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智能建造专业教育创新与实践

在新一轮科技革命浪潮和工业4.0背景下,以物联网、大数据、人工智能为典型的新一代信息技术促进建筑业从过去碎片化、粗放式的工程建造模式向工业化与信息化相融合的智能建造模式转变,这是建筑行业产业变革与升级的历史性机遇[1]。2020年,住房和城乡建设部等13部门联合印发《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》,强调建筑业向工业化、数字化、智能化方向升级,加快建造方式转变,推动建筑业高质量发展,打造“中国建造”品牌。智能建造在新技术驱动下,其实质是对整个建筑业和全产业链中各种活动和环节的智能化升级,覆盖设计、生产、施工、运维全寿命周期,涉及全产业链上生产要素、生产方式、生产关系的重构,包括技术转型和管理转型。这一系列的转型涉及土木工程、建筑学、工程管理、计算机科学与技术、机械工程等多学科知识的高度交叉融合,对从事智能建造的专业人才提出了新要求。然而,根据教育部、住房和城乡建设部组织的行业资源调查报告,智能建造专业人才需求量远远大于人才供给量,在智能设计、智能装备与施工、智能运维与服务等专业领域人才稀缺,未来10年每年至少需培养30万人。面对建筑业转型背景,如何突破土木工程、信息技术、机械控制、工程管理等传统学科壁垒,完善课程设置,形成其知识体系,培养适应建筑行业智慧化发展新需求的工程科技人才,是当前土木类院校人才培养要解决的核心问题[2-3]。

2018年教育部审批增设智能建造专业为“新工科”专业,同年,同济大学率先获批设立“智能建造”专业。截至2021年3月,已有45所学校获批,各个学校将其下设在土木类院系的占73.3%,工程管理类等其他院系的占26.7%。作为新专业,智能建造的专业定位、专业内涵、培养标准、知识体系、课程设置、教学组织等都处于探索阶段,智能建造与土木工程、工程管理、机械工程等专业的支撑关系和协同共建关系也未形成统一范式。

重庆大学在管理科学与房地产学院2019级工程管理本科专业中增设了“智能建造”方向,2020年管理科学与房地产学院和土木工程学院联合申请智能建造专业,在2021年3月获批教育部新增本科专业备案。重庆大学拥有理、工、经、管、法等11个学科门类,形成“与工业体系配套齐全”“与城市建设体系配套齐全”“与现代信息服务业配套”“与经济文化建设相匹配”的四大学科专业群。智能建造专业以重庆大学建筑学部下的管理科学与房地产学院和土木工程学院为依托,借助学校四大学科专业群的理工交叉、文理融合,突破学科壁垒,积极推进传统工科专业的升级改造。

一、面向行业的智能建造专业特征分析和培养定位(一)面向行业的智能建造专业特征分析

面向行业需求设计培养方案是课程体系和专业建设的第一步。2017—2020年,为筹备智能建造专业,重庆大学对国内外高等院校、国内设计院、施工单位、房地产企业、咨询机构、建筑互联网等组织和机构展开了深度调研。

同济大学、华中科技大学、东南大学、哈尔滨工业大学等高校的智能建造专业培养方案在其学科优势下各具特色,以独立“专业”进行建设,保障人才培育的系统性。相较于国内高校,国外高校主张大类通识培养,如伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校、卡内基梅隆大学、普渡大学、佐治亚理工学院、密歇根大学、皇家墨尔本理工大学、西悉尼大学、代尔夫特理工大学、雷丁大学、波鸿鲁尔大学等,这些学校在本科培养阶段,鲜有单设智能建造专业,但在土木工程专业、建筑设计专业、工程管理专业的培养方案和课程体系中新增和强化了计算机类、信息类、自动化方面的课程内容。部分高校在土木工程专业下增设培养方向,例如,卡内基梅隆大学设置了“智慧城市”“下一代建筑与建造”“智慧建筑”等方向,这些课程的变化均可看出全球对未来建筑产业人才的新要求。

此外,针对企业需求的调研主要围绕“面向智能建造需求企业对人才的新要求”“目前企业智慧化或信息化涉及的业务和所处阶段”“现有课程中还需要新增哪些课程”“智能建造专业的学生未来职业发展路径”“企业中与智能建造相关的岗位”等问题展开。调研工作持续开展了3年多,在对企业调研的过程中,重点调研了智能建造的初级形态企业,包括预制装配式企业、智慧工地、建筑机器人厂家、建筑互联网企业、BIM设计企业等。

