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智能建造創新型工程科技人才培養的思索

發布時間: 2019-10-21 浏覽次數: 12

一、引言

過去三十多年,我國的工程建造取得了巨大成就。根據阿卡迪全球建築資産財富指數,我國建築資産規模已超過美國成爲全球建築規模最大的國家。在工程建造技術領域,我國重大工程建造科技總體上已經達到國際先進水平。在超高層建築、大跨度空間結構、跨江跨海超長橋隧等領域,我國工程設計建造和集成技術應用已居于世界領先水平,創造了多項世界第一,高鐵建設更是我國一張靓麗的名片。習近平總書記在2019年新年賀詞中指出“中國制造、中國創造、中國建造共同發力,繼續改變著中國的面貌”。

盡管我國是建造大國,但還不是建造強國。碎片化、粗放式的建造方式帶來一系列問題,如産品性能欠佳、資源浪費較大、安全問題突出、環境汙染嚴重和生産效率較低等等。同時,社會經濟發展的新需求使得工程建造活動日趨複雜,建築行業亟待轉型升級。以物聯網、大數據、雲計算、人工智能爲代表的新一代信息技術,正在催生新一輪的産業革命。全球主要工業化國家均因地制宜地制定了以智能制造爲核心的制造業變革戰略,我國建築業也迫切需要制定工業化與信息化相融合的智能建造發展戰略,徹底改變碎片化、粗放式的工程建造模式。

所謂智能建造,是新一代信息技術與工程建造融合形成的工程建造創新模式,即利用以“三化”(數字化、網絡化和智能化)和“三算”(算據、算力、算法)爲特征的新一代信息技術,在實現工程建造要素資源數字化的基礎上,通過規範化建模、網絡化交互、可視化認知、高性能計算以及智能化決策支持,實現數字鏈驅動下的工程立項策劃、規劃設計、施(加)工生産、運維服務一體化集成與高效率協同,不斷拓展工程建造價值鏈、改造産業結構形態,向用戶交付以人爲本、綠色可持續的智能化工程産品與服務。

培養創新型工程科技人才是建設創新型國家、實施科教興國戰略和人才強國戰略的關鍵所在。高校爲此輸送了大批工程建造專業人才,近年來土木工程專業大學畢業生每年約10萬人、工程治理專業約4万人,为支撑国民经济和社会发展、满足国家重大战略需求发挥了重要作用。面对新时代数字技术引发的建筑行业深刻变革,如何培养适应建筑行业未来发展需要、满足产业转型升级的创新型智能建造工程科技人才,支撑我国迈向建造强国,已经成为相关高校人才培養的重要挑战。

二、智能建造推動産業變革

智能建造不僅僅是工程建造技術的變革創新,更將從産品形態、建造方式、經營理念、市場形態以及行業治理等方面重塑建築業。

1、産品形態:從實物産品到“實物+數字”産品。

傳統建築生産過程是圍繞直接形成實物建築産品展開的,設計單位提供二維平面設計圖紙,施工單位根據圖紙來施工,得到實物産品。建築産品是三維的,具有較高的複雜性和不確定性,依據二維圖紙的設計、施工過程不可防止存在錯漏碰缺,造成建築品質缺陷和資源浪費等問題。未來的建築産品必將從單一實物産品發展爲實物産品加數字産品,甚至是加智能産品。借助“數字孿生”技術,實物産品與數字産品有機融合,形成“實物+數字”複合産品形態,通過與人、環境之間動態交互與自適應調整,實現以人爲本、綠色可持續的目標。類似于工業産品制造過程中的“虛擬樣機”,數字建築産品將允許人們在計算機虛擬空間裏對建築性能、施工過程等進行模擬、仿真、優化和反複試錯,通過“先試後建”獲得高品質的建築産品。“數字孿生”中數字産品與實物産品一虛一實、一一對應。數字産品形成的虛擬“數字工地”作爲後台,可以爲前台的實體工地施工過程提供指導。數字産品與實物産品還可以是“一對多”的關系,即數字建築産品形成的數字資源可複制應用到其他建築産品,實現數據資源的增值服務。

