土木工程虛擬仿真實驗室建設(shè)

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摘要：以東南大學(xué)土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心的教學(xué)資源建設(shè)為例，介紹虛擬仿真實驗教學(xué)資源如何在高校土建類專業(yè)人才培養(yǎng)過程中發(fā)揮特長與優(yōu)勢，以及東南大學(xué)構(gòu)建多層次、模塊化的虛擬仿真實驗教學(xué)資源體系，服務(wù)于本科土建類專業(yè)人才能力培養(yǎng)的建設(shè)思路。介紹了“三層次、四模塊、五結(jié)合”的實驗教學(xué)體系，重點(diǎn)對“四模塊”的虛擬仿真實驗給出實驗實例。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真實驗；實驗教學(xué)；土木工程；實驗室建設(shè)

1土木工程專業(yè)的實驗教學(xué)特點(diǎn)

土木工程專業(yè)的實驗與實踐教學(xué)具有行業(yè)的特殊性。

（1）空間體量巨大。土木工程的服務(wù)對象是建筑物、橋梁、隧道，一般體量巨大?，F(xiàn)在世界最高的建筑物高度超過800m，橋梁的最大跨度達(dá)1991m，超高層建筑物的單根柱子、單根樁基的承載能力上萬噸。進(jìn)行這些結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的實體實驗幾乎是不可能的，即使是縮尺實驗，也存在實驗構(gòu)件及加載設(shè)備體量大、實驗環(huán)境惡劣、實驗費(fèi)用高的問題，限制了學(xué)生的參與。

（2）施工周期長。土木工程的建設(shè)周期一般比較長，世界最高建筑物———迪拜塔的建設(shè)歷時6年，通常一幢普通的住宅樓施工工期也需要1年以上。由于時間的限制，學(xué)生的認(rèn)識實習(xí)和生產(chǎn)實習(xí)無法得到工程建設(shè)全過程的體驗。

（3）工程參與方多。土木工程存在不同的建設(shè)參與方（建設(shè)方、設(shè)計方、施工方、監(jiān)理方等），在學(xué)生認(rèn)識實習(xí)和生產(chǎn)實習(xí)過程中，往往只能體驗其中某一方的工作，無法從不同參與方的視角去感受和經(jīng)歷工程。

（4）危險性高。土木工程實驗很多是破壞性試驗，并且是脆性破壞，具有一定的突然性，學(xué)生在實驗過程中的安全問題十分突出。同時，由于施工現(xiàn)場工序復(fù)雜、人員眾多，而很多學(xué)生又缺乏施工經(jīng)驗和對危險源的判別能力，這使得很多施工單位在安排學(xué)生的認(rèn)識實習(xí)和生產(chǎn)實習(xí)時存在顧慮。

（5）實驗難度大。在土木工程的實驗中，災(zāi)害環(huán)境（如臺風(fēng)、火災(zāi)、地震、滑坡和泥石流等）的模擬設(shè)備造價高（大型地震模擬振動臺的造價上億元、大型風(fēng)洞的造價幾千萬元）。災(zāi)害環(huán)境實驗難度大、危險性大、費(fèi)用高。為解決土木工程傳統(tǒng)理論教學(xué)與學(xué)生工程化培養(yǎng)之間的矛盾，拓展實驗及實踐教學(xué)的深度和廣度，提高實驗教學(xué)的實效，實現(xiàn)理論教學(xué)與實踐教學(xué)的緊密結(jié)合，特別是進(jìn)行災(zāi)害環(huán)境對土木工程影響的分析、解決重大工程的防災(zāi)問題，盡可能減少實驗成本和潛在危害，東南大學(xué)在課堂理論教學(xué)、原有實體實驗、認(rèn)識實習(xí)和生產(chǎn)實習(xí)的基礎(chǔ)上，利用專業(yè)的仿真軟件，采用多媒體技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通信平臺，構(gòu)建了具有高度真實感、直觀性和精確性的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，作為實體實驗及實踐教學(xué)的有益補(bǔ)充和創(chuàng)新［1－5］。

2實驗教學(xué)資源建設(shè)

