智能建造创新型工程科技人才培养的思考-深地研究院-南京深地智能建造技术研究院

智能建造创新型工程科技人才培养的思考

文章来源：高等工程教育研究作者：丁烈云
时间：2020-03-20 13:48 访问量：

摘要：智能建造是新一代信息技术与工程建造融合形成的工程建造创新模式，是实现建筑业高质量发展的重要抓手。智能建造不仅仅是工程建造技术的变革创新，更将从产品形态、建造方式、经营理念、市场形态以及行业管理等方面重塑建筑业。培养适应建筑行业未来发展需要的创新型智能建造工程科技人才，对于支撑我国迈向建造强国具有重要的意义。本文在阐述智能建造推动产业变革的基础上，分析了智能建造专业人才应具备的知识结构、知识体系和专业能力，并对智能建造专业人才培养的途径、学科基础和培养模式等关键问题进行了探讨。

关键词：智能建造人才培养模式课程体系建筑产业变革

丁烈云，中国工程院院士，华中科技大学原校长

一、引言

过去三十多年，我国的工程建造取得了巨大成就。根据阿卡迪全球建筑资产财富指数，我国建筑资产规模已超过美国成为全球建筑规模最大的国家[1]。在工程建造技术领域，我国重大工程建造科技总体上已经达到国际先进水平。在超高层建筑、大跨度空间结构、跨江跨海超长桥隧等领域，我国工程设计建造和集成技术应用已居于世界领先水平，创造了多项世界第一，高铁建设更是我国一张靓丽的名片。习近平总书记在2019年新年贺词中指出“中国制造、中国创造、中国建造共同发力，继续改变着中国的面貌”。

尽管我国是建造大国，但还不是建造强国。碎片化、粗放式的建造方式带来一系列问题，如产品性能欠佳、资源浪费较大、安全问题突出、环境污染严重和生产效率较低等等。同时，社会经济发展的新需求使得工程建造活动日趋复杂，建筑行业亟待转型升级。以物联网、大数据、云计算、人工智能为代表的新一代信息技术，正在催生新一轮的产业革命。全球主要工业化国家均因地制宜地制定了以智能制造为核心的制造业变革战略，我国建筑业也迫切需要制定工业化与信息化相融合的智能建造发展战略，彻底改变碎片化、粗放式的工程建造模式。

所谓智能建造，是新一代信息技术与工程建造融合形成的工程建造创新模式，即利用以“三化”（数字化、网络化和智能化）和“三算”（算据、算力、算法）为特征的新一代信息技术，在实现工程建造要素资源数字化的基础上，通过规范化建模、网络化交互、可视化认知、高性能计算以及智能化决策支持，实现数字链驱动下的工程立项策划、规划设计、施（加）工生产、运维服务一体化集成与高效率协同，不断拓展工程建造价值链、改造产业结构形态，向用户交付以人为本、绿色可持续的智能化工程产品与服务[2]。

培养创新型工程科技人才是建设创新型国家、实施科教兴国战略和人才强国战略的关键所在[3]。高校为此输送了大批工程建造专业人才，近年来土木工程专业大学毕业生每年约10万人、工程管理专业约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养的重要挑战。

二、智能建造推动产业变革

智能建造不仅仅是工程建造技术的变革创新，更将从产品形态、建造方式、经营理念、市场形态以及行业管理等方面重塑建筑业。

1、产品形态：从实物产品到“实物+数字”产品。

传统建筑生产过程是围绕直接形成实物建筑产品展开的，设计单位提供二维平面设计图纸，施工单位根据图纸来施工，得到实物产品。建筑产品是三维的，具有较高的复杂性和不确定性，依据二维图纸的设计、施工过程不可避免存在错漏碰缺，造成建筑品质缺陷和资源浪费等问题。未来的建筑产品必将从单一实物产品发展为实物产品加数字产品，甚至是加智能产品。借助“数字孪生”技术，实物产品与数字产品有机融合，形成“实物+数字”复合产品形态，通过与人、环境之间动态交互与自适应调整，实现以人为本、绿色可持续的目标。类似于工业产品制造过程中的“虚拟样机”，数字建筑产品将允许人们在计算机虚拟空间里对建筑性能、施工过程等进行模拟、仿真、优化和反复试错，通过“先试后建”获得高品质的建筑产品。“数字孪生”中数字产品与实物产品一虚一实、一一对应。数字产品形成的虚拟“数字工地”作为后台，可以为前台的实体工地施工过程提供指导。数字产品与实物产品还可以是“一对多”的关系，即数字建筑产品形成的数字资源可复制应用到其他建筑产品，实现数据资源的增值服务。

