土工虚拟仿真实验设计研究

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摘要：土工实验是土木工程专业中实践性最强的专业课之一，注重基本理论与实验实践相结合，随着新结构、新材料、新工艺及检测技术的快速发展，土工虚拟仿真实验技术能够满足这些新的需求。本文重点研究土工虚拟仿真实验的设计，采用BIM技术，对土工实验进行虚拟化，分析土工虚拟仿真实验的可行性和实施效果，为努力搭建土工虚拟仿真实验平台和内容的建设提供技术支持。

关键词：BIM技术；土工实验；虚拟仿真

土工实验既是一门科学，又是一种技术，是研究新结构、新材料、新工艺及检测技术的重要手段，在土木工程科学研究和技术创新等方面起着重要作用[1，2]。虚拟仿真是20世纪80年代新崛起的一种综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等。它是由计算机硬件、软件以及各种传感器构成的一种三维信息的人工虚拟环境，可以逼真地模拟现实世界里（甚至是不存在的）的事物和环境，人投入到这种环境中，立即有“亲临其境”的感觉，并可亲自操作，自然地与虚拟环境进行交互。虚拟实验技术是以计算机软、硬件技术迅速发展为前提的虚拟仿真手段，在实验教学项目中应用的一种先进的教学技术，通过高性能硬件和配套的软件，模拟实际实验的项目、仪器仪表、实验过程、操作步骤，可以克服实际实验周期长、危险性大、材料消耗多等诸多困难，实现低成本、全天候目标的土工实验教学。基于虚拟仿真技术构建的虚拟仿真实验平台，可以较好地解决土木工程实验实践教学环节中的技术和管理难题，是对现场实验实习及室内实体实验教学缺点的弥补和创新，有助于学生创新意识、工程实践能力、自主学习能力及信息化技术运用能力的培养。本文从土工虚拟仿真实验的意义、采用BIM技术的虚拟仿真实验设计过程、土工虚拟仿真实验的应用成效三个方面入手，探讨分析适合的、高效的虚拟仿真实验设计及应用，使学生更迅速、更熟练地掌握土工实验专业技能，实现建筑行业创新型人才培养目标。

一、土工虚拟仿真实验的意义

土工虚拟仿真实验的应用改变了传统的实验教学方法，使“教”与“学”都发生了重大变化：（1）虚拟土工实验不仅可以达到实际实验的目的，而且可以丰富实验的内容，以生动有趣的形式展现给同学，从而提高学生学习的积极性和效率。（2）虚拟土工实验可以虚拟土工结构的全部施工工程。在现实的实验教学中，由于受时间的限制，无法全部展现全过程，而在虚拟中可以轻松解决。（3）虚拟实验技术不受仪器设备数量的限制。在实际实验教学中，由于受设备成本的限制，无法满足每人一套设备一项实验，但在虚拟实验中则可以实现。

二、土工虚拟仿真实验的需求

土工虚拟仿真实验的需求：（1）管理模块：总体管理教师和学生、分配账号、平台管理。（2）教师模块：教师进入系统，对学生的实验进行辅导和管理。主要有学生管理、知识管理、下载管理、实验管理、报告管理、在线交流。必须由己经注册的学生登陆之后才可以进行操作。（3）学生模块：学习与实验准备模块，认识虚拟仿真实验材料、仪器，可以下载自己需要的一些虚拟仿真软件，学习书籍、虚拟仿真软件；可以根据课程的进度选择实验，实验完成后上传实验报告，查看实验成绩。（4）交流模块：学生可以进行疑难提问，可以通过在线交流和自由社区与教师和同学进行多方交流。（5）游客模块，是非注册用户的功能模块，它可使用学生模块中的部分功能，可以对虚拟仿真仪器进行学习，还可学习虚拟仿真软件的用法，可在线交流等。

三、采用BIM技术的虚拟仿真实验设计过程

随着BIM技术的发展，采用先进的建筑数字BIM技术，结合虚拟仿真技术开展土工实验的虚拟仿真设计及应用研究，符合新时代对建筑结构人才知识和技能的要求，以新的思维方式更新已有的实验课程学习观念，以快速发展的BIM虚拟仿真技术为载体，以大型、三维、复杂工程的虚拟实验作为真实实验学习补充的有力手段，培养出符合建筑行业所需求的创新型人才。以“简支梁的受弯”实验为例，进行虚拟仿真实验设计和应用，见图1—图6所示。实验目的：（1）通过BIM建立简支梁结构模型破坏试验，熟悉简支梁结构静载试验的全过程；（2）进一步学习静载试验中常用仪器设备的使用方法；（3）直观有效模拟实验的整个流程。实验步骤：（1）确定简支梁结构具体尺寸，绘制简支梁结构模型图；（2）将绘制出的模型图仔细与实物进行比，对并对其进行钢筋的配置；（3）将做好的模型转移到NWS进行模拟实验；（4）在加载试验前，检查反力架和各仪器设备，确保其能正常工作；（5）对液压加载器进行调试，调试完成后，将预制试件的底座用螺栓固定在横梁下方的底板支座上；（6）通过反力墙和液压加载器对试件施加水平荷载，并逐级增大荷载直至构件发生破坏；（7）卸载并记录数据。

四、土工虚拟仿真实验的应用成效

采用BIM技术和虚拟仿真技术，开发9项土工虚拟仿真实验，其中设计性6项，综合性3项。虚拟仿真实验比例超过25%，大大提高了土工实验的教学效率和学生的学习成绩，惠及人时数近7200人/小时。虚拟仿真实验应用的成效还体现在：（1）提高了教师队伍的素质，学会使用前沿的科技技术，加强与学生的沟通交流；（2）通过虚拟仿真实验，让学生了解土建工程的全部过程，提高学生的专业学习兴趣，也提高学生的工程素质；（3）通过大型综合性虚拟仿真实验，提高学生的团队协作精神，提高学生的沟通交流能力、创新意识和创新能力。

五、结语

土工虚拟实验是对实验教学方式的改革，也是BIM技术和虚拟仿真技术的必然产物。以其独特的、全视角虚拟化的场景优势，极大地满足了土木建筑工程领域专业知识学习的需求，符合新世纪人才培养模式，在高校土工实验教学领域具有广阔的应用前景。实践表明，采用BIM技术，对土工实验进行虚拟化，开展土工虚拟仿真实验教学是切实可行的，并在实践中取得了良好的教学实施效果，为更大的土工虚拟仿真实验平台和内容建设提供了技术支持。

参考文献：

[1]易伟建.建筑结构试验(第4版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2016.

[2]周明华.土木工程结构试验与检测(第2版)[M].南京:东南大学出版社,2017.

作者:郭二伟 于英霞 王 帅 谢乐乐 陈明凯 金家良 牛东凯 单位:河南科技大学