土木工程虛擬仿真實驗教學資源的建設

徐 明, 劉 艷, 陸金鈺, 徐 照, 熊宏齊, 吳 剛

(1. 東南大學 土木工程學院, 江蘇 南京 210096； 2. 東南大學 設備處, 江蘇 南京 210096)

土木工程虛擬仿真實驗教學資源的建設

徐 明1, 劉 艷1, 陸金鈺1, 徐 照1, 熊宏齊2, 吳 剛1

(1. 東南大學 土木工程學院, 江蘇 南京 210096； 2. 東南大學 設備處, 江蘇 南京 210096)

以東南大學土木工程虛擬仿真實驗教學中心的教學資源建設為例,介紹虛擬仿真實驗教學資源如何在高校土建類專業人才培養過程中發揮特長與優勢,以及東南大學構建多層次、模塊化的虛擬仿真實驗教學資源體系,服務于本科土建類專業人才能力培養的建設思路。介紹了“三層次、四模塊、五結合”的實驗教學體系,重點對“四模塊”的虛擬仿真實驗給出實驗實例。

虛擬仿真實驗； 實驗教學； 土木工程； 實驗室建設

1 土木工程專業的實驗教學特點

土木工程專業的實驗與實踐教學具有行業的特殊性。

(1) 空間體量巨大。土木工程的服務對象是建筑物、橋梁、隧道,一般體量巨大。現在世界最高的建筑物高度超過800 m,橋梁的最大跨度達1 991 m,超高層建筑物的單根柱子、單根樁基的承載能力上萬噸。進行這些結構或構件的實體實驗幾乎是不可能的,即使是縮尺實驗,也存在實驗構件及加載設備體量大、實驗環境惡劣、實驗費用高的問題,限制了學生的參與。

(2) 施工周期長。土木工程的建設周期一般比較長,世界最高建筑物——迪拜塔的建設歷時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,學生的認識實習和生產實習無法得到工程建設全過程的體驗。

(3) 工程參與方多。土木工程存在不同的建設參與方(建設方、設計方、施工方、監理方等),在學生認識實習和生產實習過程中，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,學生在實驗過程中的安全問題十分突出。同時,由于施工現場工序復雜、人員眾多,而很多學生又缺乏施工經驗和對危險源的判別能力,這使得很多施工單位在安排學生的認識實習和生產實習時存在顧慮。

(5) 實驗難度大。在土木工程的實驗中,災害環境(如臺風、火災、地震、滑坡和泥石流等)的模擬設備造價高(大型地震模擬振動臺的造價上億元、大型風洞的造價幾千萬元)。災害環境實驗難度大、危險性大、費用高。

為解決土木工程傳統理論教學與學生工程化培養之間的矛盾,拓展實驗及實踐教學的深度和廣度,提高實驗教學的實效,實現理論教學與實踐教學的緊密結合,特別是進行災害環境對土木工程影響的分析、解決重大工程的防災問題,盡可能減少實驗成本和潛在危害,東南大學在課堂理論教學、原有實體實驗、認識實習和生產實習的基礎上,利用專業的仿真軟件,采用多媒體技術以及網絡通信平臺,構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平臺,作為實體實驗及實踐教學的有益補充和創新[1-5]。

2 實驗教學資源建設

早在2005年“工程結構設計原理”與2006年“建筑結構設計”國家精品課程建設期間,東南大學就開始組建土木工程計算機輔助結構設計實驗室,此后結合“土木工程施工”、“工程合同管理”、“結構力學”及“工程結構抗震與防災”幾門國家精品課程和其他相關課程的建設,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示范中心,成立了東南大學土木工程虛擬仿真實驗教學中心。