早在2005年“工程結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”與2006年“建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計”國家精品課程建設(shè)期間，東南大學(xué)就開始組建土木工程計算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計實驗室，此后結(jié)合“土木工程施工”、“工程合同管理”、“結(jié)構(gòu)力學(xué)”及“工程結(jié)構(gòu)抗震與防災(zāi)”幾門國家精品課程和其他相關(guān)課程的建設(shè)，又相繼成立了土木工程施工虛擬仿真實驗室、土木工程管理信息化等實驗室。2013年通過資源整合，依托國家級土木工程實驗教學(xué)示范中心，成立了東南大學(xué)土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心。中心面向土木工程、建筑學(xué)、交通工程及其他相關(guān)專業(yè)，形成了“三層次、四模塊、五結(jié)合”的教學(xué)體系。（1）三層次：按照人才培養(yǎng)需求與教學(xué)規(guī)律，將實驗教學(xué)內(nèi)容劃分為基礎(chǔ)訓(xùn)練、提高訓(xùn)練和創(chuàng)新訓(xùn)練；（2）四模塊：按專業(yè)知識體系與工程實踐規(guī)律，搭建土木工程設(shè)計、施工、管理、創(chuàng)新實踐4個虛擬仿真實驗平臺；（3）五結(jié)合：與理論課程相結(jié)合、與實體實驗相結(jié)合、與科研項目相結(jié)合、與實際工程相結(jié)合、與企業(yè)實踐相結(jié)合。其中，四模塊的18門實驗課程支撐8門專業(yè)主干課程與12門實體實驗實踐課程，輻射其他16門專業(yè)課程，基本覆蓋了土木工程專業(yè)的主要專業(yè)課。

2．1土木工程結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計虛擬仿真模塊

模塊主要包括：（1）基本構(gòu)件虛擬仿真、樓蓋設(shè)計虛擬仿真及單層工業(yè)廠房設(shè)計虛擬仿真等基礎(chǔ)訓(xùn)練層次的虛擬仿真實驗項目；（2）建筑結(jié)構(gòu)抗震虛擬仿真、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計虛擬仿真、大跨空間結(jié)構(gòu)設(shè)計虛擬仿真及橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計虛擬仿真等提高訓(xùn)練層次的虛擬仿真實驗項目；（3）復(fù)雜結(jié)構(gòu)虛擬仿真、基于MTS混合實驗、大跨橋梁抗風(fēng)虛擬仿真、結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗火虛擬仿真等創(chuàng)新訓(xùn)練層次的虛擬仿真實驗項目，是“工程結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”、“建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計”與“工程結(jié)構(gòu)抗震與防災(zāi)”這3門國家級精品資源共享課的重要建設(shè)內(nèi)容。結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計虛擬仿真實驗項目充分體現(xiàn)了CDIO（conceive－design－implement－operate）的工程教育理念［6－7］，是從工程的構(gòu)思到概念設(shè)計，再進(jìn)行仿真分析，根據(jù)仿真分析結(jié)果對概念設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，最后按優(yōu)化后結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工圖設(shè)計的全過程虛擬仿真實驗，實現(xiàn)虛實結(jié)合的實踐教學(xué)。以特色實驗項目“基于MTS系統(tǒng)混合模擬實驗平臺”為例，傳統(tǒng)的建筑物抗震防災(zāi)實驗大多數(shù)是對整個結(jié)構(gòu)進(jìn)行的，由于整體實驗成本較高且實驗項目較多，導(dǎo)致實驗場地和實驗時間安排緊張。為了提高實驗項目的實際效果和設(shè)備的有效利用，將結(jié)構(gòu)的大部分替換為數(shù)值子結(jié)構(gòu)并采用計算機(jī)進(jìn)行仿真，而只有小部分結(jié)構(gòu)在實驗室進(jìn)行足尺實驗（見圖1）。仿真實驗具有參數(shù)可調(diào)、實驗方案可擴(kuò)展、不存在硬件損耗的特點(diǎn)，能夠加深學(xué)生對實驗的理解；實體實驗具有真實可靠、直觀性強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠提高學(xué)生的動手能力和觀察能力。采用計算機(jī)仿真實驗與實體實驗相結(jié)合的手段，可以有效提高學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識的能力。同時，實時混合實驗作為目前最先進(jìn)的抗震防災(zāi)實驗手段之一，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，提高學(xué)術(shù)水平。

