淺談土木工程仿真模擬實踐教學(xué)平臺建設(shè)

李楠

摘 要：土木工程仿真模擬平臺具有仿真、交互、低成本、資源共享等優(yōu)點，不僅可以很好地滿足人才培養(yǎng)的需求還可以在一定程度上緩解實驗教學(xué)資源配置不足的問題，對提升土木工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量，具有先進(jìn)性、針對性和可行性。

關(guān)鍵詞：土木工程 仿真模擬 實踐教學(xué)平臺 建設(shè)

中圖分類號：G71 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）03（c）-0200-01

土木工程專業(yè)具有實踐性強(qiáng)、與工程實際聯(lián)系緊密等特點，而工程實踐能力的培養(yǎng)不僅是工科教育的重要內(nèi)容，也是檢驗素質(zhì)教育成效的關(guān)鍵性指標(biāo)。開展以計算機(jī)仿真模擬技術(shù)為平臺的土木工程類專業(yè)實驗教學(xué)改革，不僅可以很好地滿足土木類人才培養(yǎng)的需求，克服傳統(tǒng)實驗教學(xué)中的教學(xué)方法單一、知識學(xué)習(xí)和實驗動手操作相互分離的缺點，還可以在一定程度上緩解教學(xué)資源的不足。國內(nèi)土木類相關(guān)院校工程仿真模擬實驗教學(xué)改革的研究較少，本課題研究具有一定的先進(jìn)性和前瞻性。

1 研究思路

本課題選擇土木類專業(yè)課程中最具代表性的房屋建筑學(xué)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、建筑施工、工程造價等相關(guān)實驗進(jìn)行仿真模擬。在深入研究土木專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和主干課程實驗教學(xué)大綱基礎(chǔ)上，深入到建筑工程現(xiàn)場收集工程質(zhì)量檢測圖片、錄像素材，購買各類工程微縮模型，再通過文本、圖形、圖像、音頻、視頻等媒體手段和現(xiàn)代媒體技術(shù)構(gòu)建土木工程仿真模擬實踐教學(xué)平臺，以形象、直觀、生動的形式引導(dǎo)學(xué)生理論聯(lián)系生產(chǎn)實際，提高綜合分析問題的能力，滿足建筑土木專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的要求。

2 研究成果

2.1 房屋建筑學(xué)模擬實驗單元

通過該單元的設(shè)計使學(xué)生能獲得直觀的學(xué)習(xí)效果。設(shè)計程序可根據(jù)不同的工程類別（民用、公共、工業(yè)建筑）對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行分解，并能顯示各構(gòu)件名稱，學(xué)生能非常直觀的掌握某一構(gòu)件在實際結(jié)構(gòu)中的確切位置，系統(tǒng)還可按照不同部位提供各構(gòu)件的三維模型，學(xué)生能更好的掌握各類構(gòu)件的受力特點和使用條件。程序可提供繪圖功能，學(xué)生能根據(jù)教師布置的作業(yè)要求，完成相應(yīng)的作業(yè)或課程設(shè)計，并能網(wǎng)上提交，減少圖版繪圖的工作量，培養(yǎng)學(xué)生使用現(xiàn)代管理工具的能力。同時，為解決學(xué)生現(xiàn)場實習(xí)難的問題，購買各類建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)造的實體微縮模型，包括從組成上分類的基礎(chǔ)、墻體、屋面、節(jié)點、變形縫等構(gòu)造，同時也包括了按結(jié)構(gòu)類型劃分的鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)、高層建筑等，從而建立比較完善的建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)造模型室，學(xué)生可以不到施工現(xiàn)場便能了解各類結(jié)構(gòu)構(gòu)件的構(gòu)造原理及實物，大大提高學(xué)生實踐認(rèn)知能力。

2.2 鋼筋混凝土模擬實驗單元

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)實驗?zāi)M教學(xué)系統(tǒng)研究結(jié)構(gòu)實驗的任務(wù)是基于結(jié)構(gòu)基本原理，使用各種儀器，儀表和實驗設(shè)備，對結(jié)構(gòu)物受力后的性能進(jìn)行觀測，如變形，應(yīng)變，溫度，振幅，頻率，裂縫寬度等。了解并掌握構(gòu)件的力學(xué)性能，為驗證和發(fā)展結(jié)構(gòu)理論提供實驗依據(jù)。鋼筋混凝土構(gòu)件力學(xué)仿真模擬試驗以實際試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過數(shù)據(jù)庫及FLASH技術(shù)再現(xiàn)整個試驗過程，隨時為學(xué)生提供試驗環(huán)境，克服了以往提前預(yù)制試驗構(gòu)件的困難，學(xué)生輸入構(gòu)件的幾何尺寸和混凝土標(biāo)號以及鋼筋的布置，系統(tǒng)便可進(jìn)行仿真試驗，并顯示裂縫的變化和撓度的變化，使得試驗更直觀，試驗結(jié)果可以和學(xué)生在試驗前的計算結(jié)果進(jìn)行對比，培養(yǎng)學(xué)生現(xiàn)代科研的能力，同時也能降低學(xué)校開設(shè)傳統(tǒng)試驗課程的費(fèi)用成本。

