例较少，实践教学环节内容更新较慢，与行业发展脱节。学生在实验室的实验台上只能看到建筑电气与智能化的部分系统和部分施工环节，甚至只能看到一些现场照片或视频。这对学生难理解建筑电气各个系统组成及施工造成极大困扰。
2）实践教学中教师往往通过二维施工图纸或者实验台展示一些建筑电气与智能化系统，需要学生具有一定的空间想象能力才能理解系统知识。对于没有现场施工经验在校学生来讲，单一的教学手段给学生掌握实际工程知识带来了很多的困难。
收稿日期：2021-01-20基金项目：面向新工科的建筑电气与智能化专业人才培养模式研究（项目编号：2019jyxm0946）；基于BIM 技术的建筑电气与智能化
专业实践教学体系研究（项目编号：2020jyxm0341）；基于BIM 技术的建筑电气与智能化专业实验实训教学体系研究（项目编号：2020jy84）
作者简介：谢陈磊（1984—），男，安徽蚌埠人，讲师，硕士，研究方向为智能建筑、建筑节能、智慧城市；汪明月（1991—），女，安徽巢湖
人，实验师，硕士，研究方向为智能建筑、建筑节能、智慧城市；蒋婷婷（1983—），女，安徽巢湖人，实验师，硕士，研究方向为智能建筑、建筑节能、智慧城市。
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Computer Knowledge and Technology 电脑知识与技术第17卷第13期(2021年5月)
3）实验与实践内容以演示型和理论型为主，缺乏综合型、设计型和创新型实验。学生按照实验指导书的步骤，被动完成实验操作，缺乏积极主动思考，教学效果差。即使有综合型、设计型和创新型实验，但也缺乏相应的实际设备支撑，学生很难发挥积极主动性，不能满足学生自主创新实践的需求。
4）建筑电气与智能化专业涉及多个学科专业，搭建完整的实验与实践教学系统有一定的难度，不仅对环境、场地要求高，且所需的实验设备花费大。另外，本专业所用的实验设备往往单体庞大，操作要求高，这些情况势必制约了实验设备台套数。从实际角度来看，某些实验设备不宜进行现场教学，很难让每个学生都能够熟悉和实际操作相关实验设备。
5）部分实践环节内容多以参观实际的工程项目，由于校外实习基地建设薄弱，学生缺乏现场操作机会，无法调动学生的主观能动性，并且学生并未得到实质性专业实践能力锻炼。
EJ-200
6）目前部分高校将BIM 技术的应用列入建筑电气与智能化专业培养的方案中，其目的为让学生能够熟悉BIM 软件及操作方法，并不是通过BIM 技术更深入了解建筑电气与智能化系统。
目前急需将BIM 技术应用到实验与实践教学中，运用其强大的信息处理和动态仿真能力，通过BIM 相关软件的可视化功能，将实验与实践内容转换为形象生动、可交互式的工程现场模拟场景，让学生看到一个全面立体的虚拟设计效果，激发学生的学习兴趣，加深学生对建筑电气与智能化系统的理解，提高学生的实际操作能力。
3构建虚实一体化实践教学系统
3.1建筑智能化系统集成实验平台
为解决实验装置紧缺问题，我校自主设计与研发了建筑智
能化系统集成实验平台，如图1所示。实验平台由不同厂家且技术类别不同的网络管理控制器、直接数字控制器（Direct Dig⁃it Controller ,DDC ）、可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller,PLC ）、温/湿度传感器、变频器、风扇、灯带、电源开关等产品构成，利用图形化编程软
葛洲坝水电站件进行数据采集及设备控制，是集设计、安装、调试、集成一体化的实验平台。可支持多门课程实验与课程设计，并支持多门课程相结合的综合实验，服务以学生为主的创新性实验及本专业的毕业设计。
实验平台由多种类型的控制器及现场被控设备组成异构网络，通过协议转换将不同厂商及协议集成到一个控制系统中，解决了建筑内各楼控子系统相对独立、数据无法共享与复用等问题。在一个集成系统中仿真展示各子系统的运行状态，让学生在实践过程中对建筑电气与智能化系统有感官的了解。但是，在使用中发现该实验平台存在以下一些缺陷：
1）受实验设备体量和造价限制，现场层传感器的种类、数量偏少，只能提供少量开关量输入设备、模拟量输入设备少，不能完全代表建筑设备系统中的传感器设备。同时，实验平台不能灵活添加传感器设备，只能从现场层传感器采集数据，数据类型达不到实验实践教学的需求。
2）平台中各设备相对分散，实验中需要学生自行构建设备系统，拟定系统运行功能，这时需要学生具有一定的空间想象能力，增加了实验操作难度。
3）控制层系统无法对数据进行分析，对现场设备的控制策
略更改较困难，并且控制界面是二维系统，对学生理解建筑电
气与智能化各个系统运行较困难。
图1建筑智能化系统集成实验平台
为解决上述问题，拓展该实验平台的功能，在此实验平台
基础上搭建虚实一体化的实践教学系统，使学生更加熟练掌握书本知识，培养学生创新意识，提高学生的专业实践能力。3.2基于BIM 技术的虚实一体化实践教学系统
为满足新工科背景下电气与智能化专业的需求[5]，本文以
剩余价值学说