中心面向土木工程、建筑學、交通工程及其他相關專業,形成了“三層次、四模塊、五結合”的教學體系。

(1) 三層次:按照人才培養需求與教學規律,將實驗教學內容劃分為基礎訓練、提高訓練和創新訓練；

(2) 四模塊:按專業知識體系與工程實踐規律,搭建土木工程設計、施工、管理、創新實踐4個虛擬仿真實驗平臺；

(3) 五結合:與理論課程相結合、與實體實驗相結合、與科研項目相結合、與實際工程相結合、與企業實踐相結合。

其中,四模塊的18門實驗課程支撐8門專業主干課程與12門實體實驗實踐課程,輻射其他16門專業課程,基本覆蓋了土木工程專業的主要專業課。

2.1 土木工程結構分析與設計虛擬仿真模塊

模塊主要包括:(1)基本構件虛擬仿真、樓蓋設計虛擬仿真及單層工業廠房設計虛擬仿真等基礎訓練層次的虛擬仿真實驗項目；(2)建筑結構抗震虛擬仿真、高層建筑結構設計虛擬仿真、大跨空間結構設計虛擬仿真及橋梁結構設計虛擬仿真等提高訓練層次的虛擬仿真實驗項目；(3)復雜結構虛擬仿真、基于MTS混合實驗、大跨橋梁抗風虛擬仿真、結構構件抗火虛擬仿真等創新訓練層次的虛擬仿真實驗項目,是“工程結構設計原理”、“建筑結構設計”與“工程結構抗震與防災”這3門國家級精品資源共享課的重要建設內容。

結構分析與設計虛擬仿真實驗項目充分體現了CDIO(conceive-design-implement-operate)的工程教育理念[6-7],是從工程的構思到概念設計,再進行仿真分析,根據仿真分析結果對概念設計進行優化調整,最后按優化后結構進行施工圖設計的全過程虛擬仿真實驗,實現虛實結合的實踐教學。

以特色實驗項目“基于MTS系統混合模擬實驗平臺”為例,傳統的建筑物抗震防災實驗大多數是對整個結構進行的,由于整體實驗成本較高且實驗項目較多,導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備的有效利用,將結構的大部分替換為數值子結構并采用計算機進行仿真,而只有小部分結構在實驗室進行足尺實驗(見圖1)。仿真實驗具有參數可調、實驗方案可擴展、不存在硬件損耗的特點,能夠加深學生對實驗的理解；實體實驗具有真實可靠、直觀性強的特點,能夠提高學生的動手能力和觀察能力。采用計算機仿真實驗與實體實驗相結合的手段,可以有效提高學生綜合應用所學知識的能力。同時,實時混合實驗作為目前最先進的抗震防災實驗手段之一,有助于培養學生的創新意識,提高學術水平。

圖1 帶阻尼器鋼框架的混合模擬實驗

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虛擬仿真、復雜工程施工技術虛擬仿真及關鍵施工技術仿真分析3部分。基本施工技術虛擬仿真主要包括土方、樁基礎、模板、鋼筋工程等施工過程的虛擬仿真,是模塊的基礎訓練部分；復雜工程施工技術虛擬仿真主要是針對超高層建筑結構、大跨空間結構、大跨橋梁結構等典型工程施工全過程的虛擬仿真,向學生介紹最新的施工技術和復雜工程的施工組織,它是模塊的提高訓練部分；關鍵施工技術仿真分析部分主要針對全新的施工技術,通過對施工過程中關鍵部分的仿真分析,確保施工的順利和安全,它是模塊的創新訓練部分。

以典型實驗項目“大跨橋梁結構施工虛擬仿真”為例,該實驗項目以銅陵長江大橋工程為案例,與中鐵大橋局集團和柳州歐維姆機械股份有限公司合作完成。對該工程的施工全過程進行了虛擬仿真,包含樁基礎施工、沉井施工、主塔施工、鋼桁梁吊裝施工、斜拉索施工等子系統(見圖2)。通過該項目的學習,學生可以了解大跨斜拉橋施工的主要步驟、施工工藝、技術措施等。