2、生産方式:從工程施工到“制造+建造”。

傳統的建築施工方式是個性化的,每個施工工地都不一樣,所生産的建築産品也都各不相同,可以看作是單個産品定制生産的方式。這種方式在生産效率、資源利用和節能環保等方面都存在明顯的瓶頸。提升建築行業生産效率、實現建築行業集約化發展、借鑒工業化發展路徑已經成爲共識。實現規模化生産與滿足個性化需求相統一的大規模定制,是人類生産方式進化的方向。實行建築工業化的關鍵是要在工業化大批量、規模化生産條件下,提供滿足市場需求的個性化建築産品。以裝配式建築爲例,建築部品部件將在工廠化條件下批量化生産,不僅可以有效降低成本,還可以提高質量。構件運送到施工現場再拼裝成不同功能的建築産品,以滿足市場對建築産品個性化的要求。這種建造方式與定制化的傳統建築施工有很大不同,從建築模塊化體系、建築構件柔性生産線到構件裝配,都不再是單純的施工過程。而是制造與建造相結合,實現一體化、自動化、智能化的“制造+建造”。

3、經營理念:從産品建造到服務建造。

隨著産業邊界的相互融合,會催生出新的業態和服務內容。一方面,以數字技術爲支撐,工程建設領域的企業將從單純的生産性建造活動拓展爲提供更多的增值服務,類似于制造業裏的制造服務化以及軟件行業所推行的SaaS模式(“軟件即服務”模式)。如2014年成立的Uptake公司,通過工程機械物聯網和大數據爲客戶提供工程機械設備的遠程監控服務、維修預測服務和生産優化服務。成立僅一年,Uptake公司就登上了全球最佳創業公司榜首。另一方面,也會使得更多的技術、知識性服務價值鏈融合到工程建造過程中。技術、知識型服務將在工程建造活動中提供越來越重要的價值,進而形成工程建造服務網絡,推動工程建造向服務化方向轉型。建設企業不僅需要提供安全、綠色、智能的實物産品,還應當著眼于面向未來的運營和使用,提供各種各樣的服務,保證建設目標的實現和用戶的舒適體驗,從而拓展建設企業的經營模式和範圍。智能建築、綠色建築和智能家居等都是典型的應用場景,如面向醫養結合的智能住宅,可以通過優化建築功能設計、增加智能傳感設備更好地滿足人們對健康生活和家庭養老,特别是獨居老人的需求。

4、市場形態:從産品交易到平台經濟。

當今世界經濟發展的最大趨勢就是從産品經濟走向平台經濟,利用各種各樣的平台實現資源的共享和增值。美國蘋果公司、谷歌公司、微軟公司,我國的騰訊公司、阿裏巴巴公司、小米公司都是平台經濟下催生的典型企業。建築行業也已經出現工程信息資源平台、工程外包項目聚合平台、綜合衆包服務平台等各類工程資源組織與配置服務平台。智能建造將不斷拓展、豐富工程建造價值鏈,越來越多的工程建造參與主體將通過信息網絡連接起來。在以“邁特卡夫定律”爲特征的網絡效應驅使下,工程建造價值鏈將不斷重構、優化,催生出工程建造平台經濟形態,大幅降低市場交易成本,改變工程建造市場資源配置方式,豐富工程建造的産業生態,實現工程建造的持續增值。

5、行業治理:從治理到治理。

信息社會條件下,建築行業的治理模式也將從“治理”轉向“治理”。智能建造將以開放的工程大數據平台爲核心,推動工程行業治理理念從“單向監管”向“共生治理”轉變,治理體系從“封閉碎片化”向“開放整體性”發展,治理機制從“事件驅動”向“主動服務”升級,治理能力從以“經驗決策”爲主向以“數據驅動”爲主提升。2019年政府工作報告中,李克強總理明確提出要改善我國的營商環境,其中一項重要任務就是將建設項目的平均報建手續減少到120天。實現這一目標的重要支撐就是互聯網平台,把後台的串聯式的項目審批變成平台式的協同審批,實現“讓群衆少跑路,讓信息多跑腿”。從治理到治理,行業治理從指導思想、技術手段和實施模式等方面都將産生深刻的改變。