BIM 技术为基础构建虚实一体化的实践教学系统，促进学生的理论知识与实践相结合，让其能够更加熟练掌握专业课程知识并且解决智能建筑工程项目的实际问题，以满足今后用人市场对建筑电气与智能化专业人才的需求。
基于BIM 技术的虚实一体化实践教学系统架构，如图2所示。实践教学系统由现场层、传输层及管理层构成。现有建筑智能化系统集成实验平台实现现场层与传输层功能。管理层是基于BIM 技术建立系统运行模型、设备模型、空间3D 模型及人员等模型。利用BIM 技术建立不同建筑空间的3D 模型与相关设备3D 模型，并将相关设备3D 模型与现场设备或虚拟设备模型对接，完成“虚实一体化”数据采集。基于现场与虚拟输入设备数据，利用系统运行模型进行数据分析以后制定相应控制策略，将控制指令下达到现场与虚拟输出设备，并将设备运行状态进行动态3D
展示。
图2虚实一体化实践教学系统架构
实验过程中，学生利用系统中现有的BIM 资源库搭建相应
的实验系统。目前本系统中已建成BIM 资源库主要包括建筑空间模型构建库、人员库、设备库、设备模型运行数据库、控制算法库与前端显示界面库等。搭建的实验系统可以基本模拟实际的工程系统，通过形象的系统3D 展示学生可以形象生动理解系统组成与运行原理，激发学生的学习兴趣。学生可以根据需要自行组建实验系统，制定控制策略，进一步提高学生创
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第17卷第13期(2021年5月)
新意识，提高学生的专业实践能力。
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虚实一体化实践教学系统的应用
图3实验流程
学生基于虚实一体化实践教学系统实验流程，如图3
所示。1）利用建筑空间模型构建库建立建筑空间3D 模型，快速搭建建筑空间模型的可视化场景。包括建筑空间的类型、面积、方位、外观与周边环境等。
2）基于建筑空间模型，利用设备库搭建设备3D 模型。包括实验过程涉及的实验台实际设备与虚拟设备。同时，如果实验过程中需要相关人员信息，利用人员库构建人员模型，设置人员年龄、性别、活动代谢、服装热阻率和人体做功率等。
3）基于设备3D 模型，设置实验系统输入、输出设备参数及展示方式。虚拟设备与设备模型运行数据库对接，实际设备与实验台实际设备进行对接，保证输入设备的数据与管理层中的系统运行模型完成连接并能实时进行显示。
4）根据相关空间、人员与设备的输入数据，在系统运行模型中的控制算法库选择相应的控制算法或自行开发控制算法，制定相应控制策略，整个构建的虚实一体化系统开始运行，模拟建筑电气与智能化系统实时运行状况，并将运行数据进行显示与保存。
5）学生记录实验过程中观察与记录系统运行过程中的参数变化情况，并且学生可以修改相应的人体参数、设备输入参数与控制算法等得到建筑电气与智能化系统不同实时运行状况，增加实验的自主创新性。
以智能建筑环境学课程实验教学为例，通过建立热湿环境BIM 模型，掌握虚实一体化实践教学系统在本专业中的教学应用。根据室内工作人员的平均新陈代谢率和普遍着衣指数，利用人体热舒适度评价方法计算得到满足人体舒适度室内热湿环境的要求，采集室内热湿环境真实/虚拟数据，通过系统运行模型分析得到相应的控制策略，进而对室内空调设备智能控制，
形成满足人体舒适度的室内热湿环境。
图4建筑智能热湿环境实验
利用建筑空间模型构建一个室内空间的3D 模型，并在空
间内加入环境参数传感器（温湿度计、风速仪等）、若干人员与在线监测装置
风机盘管等控制设备3D 模型，快速搭建室内环境模型的可视化场景。根据构建室内空间的功能、人员活动代谢、着装情况，设置人体与设备参数等，并根据系统组成建立相关设备连接关系。根据人体热舒适度评价方法得到热舒适曲线，选择相应的控制算法对风机盘管等被控制设备进行控制，实时显
示与记录室内热湿环境变化、被控设备运行状态与能耗数据等，实验界面展示如图4所示。学生可以通过实验过程形象地掌握风机盘管系统的组成及建筑环境的监控方法。
5结束语
构建基于BIM 技术结合现有实验设备的虚实一体化实践教学系统，完善建筑电气与智能化专业实践教学体系，创新实践教学模式，使学生理论知识与实践相结合，让其能够更加熟练掌握专业课程知识并且解决智能建筑工程项目的实际问题，满足今后用人市场对建筑电气与智能化专业工程应用型人才的需求，对重构实践教学体系起到重要的支撑作用。
参考文献：
[1]李雪，马小军，刘建峰.美国BIM 教育及虚拟设计与施工课程设置概况[J].现代建筑电气,2013,4(12):1-5.
[2]钱萍萍.BIM 在土建类毕业设计中的应用现状分析[J].科教导刊(中旬刊),2018(4):65-66.
[3]田晶京，郑云水.基于BIM 的轨道交通实验平台建设[J].教育教学论坛,2019(15):275-276.[4]郭福雁，黄民德.建筑电气与智能化专业人才培养模式探讨[J].高等建筑教育,2011,20(5):23-26.[5]张玉，鞠全勇，牟福元，等.基于“建筑电气与智能化”专业的新工科研究与实践[J].教育教学论坛,2019(33):164-165.
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