2．2土木工程施工虛擬仿真模塊

該模塊主要包含基本施工技術(shù)虛擬仿真、復(fù)雜工程施工技術(shù)虛擬仿真及關(guān)鍵施工技術(shù)仿真分析3部分?；臼┕ぜ夹g(shù)虛擬仿真主要包括土方、樁基礎(chǔ)、模板、鋼筋工程等施工過程的虛擬仿真，是模塊的基礎(chǔ)訓(xùn)練部分；復(fù)雜工程施工技術(shù)虛擬仿真主要是針對超高層建筑結(jié)構(gòu)、大跨空間結(jié)構(gòu)、大跨橋梁結(jié)構(gòu)等典型工程施工全過程的虛擬仿真，向?qū)W生介紹最新的施工技術(shù)和復(fù)雜工程的施工組織，它是模塊的提高訓(xùn)練部分；關(guān)鍵施工技術(shù)仿真分析部分主要針對全新的施工技術(shù)，通過對施工過程中關(guān)鍵部分的仿真分析，確保施工的順利和安全，它是模塊的創(chuàng)新訓(xùn)練部分。以典型實驗項目“大跨橋梁結(jié)構(gòu)施工虛擬仿真”為例，該實驗項目以銅陵長江大橋工程為案例，與中鐵大橋局集團(tuán)和柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司合作完成。對該工程的施工全過程進(jìn)行了虛擬仿真，包含樁基礎(chǔ)施工、沉井施工、主塔施工、鋼桁梁吊裝施工、斜拉索施工等子系統(tǒng)（見圖2）。通過該項目的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以了解大跨斜拉橋施工的主要步驟、施工工藝、技術(shù)措施等。

2．3土木工程管理虛擬仿真模塊

該模塊包含工程項目管理、工程造價管理、工程合同管理和工程管理BIM綜合4個部分。傳統(tǒng)的信息技術(shù)類課程教學(xué)模式比較注重信息系統(tǒng)管理知識的介紹和基礎(chǔ)軟件操作，但是存在信息技術(shù)類知識體系在不同部分之間的割裂問題，使學(xué)生難以形成結(jié)構(gòu)化、模塊化的專業(yè)信息技術(shù)能力和素質(zhì)。土木工程管理虛擬仿真實驗平臺對傳統(tǒng)課程設(shè)置模式進(jìn)行了改革，根據(jù)多學(xué)科對信息技術(shù)的應(yīng)用需求，注重學(xué)生專業(yè)核心能力的培養(yǎng)，形成信息技術(shù)類實驗課程平臺。以典型實驗項目“工程管理BIM綜合虛擬仿真”為例，該項目根據(jù)給定的工程項目設(shè)計（包括建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備等）方案、相應(yīng)的城市規(guī)劃條件以及有關(guān)的地理環(huán)境數(shù)據(jù)，從施工單位、設(shè)計單位或咨詢單位的角度進(jìn)行項目建筑設(shè)計方案的多維可視化仿真（見圖3），并利用BIM模型進(jìn)行輔助施工管理，包括項目的日照分析、建筑能耗分析、綠色建筑評價、建筑體量計算等。

2．4土木工程創(chuàng)新實踐虛擬仿真模塊

本模塊主要分為基于創(chuàng)新訓(xùn)練計劃的虛擬仿真和基于學(xué)生參加科技競賽的虛擬仿真兩部分，以滿足學(xué)生課外研學(xué)課程的需要，在實驗項目的設(shè)計上充分體現(xiàn)CDIO的工程教育理念。學(xué)生根據(jù)項目的要求，利用已學(xué)的專業(yè)知識，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行概念設(shè)計，然后運(yùn)用仿真分析軟件進(jìn)行模型計算分析，根據(jù)仿真分析結(jié)果對模型設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，完成實體模型的制作，將制作好的模型進(jìn)行加載或讓其完成特定功能。通過本模塊實驗項目的訓(xùn)練，可以加深學(xué)生對各類結(jié)構(gòu)體系、設(shè)計分析的理解和認(rèn)識，使學(xué)生在知識運(yùn)用能力、創(chuàng)新能力、動手能力、團(tuán)隊協(xié)作精神等方面得到全面提升［8－9］。以典型實驗項目“創(chuàng)新結(jié)構(gòu)體系虛擬仿真實驗”為例（見圖4），要求學(xué)生設(shè)計并制作創(chuàng)新結(jié)構(gòu)模型，以反映學(xué)生的力學(xué)概念、結(jié)構(gòu)概念和創(chuàng)新思維。實驗項目鼓勵節(jié)能減排、循環(huán)經(jīng)濟(jì)的創(chuàng)新思路，旨在通過指導(dǎo)學(xué)生對結(jié)構(gòu)概念設(shè)計、基本構(gòu)件受力狀態(tài)、空間結(jié)構(gòu)體系及特點(diǎn)、典型工程案例分析等內(nèi)容的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生勤于觀察與思考，并動手制作結(jié)構(gòu)模型的能力，使學(xué)生能夠從結(jié)構(gòu)整體上把握建筑物的結(jié)構(gòu)體系及受力特點(diǎn)，并通過學(xué)習(xí)報告、制作模型及加載體驗的方式提高學(xué)生的動手實踐能力和創(chuàng)新意識。