三、智能建造專業人才气力需求

智能建造促進建築産業發生深刻的變革,支撐這一變革的關鍵因素是高水平的專業人才。智能建造背景下,對專業人才的知識結構、知識體系和專業能力等各方面也必定會提出新的要求。

1、智能建造專業人才應當具有“T”形知識結構。

智能建造一個顯著的特征就是多學科交叉融合,同時要求能夠解決具體工程問題。從知識結構看,智能建造背景下要求專業人才具有寬泛的知識面,也就是“一橫”要足夠寬。建築3D打印、建築機器人、生物混凝土技術等就體現出材料學科、機械學科、計算機學科、生命學科等與土木學科的交叉融合。因此,從事智能建造必須掌握相關學科的基礎理論和知識。各學科之間應該做到有機融合,而不是簡單的堆砌。這就要求智能建造專業人才做到融會貫通,真正成爲具有複合知識體系的人才。同時,智能建造專業人才知識結構和體系也需要解決“一豎”的問題,即需要具備某一方面足夠深入的專業知識。智能建造是在信息技術與工程建造深度融合的背景下提出的,因此其專業人才特别需要注重掌握信息科學方面的知識和方法,實現信息技術與土木工程知識的融合貫通。

2、智能建造專業人才應當突出工程建造的能力。

智能建造归根到底是要实现更高质量的工程建造,智能化是实现这一目标的手段。智能建造专业人才培養不能偏离工程建造这个“本”,特别不能舍本逐末,简单堆砌一些信息技术类的课程,挤占了专业课时,反而削弱了学生工程基础。智能建造专业人才培養必须将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作为指导思想,确立人才培養要服务于“工程”的主线。与此同时,智能建造专业人才培養还要突出利用新技术、新方法创造性地解决工程问题的能力。在数字化、网络化、智能化发展趋势下,多学科交叉融合的智能建造将会发展出新的工程建造技术与方法,如数据驱动、模型驱动的工程设计和施工。这就需要智能建造专业人才具有创新思维,能够从独特的视角发现新问题,提出新颖的解决思路,运用新技术和方法实现创新性的成果。在融合相关交叉学科的基础上,智能建造专业人才至少能够掌握一门语言(计算机),驱动一台设备(机械),解决一个工程问题(土木)。

3、智能建造專業人才要具有工程社會意識。

隨著工程建設技術的發展,人類改造自然、影響環境的能力也越大。現代工程建設面臨的不再是單純的技術問題,還要考慮工程與環境、社會之間的相互影響。三峽工程財務決算總金額爲2078.73億元,其中樞紐工程873.61億元,占總投資的42%,而用于移民搬遷安置的資金達到920.29億元,占總投資的44.2%。新技術變革條件下的智能建造工程師應當具有工程倫理意識、強烈的社會責任感和人文情懷,要更加深刻地理解工程實踐對社會、環境造成的影響,更加深刻地理解建築産品對社會、用戶帶來的價值以及如何去實現這些價值。智能建造應當爲用戶創造出更綠色、更高品質的建築産品,這就要求我們不僅要從建造技術上去創新,采纳最佳的建造材料和建造方式,還要有強烈的責任心,在建設活動中始終堅持以用戶爲中心、堅持可持續發展的理念。

四、智能建造创新型人才培養关键问题

培養智能建造創新型人才需要回答三個問題:一是確定培養的途徑;二是打好理論基礎;三是強化工程實踐能力。

1、正确处理好人才培養途径问题。

培养智能建造创新型人才不仅可以通过新增智能建造本科专业来达成,还应重视对包括工程治理、土木工程等既有本科专业的升级改造。智能建造是个新生事物,对其的认识和研究还在不断深化和丰富。智能建造创新型人才培養目前尚无成熟的体会可遵循,需要产学研各界共同探索和制定人才培養方案。目前,国内已有部分高校新设了智能建造本科专业,对于培养智能建造创新型人才将起到引领和示范作用。需要指出的是,有条件新增智能建造专业的高校毕竟有限,培养智能建造专业人才并非只有新增本科专业一条路径。对于多数高校而言,通过对工程治理、土木工程等既有本科专业升级改造,同样可以培养智能建造创新型人才。这也符合“新工科”建设精神。现有相关专业应当深入研究信息技术与工程建造深入融合的趋势,把握智能建造专业人才气力的要求,根据学校优势和专业特色优化知识结构、课程体系和教学内容,促进其培养的专业人才应用信息技术提升工程建造能力和治理能力。