2.3 工程管理模擬實驗單元

結(jié)合工程管理實踐教學(xué)，突出工程造價管理、招投標(biāo)管理、施工現(xiàn)場管理等三個方面的特色。工程造價模擬實踐單元能完成工程建模、工程量計算、工程計價等教學(xué)過程，能夠完成課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。主要開發(fā)了以下軟件：（1）圖形算量軟件。具有與CAD互導(dǎo)功能，即可以根據(jù)CAD繪制的施工圖紙導(dǎo)入到圖形算了軟件完成從2D到3D的轉(zhuǎn)化，從而進(jìn)行算量。（2）鋼筋算量軟件。鋼筋工程量的計算是工程量計算中最為復(fù)雜繁瑣的部分，通過鋼筋的計算和3D模型的實現(xiàn)，加強(qiáng)學(xué)生對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工圖的理解，特別是101圖集的應(yīng)用能力。（3）清單計價軟件。利用計算機(jī)模擬實際工作中的套價計價工作。（4）招標(biāo)投標(biāo)模擬系統(tǒng)。能夠?qū)崿F(xiàn)與造價軟件的對接，模擬招標(biāo)投標(biāo)全過程即從發(fā)布招標(biāo)公告到中標(biāo)通知書下達(dá)全過程。使學(xué)生參與到招標(biāo)投標(biāo)活動中，并扮演不同的角色：招標(biāo)人及評標(biāo)方（招標(biāo)文件編制人、評標(biāo)專家等）、投標(biāo)人一方（項目經(jīng)理、投標(biāo)文件編制人等）。同時模擬系統(tǒng)還提供三維現(xiàn)場施工布置圖的設(shè)計。學(xué)生能進(jìn)行施工現(xiàn)場的布置，并且能根據(jù)一定的要求完成有關(guān)施工現(xiàn)場布置說明文檔的編制。學(xué)生還可以編制進(jìn)度計劃和成本計劃，模擬合同的簽訂流程、執(zhí)行及終結(jié)情況，并根根據(jù)假定情況模擬工程進(jìn)度及成本的執(zhí)行情況，進(jìn)行跟蹤對比，完全達(dá)到建設(shè)工程招投標(biāo)的仿真教學(xué)效果。

2.4 數(shù)值仿真模擬實驗單元

對高年級專業(yè)學(xué)生開放數(shù)值模擬試驗。它是指利用商業(yè)通用程序，對土木類相關(guān)專業(yè)課程教學(xué)試驗及課程有關(guān)重點難點內(nèi)容進(jìn)行數(shù)值模擬和仿真分析，對數(shù)值模擬過程及結(jié)果以多媒體形式進(jìn)行演示。數(shù)值模擬和仿真技術(shù)發(fā)展非常迅速、應(yīng)用極廣泛。以有限元分析方法為基礎(chǔ)的工程數(shù)值模擬技術(shù)在結(jié)構(gòu)工程、力學(xué)、橋梁及抗震工程等領(lǐng)域的科研工作中得到普遍應(yīng)用，是土木工程相關(guān)科學(xué)專業(yè)的重要研究手段，國內(nèi)外目前已開發(fā)了大量的商業(yè)通用軟件，如ANSYS、ABAQUS和SAP2000等軟件的影響應(yīng)用較為普遍。

由于本科專業(yè)課程所涉及到的問題均不屬于復(fù)雜和前沿問題，所以采用數(shù)值模擬技術(shù)和數(shù)值模擬程序可以有效實現(xiàn)重點和難點的講授，對專業(yè)基礎(chǔ)課更有優(yōu)勢。對于力學(xué)類課程，如彈性力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)課程，所涉及到一般均線彈性問題，很少涉及非線性問題，因此，在數(shù)值模擬技術(shù)方面是較為簡單和易實現(xiàn)的。對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、高層建筑結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)及工程抗震設(shè)計等專業(yè)課涉及到的主要問題也較容易實現(xiàn)。我校目前在數(shù)值模擬試驗方法教學(xué)中已能運(yùn)用兩種以上商用軟件開展數(shù)值模擬試驗的應(yīng)用和二次開發(fā)，并彌補(bǔ)由于試驗室條件限制而無法或很難開出的實驗。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計等課程中采用ANSYS、ADINA和ABAQUS等商用有限元程序開發(fā)重點及難點問題的多媒體課件。由這些內(nèi)容制成多媒體教學(xué)課件，在課堂講授，學(xué)生較容易掌握和理解，教學(xué)效果非常好。

3 結(jié)語

土木工程模擬仿真實踐教學(xué)平臺的不斷建設(shè)并適時引入專業(yè)課實驗教學(xué)中，改變了傳統(tǒng)的教學(xué)手段，既可開闊學(xué)生視野、擴(kuò)大學(xué)生知識面，又能提高學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)課的興趣和主動獲取知識的積極性，加深對專業(yè)理論知識的理解。這項研究還的進(jìn)一步探索和研究的空間，同時在土木工程驗教學(xué)中將工程仿真試驗和真實試驗相輔相成、優(yōu)勢互補(bǔ)，能夠不斷提升實驗教學(xué)效果，實現(xiàn)土木工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

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