2、生产方式：从工程施工到“制造+建造”。

传统的建筑施工方式是个性化的，每个施工工地都不一样，所生产的建筑产品也都各不相同，可以看作是单个产品定制生产的方式。这种方式在生产效率、资源利用和节能环保等方面都存在明显的瓶颈。提升建筑行业生产效率、实现建筑行业集约化发展、借鉴工业化发展路径已经成为共识。实现规模化生产与满足个性化需求相统一的大规模定制，是人类生产方式进化的方向。实行建筑工业化的关键是要在工业化大批量、规模化生产条件下，提供满足市场需求的个性化建筑产品。以装配式建筑为例，建筑部品部件将在工厂化条件下批量化生产，不仅可以有效降低成本，还可以提高质量。构件运送到施工现场再拼装成不同功能的建筑产品，以满足市场对建筑产品个性化的要求。这种建造方式与定制化的传统建筑施工有很大不同，从建筑模块化体系、建筑构件柔性生产线到构件装配，都不再是单纯的施工过程。而是制造与建造相结合，实现一体化、自动化、智能化的“制造+建造”。

3、经营理念：从产品建造到服务建造。

随着产业边界的相互融合，会催生出新的业态和服务内容。一方面，以数字技术为支撑，工程建设领域的企业将从单纯的生产性建造活动拓展为提供更多的增值服务，类似于制造业里的制造服务化以及软件行业所推行的SaaS模式（“软件即服务”模式）。如2014年成立的Uptake公司，通过工程机械物联网和大数据为客户提供工程机械设备的远程监控服务、维修预测服务和生产优化服务。成立仅一年，Uptake公司就登上了全球最佳创业公司榜首。另一方面，也会使得更多的技术、知识性服务价值链融合到工程建造过程中。技术、知识型服务将在工程建造活动中提供越来越重要的价值，进而形成工程建造服务网络，推动工程建造向服务化方向转型。建设企业不仅需要提供安全、绿色、智能的实物产品，还应当着眼于面向未来的运营和使用，提供各种各样的服务，保证建设目标的实现和用户的舒适体验，从而拓展建设企业的经营模式和范围。智能建筑、绿色建筑和智能家居等都是典型的应用场景，如面向医养结合的智能住宅，可以通过优化建筑功能设计、增加智能传感设备更好地满足人们对健康生活和家庭养老，尤其是独居老人的需求。

4、市场形态：从产品交易到平台经济。

当今世界经济发展的最大趋势就是从产品经济走向平台经济，利用各种各样的平台实现资源的共享和增值。美国苹果公司、谷歌公司、微软公司，我国的腾讯公司、阿里巴巴公司、小米公司都是平台经济下催生的典型企业。建筑行业也已经出现工程信息资源平台、工程外包项目聚合平台、综合众包服务平台等各类工程资源组织与配置服务平台。智能建造将不断拓展、丰富工程建造价值链，越来越多的工程建造参与主体将通过信息网络连接起来。在以“迈特卡夫定律”为特征的网络效应驱使下，工程建造价值链将不断重构、优化，催生出工程建造平台经济形态，大幅降低市场交易成本，改变工程建造市场资源配置方式，丰富工程建造的产业生态，实现工程建造的持续增值。

5、行业管理：从管理到治理。

信息社会条件下，建筑行业的管理模式也将从“管理”转向“治理”。智能建造将以开放的工程大数据平台为核心，推动工程行业管理理念从“单向监管”向“共生治理”转变，管理体系从“封闭碎片化”向“开放整体性”发展，管理机制从“事件驱动”向“主动服务”升级，治理能力从以“经验决策”为主向以“数据驱动”为主提升。2019年政府工作报告中，李克强总理明确提出要改善我国的营商环境，其中一项重要任务就是将建设项目的平均报建手续减少到120天。实现这一目标的重要支撑就是互联网平台，把后台的串联式的项目审批变成平台式的协同审批，实现“让群众少跑路，让信息多跑腿”。从管理到治理，行业管理从指导思想、技术手段和实施模式等方面都将产生深刻的改变。

三、智能建造专业人才能力需求

智能建造促进建筑产业发生深刻的变革，支撑这一变革的关键因素是高水平的专业人才。智能建造背景下，对专业人才的知识结构、知识体系和专业能力等各方面也必然会提出新的要求。