调研发现,智能建造活动的产业特征和专业人才需求特征表现在:

1.产业特征

(1) 智能建造活动是一个行业级的系统工程,在行业落脚点上的维度层次多。在过程维度上,“智能建造”覆盖策划、设计、生产、施工、运维等全寿命周期的各种各类活动;在产品对象上,“智能建造”面向建筑物全尺度的生产建设,从建筑部件部品生产、建筑单体建造到建筑群和城市的建设活动;在产业维度上,“智能建造”从建筑全产业链拓展到工业产业、互联网产业、信息化产业的跨界融合。智能建造带来了工程建造技术和工程管理的系统性变革,将从产品形态、建造方式、组织模式、行业管理等方面重塑建筑业。

(2) 智能建造具有交叉专业特征,横跨多个专业领域。智能建造以大数据、物联网、人工智能等新一代信息技术为手段,对传统建筑全寿命周期进行数字化、网络化、智慧化升级,产生智慧设计、智慧生产、智慧施工、智慧运维等新模式。其背后需要大数据、物联网、人工智能等专业的基础性支撑,也需要机械工程、通信工程等专业的融合性支撑。智能建造是典型的传统工科与其他学科交叉融合后的“新生”学科。部分文献提到智能建造可以效仿智能制造,但其产品本质和产品生产逻辑有根本性差别,各专业融合的程度也不同。

2.专业人才需求特征

根据深度调研及智能建造的产业特征解析,梳理出以下三点智能建造专业人才的特征:

(1) 智能建造专业人才应具有跨学科的知识融合结构。

智能建造最为显著的特征是跨学科交叉[2],这要求专业人才拓宽知识面,即要求学生掌握多学科如土木工程、机械工程、电子信息科学与工程、控制科学与工程、工程管理等学科的基本原理和基本方法。学生能将土建类专业技术和其他专业(如计算机、机械工程等专业)进行深度融合,能与其他专业人士沟通,做到多学科系统性的有机融合。

(2) 智能建造专业人才要突出系统思维和创新迭代思维。

对于智能建造专业而言,企业需要的人才不是纯技术类的,而是具有互联网思维、物联网思维的人才,有成体系的知识逻辑和系统思维,对新技术有敏锐的洞察力,能迅速整合资源,将新技术移植到传统领域,进行技术迭代创新。

(3) 智能建造专业人才要具备工程项目的全局意识。

智能建造专业人才必须满足未来工程建造需要,具备解决工程建造过程中复杂问题的能力,具备跨学科知识结构。工程项目的全局意识要求以管理为导向,技术为支撑,以系统思维为核心,在各类工程建造活动中进行智能化、信息化的整体架构,形成系统性、全局性、集成性的管理模式。

(二)培养目标定位

针对上述的调研需求分析和行业内涵归纳,智能建造专业人才应具有跨学科知识结构,具有信息技术运用能力,突出系统思维和创新思维在工程建造中的运用,具备工程项目的全局意识。

重庆大学提出了智能建造专业内涵和本质:“以建设工程的工程数据流、信息流为核心,将前沿信息技术融入工程全生命周期和建筑产业全链条活动,围绕智能建造,构建系统性、全局性、集成性、交叉性的知识体系和能力体系。”其应用领域涉及建筑模块与智能集成设计、建筑智能施工技术、建筑智能装备、智能设施与防灾、智能运维与管理、建设工程信息管理、精益建造与智能供应链、建筑工程大数据管理等方向。

培养目标是面向国家战略和未来工程建设需要,培养科学素养与人文素养深厚,掌握建筑与土木、工程管理、信息技术等方面专业基础知识,能对建筑产业全链条活动进行智能化、信息化集成规划、设计和管理,具备系统思维、创新思维、团队协作能力、国际视野和引领意识的复合型人才。

二、智能建造专业教育创新与实现路径

不断迭代的新技术正重新定义工程新场景、建筑产品新业态,颠覆传统的建造方式、行业管理模式,产业生态价值链面临重构[2-4],多学科技术交叉、多元化参与主体、复杂多变的建设环境使工程项目的复杂性日益突出,这对智能建造专业人才的知识、能力、素质、思维都提出了新要求:在新场景、新业态下掌握

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