圖2 銅陵長江大橋工程虛擬仿真

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。傳統的信息技術類課程教學模式比較注重信息系統管理知識的介紹和基礎軟件操作,但是存在信息技術類知識體系在不同部分之間的割裂問題,使學生難以形成結構化、模塊化的專業信息技術能力和素質。土木工程管理虛擬仿真實驗平臺對傳統課程設置模式進行了改革,根據多學科對信息技術的應用需求,注重學生專業核心能力的培養,形成信息技術類實驗課程平臺。

以典型實驗項目“工程管理BIM綜合虛擬仿真”為例,該項目根據給定的工程項目設計(包括建筑、結構、設備等)方案、相應的城市規劃條件以及有關的地理環境數據,從施工單位、設計單位或咨詢單位的角度進行項目建筑設計方案的多維可視化仿真(見圖3),并利用BIM模型進行輔助施工管理,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。

圖3 東南大學九龍湖校區土木大樓BIM綜合虛擬仿真

2.4 土木工程創新實踐虛擬仿真模塊

本模塊主要分為基于創新訓練計劃的虛擬仿真和基于學生參加科技競賽的虛擬仿真兩部分,以滿足學生課外研學課程的需要,在實驗項目的設計上充分體現CDIO的工程教育理念。學生根據項目的要求,利用已學的專業知識,對結構進行概念設計,然后運用仿真分析軟件進行模型計算分析,根據仿真分析結果對模型設計進行優化,完成實體模型的制作,將制作好的模型進行加載或讓其完成特定功能。通過本模塊實驗項目的訓練,可以加深學生對各類結構體系、設計分析的理解和認識,使學生在知識運用能力、創新能力、動手能力、團隊協作精神等方面得到全面提升[8-9]。

以典型實驗項目“創新結構體系虛擬仿真實驗”為例(見圖4),要求學生設計并制作創新結構模型,以反映學生的力學概念、結構概念和創新思維。實驗項目鼓勵節能減排、循環經濟的創新思路,旨在通過指導學生對結構概念設計、基本構件受力狀態、空間結構體系及特點、典型工程案例分析等內容的學習,培養學生勤于觀察與思考,并動手制作結構模型的能力,使學生能夠從結構整體上把握建筑物的結構體系及受力特點,并通過學習報告、制作模型及加載體驗的方式提高學生的動手實踐能力和創新意識。

圖4 創新結構體系虛擬仿真實驗(可展結構體系)

3 教學特色

3.1 依托優質教學資源建設虛擬仿真實驗平臺

土木工程虛擬仿真實驗教學中心長期堅持實體實驗項目建設和虛擬仿真項目建設相結合,通過國家級教學團隊的規劃,完善了實驗教學體系,并將學生實驗訓練的學時數比例由總學時的19%增加到25%。中心依托國家級土木工程實驗教學示范中心,與理論教學緊密結合,進行虛實結合的實驗教學資源建設,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,提升了課程建設和專業建設的水平。2013年,土木工程專業以優秀成績第4次通過住建部高等教育土木工程專業評估委員會的評估,在2012年的全國學科評估中,東南大學土木工程學科名列全國第三。

3.2 來源于科研項目,面向創新能力培養

中心依托“國家預應力工程技術中心”、“混凝土與預應力混凝土教育部重點實驗室”等國家和部省級科研基地,不斷地將最新科研成果轉化為虛擬仿真實驗項目。通過把科研成果轉化為實驗教學內容,把科研方法融入實驗教學活動,向學生傳授科研理念、科研文化、科研價值,使學生了解科技最新發展和學術前沿動態,激發科研興趣,啟發科研思維,培養科研道德,提升學生科學研究和科技創新能力。

3.3 來源于工程實踐,面向工程實踐能力培養

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的“實戰型”項目。通過真實項目的演練,指導學生綜合運用專業知識,進一步培養學生的工程素質和實踐能力,為社會輸送合格的“來之能戰”的畢業生。