3教學(xué)特色

3．1依托優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源建設(shè)虛擬仿真實驗平臺

土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心長期堅持實體實驗項目建設(shè)和虛擬仿真項目建設(shè)相結(jié)合，通過國家級教學(xué)團(tuán)隊的規(guī)劃，完善了實驗教學(xué)體系，并將學(xué)生實驗訓(xùn)練的學(xué)時數(shù)比例由總學(xué)時的19％增加到25％。中心依托國家級土木工程實驗教學(xué)示范中心，與理論教學(xué)緊密結(jié)合，進(jìn)行虛實結(jié)合的實驗教學(xué)資源建設(shè)，有力地支撐了6門國家精品課程、5門國家級精品資源共享課程和1門國家級視頻公開課的建設(shè)，提升了課程建設(shè)和專業(yè)建設(shè)的水平。2013年，土木工程專業(yè)以優(yōu)秀成績第4次通過住建部高等教育土木工程專業(yè)評估委員會的評估，在2012年的全國學(xué)科評估中，東南大學(xué)土木工程學(xué)科名列全國第三。

3．2來源于科研項目，面向創(chuàng)新能力培養(yǎng)

中心依托“國家預(yù)應(yīng)力工程技術(shù)中心”、“混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土教育部重點(diǎn)實驗室”等國家和部省級科研基地，不斷地將最新科研成果轉(zhuǎn)化為虛擬仿真實驗項目。通過把科研成果轉(zhuǎn)化為實驗教學(xué)內(nèi)容，把科研方法融入實驗教學(xué)活動，向?qū)W生傳授科研理念、科研文化、科研價值，使學(xué)生了解科技最新發(fā)展和學(xué)術(shù)前沿動態(tài)，激發(fā)科研興趣，啟發(fā)科研思維，培養(yǎng)科研道德，提升學(xué)生科學(xué)研究和科技創(chuàng)新能力。

3．3來源于工程實踐，面向工程實踐能力培養(yǎng)

中心的大量虛擬仿真實驗項目來自于真實的工程實例，是以實際工程為背景，解決工程實際問題為目標(biāo)的“實戰(zhàn)型”項目。通過真實項目的演練，指導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用專業(yè)知識，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)和實踐能力，為社會輸送合格的“來之能戰(zhàn)”的畢業(yè)生。已將典型重大工程轉(zhuǎn)化為實驗項目的實例有：（1）山東博物館屋蓋薄壁箱型結(jié)構(gòu)虛擬仿真；（2）廣州南站大跨空間結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力虛擬仿真；（3）廣州白云機(jī)場復(fù)雜鑄鋼節(jié)點(diǎn)虛擬仿真；（4）潤揚(yáng)長江大橋大跨橋梁抗風(fēng)虛擬仿真；（5）深圳大運(yùn)會體育館鋼結(jié)構(gòu)安裝施工虛擬仿真；（6）滬通長江大橋橋梁沉井施工全過程虛擬仿真。

3．4面向防災(zāi)減災(zāi)，開展災(zāi)害虛擬仿真

現(xiàn)代土木工程的最大威脅來自于各種自然災(zāi)害和人為災(zāi)害———地震、臺風(fēng)、海嘯、火災(zāi)、爆炸、泥石流等。各種災(zāi)害因其巨大的時空尺度而難以再現(xiàn)，因其復(fù)雜的生成原因而無法重復(fù)，所以要借助現(xiàn)代虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行演示。中心依托云計算中心每秒37萬億次峰值浮點(diǎn)計算能力，運(yùn)用大型虛擬仿真分析軟件，開展地震、臺風(fēng)、火災(zāi)及爆炸等災(zāi)害的模擬，提升學(xué)生防災(zāi)意識和減災(zāi)水平。

4結(jié)束語

通過多年的建設(shè)，東南大學(xué)土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心已經(jīng)成為由國家級教學(xué)團(tuán)隊及國家級教學(xué)名師負(fù)責(zé)規(guī)劃和建設(shè)，面向土木工程、工程管理2個國家級高等教育特色專業(yè)和其他相關(guān)專業(yè)的實驗實踐教學(xué)基地，為“結(jié)構(gòu)力學(xué)”、“工程結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”、“建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計”、“工程結(jié)構(gòu)抗震與防災(zāi)”、“土木工程施工”、“工程合同管理”等6門國家級精品課程和其他相關(guān)課程開展虛擬仿真實驗教學(xué)，面向7個專業(yè)的學(xué)生開展創(chuàng)新訓(xùn)練。2014年，該中心獲批為國家級土木工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心。

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作者：徐明1 劉艷1 陸金鈺1 徐照1 熊宏齊2 吳剛1 單位：1.東南大學(xué)土木工程學(xué)院 2.東南大學(xué)設(shè)備處