1、智能建造专业人才应当具有“T”形知识结构。

智能建造一个显著的特征就是多学科交叉融合，同时要求能够解决具体工程问题。从知识结构看，智能建造背景下要求专业人才具有宽泛的知识面，也就是“一横”要足够宽。建筑3D打印、建筑机器人、生物混凝土技术等就体现出材料学科、机械学科、计算机学科、生命学科等与土木学科的交叉融合。因此，从事智能建造必须掌握相关学科的基础理论和知识。各学科之间应该做到有机融合，而不是简单的堆砌。这就要求智能建造专业人才做到融会贯通，真正成为具有复合知识体系的人才。同时，智能建造专业人才知识结构和体系也需要解决“一竖”的问题，即需要具备某一方面足够深入的专业知识。智能建造是在信息技术与工程建造深度融合的背景下提出的，因此其专业人才尤其需要注重掌握信息科学方面的知识和方法，实现信息技术与土木工程知识的融合贯通。

2、智能建造专业人才应当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养不能偏离工程建造这个“本”，尤其不能舍本逐末，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养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，确立人才培养要服务于“工程”的主线。与此同时，智能建造专业人才培养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[4]。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、智能建造专业人才要具有工程社会意识。

随着工程建设技术的发展，人类改造自然、影响环境的能力也越大。现代工程建设面临的不再是单纯的技术问题，还要考虑工程与环境、社会之间的相互影响。三峡工程财务决算总金额为2078.73亿元，其中枢纽工程873.61亿元，占总投资的42%，而用于移民搬迁安置的资金达到920.29亿元，占总投资的44.2%[5]。新技术变革条件下的智能建造工程师应当具有工程伦理意识、强烈的社会责任感和人文情怀,要更加深刻地理解工程实践对社会、环境造成的影响，更加深刻地理解建筑产品对社会、用户带来的价值以及如何去实现这些价值。智能建造应当为用户创造出更绿色、更高品质的建筑产品，这就要求我们不仅要从建造技术上去创新，采用最佳的建造材料和建造方式，还要有强烈的责任心，在建设活动中始终坚持以用户为中心、坚持可持续发展的理念。

四、智能建造创新型人才培养关键问题

培养智能建造创新型人才需要回答三个问题：一是确定培养的途径；二是打好理论基础；三是强化工程实践能力。

1、正确处理好人才培养途径问题。

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管理、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养目前尚无成熟的经验可遵循，需要产学研各界共同探索和制定人才培养方案。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，通过对工程管理、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能力的要求，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管理能力。

2、强化新知识，打牢新基础。

在人才培养方面，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[6]。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养需要思考和定义其工程学科基础，明确回答培养出的人才能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养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养机制。

工程的科学性和工程的实践性是工程专业人才培养的固有特征。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经验的总结。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。土木工程有许多经验参数甚至是经验公式，就是来自于长期工程实践的经验总结，而非严密的理论推导。这与医学临床实践有些类似，都需要大量的实践来总结规律，拿捏用药和治疗手段。如地下工程中非均质介质问题，用有限元方法去分析更多地是讲正确，很难讲精确。这就需要加强工程实践，不断提升解决实际问题的能力。工程与科学是相辅相成的，工程实践经验经过总结得到知识，然后上升到理论，再反过来指导工程实践。

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养全过程。在制定智能建造专业人才培养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能完成一项任务，巩固相应知识。要激发学生的学习热情，如采用问题式教学法，培养大学生的批判性思维[7]。

五、结语

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，其人才培养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。

参考文献

[1]中国建筑资产总量首超美国成世界第一[EB/OL].2015-10-20. http://business.sohu.com/20151020/n423680524.shtml.

[2]丁烈云.智能建造推动建筑产业变革.中国建设报,2019-06-07.

[3]柴天佑.创新性自动化工程科技人才培养模式研究与实践[J].高等工程教育研究,2019（3）：1-4.

[4]孙峻.“新工科”土木工程人才创新能力培养[J],高等建筑教育,2018,27（2）：5-9.

[5]审计署：三峡工程财务决算总金额为2078.73亿元[EB/OL].2013-06-07.http://finance.people.com.cn/n/2013/0607/c1004-21777137.html.

[6]汪辉，顾建民.大科学范式下顶尖科技人才及其培养模式[J].高等工程教育研究,2019（3）：69-75.

[7]田社平，王力娟，邱意弘.问题式教学法对工科大学生批判性思维倾向影响的实证研究[J]. 高等工程教育研究,2018（6）：156-160.

原文刊载于《高等工程教育研究》2019年第五期

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