2、強化新知識,打牢新基礎。

在人才培養方面,总的趋势是从本科到博士阶段全面强化基础教育和综合能力培养。每个工程学科都有其科学基础,如土木工程、机械工程、航空航天工程等都有共同的学科基础——力学,而电子信息工程类的学科基础是电磁学等。对于智能建造专业人才培養需要思索和定义其工程学科基础,明确回答培养出的人才气够解决什么样的科学问题。这涉及到智能建造专业人才核心能力、培养模式等根本性问题。土木工程类专业应该强化力学基础,掌握力学模型建模分析能力,这是衡量其专业基础是否扎实的重要标准之一。以信息技术与工程建造深度融合的智能建造不仅需要扎实的力学基础,还需要数据驱动的建模分析能力,这就涉及到工程数学(包括统计学)基础。因此,对智能建造这样的新专业必须要有新的认识,其工程科学基础应该包括力学和工程数学(统计学)。确定了智能建造专业的科学基础,也就明确了专业人才应当具备的知识结构以及相应的课程体系和教学内容,即给学生教什么。例如针对人工智能,是教授目前流行的卷积神经网络算法,还是教给学生学习、应用算法解决工程问题的能力,掌握知识自我更新的能力?智能建造专业人才培養应当注重优化课程体系,加强对新知识的融会贯通,打牢专业基础。

3、建立强化工程实践的人才培養机制。

工程的科学性和工程的实践性是工程专业人才培養的固有特征。工程教育培养人才不仅能够解决工程问题,还需要具备把工程中的问题上升到学术问题,形成知识、构建理论,然后再指导解决工程问题的能力。工程与科学显著的区别之一是后者有严密的理论体系和逻辑,而前者往往来自于实践体会的总结。由于工程的复杂性,问题求解往往是取得正确解,而非唯一的精确解。土木工程有许多体会参数甚至是体会公式,就 夺 搬醋杂诔て诠こ淌导奶寤嶙芙幔茄厦艿睦砺弁频肌U庥胍窖Я俅彩导行├嗨疲夹枰罅康氖导醋芙峁媛桑媚笥靡┖椭瘟剖侄巍H绲叵鹿こ讨蟹蔷式橹饰侍猓糜邢拊椒ㄈシ治龈嗟厥墙舱罚苣呀簿贰U饩托枰忧抗こ淌导欢咸嵘饩鍪导饰侍獾哪芰Α9こ逃肟蒲窍喔ㄏ喑傻模こ淌导寤峋芙岬玫街叮缓笊仙嚼砺郏俜垂粗傅脊こ淌导

综合能力也是工程教育的重要内容,应当贯穿于专业人才培養全过程。在制定智能建造专业人才培養方案时就要有意识地设置多种形式的综合性工程实践,不能只在毕业设计一个环节去完成。学生所学的专业知识不是线性结构,而是网络、半网络结构,需要通过不间断的综合训练,使学生形成工程思维,同时也锻炼了团队协作能力。在教学中还应提高课程的挑战性,让学生付出一定的努力才气完成一项任务,巩固相应知识。要激励学生的学习热情,如采纳问题式教学法,培养大学生的批判性思维。

五、結語

大力发展智能建造,推动建筑产业变革,是一个复杂而艰巨的历史性征程,对于持续推动我国工程建造高质量发展,迈向工程建造强国具有决定性的意义。培养智能建造创新型工程科技人才是实现这一目标的重要保障和战略关键。智能建造是信息技术与工程建造融合的创新结果,其人才培養也应当采取创新的模式和方法。高校和企业应当密切联系,共同培养出掌握科学技术发展趋势和前沿技术,又能适应建筑产业变革需要的高水平、创新型智能建造工程科技专业人才。

作者:丁烈云 华中科技大学原校长         文章來源:《高等工程教育研究》

資料來源:凤凰网电脑版 更新時間:[發布時間]