已將典型重大工程轉化為實驗項目的實例有:

(1) 山東博物館屋蓋薄壁箱型結構虛擬仿真；

(2) 廣州南站大跨空間結構溫度應力虛擬仿真；

(3) 廣州白云機場復雜鑄鋼節點虛擬仿真；

(4) 潤揚長江大橋大跨橋梁抗風虛擬仿真；

(5) 深圳大運會體育館鋼結構安裝施工虛擬仿真；

(6) 滬通長江大橋橋梁沉井施工全過程虛擬仿真。

3.4 面向防災減災,開展災害虛擬仿真

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

4 結束語

通過多年的建設,東南大學土木工程虛擬仿真實驗教學中心已經成為由國家級教學團隊及國家級教學名師負責規劃和建設,面向土木工程、工程管理2個國家級高等教育特色專業和其他相關專業的實驗實踐教學基地,為“結構力學”、“工程結構設計原理”、“建筑結構設計”、“工程結構抗震與防災”、“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課程開展虛擬仿真實驗教學,面向7個專業的學生開展創新訓練。2014年,該中心獲批為國家級土木工程虛擬仿真實驗教學中心。

References)

[1] 教育部高教司.教育部高等教育司關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知[EB/OL].(2013-08-13)[2015-04-01].http://www.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/A08_gggs/201308/156121.html.

[2] 石松泉,沈紅,梁偉,等.虛實結合的電工電子實驗教學體系的設計[J].實驗技術與管理,2008,25(8):184-186.

[3] 蔡衛國.虛擬仿真技術在機械工程實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理,2011,28(8):76-78.

[4] 吳涓,孫岳民,雷威,等.東南大學機電綜合虛擬仿真實驗教學中心建設規劃思路與進展[J].實驗技術與管理,2014,31(10):5-9.

[5] 王衛國.虛擬仿真實驗教學中心建設思考與建議[J].實驗室研究與探索,2013,32(12):5-8.

[6] 李平,毛昌杰,徐進.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設 提高高校實驗教學信息化水平[J].實驗室研究與探索,2013,32(11):5-8.

[7] 李亮亮,趙玉珍,李正操,等.材料科學與工程虛擬仿真實驗教學中心的建設[J].實驗技術與管理,2014,31(2):5-8.

[8] 胡文龍.基于CDIO的工科探究式教學改革研究[J].高等工程教育研究,2014(1):163-168.

[9] 蔡靖.基于CDIO的“高等土力學”課程實驗教學改革[J].實驗室研究與探索,2011,30(3):296-298.

Construction of virtual simulation experimental teaching resources for civil engineering

Xu Ming1, Liu Yan1, Lu Jinyu1, Xu Zhao1, Xiong Hongqi2, Wu gang1

(1. School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China; 2.Office of Laboratory and Facility Management, Southeast University, Nanjing 210096, China)

Taking the construction of Virtual Experimental Teaching Center for Civil Engineering in Southeast University as an example, this paper analyzes the strengths and advantages of virtual simulation teaching resources in cultivation of talents of civil subjects in colleges and universities, then elucidates the constructing idea of forming multi-layered and modularized virtual simulation experimental teaching resources system in Southeast University, for the purpose of cultivating practical ability of talents in various specialties. The experimental teaching system of “three levels, four modules and five combinations” is introduced, and the experimental examples which focuses on the “four modules” are given.

virtual simulation experiment; experimental teaching; civil engineering; laboratory construction

2015- 04- 07

2014年東南大學虛擬仿真實驗教學項目(201427)；東南大學實驗室建設與管理重點項目(2010—L005)

徐明(1972—),男,黑龍江大慶,博士,研究員級高級工程師,實驗教學中心副主任,主要研究方向為實驗教學及實驗技術.

E-mail：xuming@seu.edu.cn

G642

B

1002-4956(2015)12- 0116- 04