采用BIM技術的土工虛擬仿真實驗設計

郭二偉 于英霞 王帥 謝樂樂 陳明凱 金家良 牛東凱

摘要：土工實驗是土木工程專業中實踐性最強的專業課之一，注重基本理論與實驗實踐相結合，隨著新結構、新材料、新工藝及檢測技術的快速發展，土工虛擬仿真實驗技術能夠滿足這些新的需求。本文重點研究土工虛擬仿真實驗的設計，采用BIM技術，對土工實驗進行虛擬化，分析土工虛擬仿真實驗的可行性和實施效果，為努力搭建土工虛擬仿真實驗平臺和內容的建設提供技術支持。

關鍵詞：BIM技術;土工實驗;虛擬仿真

中圖分類號：G642.41? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）11-0274-02

土工實驗既是一門科學，又是一種技術，是研究新結構、新材料、新工藝及檢測技術的重要手段，在土木工程科學研究和技術創新等方面起著重要作用[1，2]。

虛擬仿真是20世紀80年代新崛起的一種綜合集成技術，涉及計算機圖形學、人機交互技術、傳感技術、人工智能等。它是由計算機硬件、軟件以及各種傳感器構成的一種三維信息的人工虛擬環境，可以逼真地模擬現實世界里（甚至是不存在的）的事物和環境，人投入到這種環境中，立即有“親臨其境”的感覺，并可親自操作，自然地與虛擬環境進行交互。

虛擬實驗技術是以計算機軟、硬件技術迅速發展為前提的虛擬仿真手段，在實驗教學項目中應用的一種先進的教學技術，通過高性能硬件和配套的軟件，模擬實際實驗的項目、儀器儀表、實驗過程、操作步驟，可以克服實際實驗周期長、危險性大、材料消耗多等諸多困難，實現低成本、全天候目標的土工實驗教學。

基于虛擬仿真技術構建的虛擬仿真實驗平臺，可以較好地解決土木工程實驗實踐教學環節中的技術和管理難題，是對現場實驗實習及室內實體實驗教學缺點的彌補和創新，有助于學生創新意識、工程實踐能力、自主學習能力及信息化技術運用能力的培養。

本文從土工虛擬仿真實驗的意義、采用BIM技術的虛擬仿真實驗設計過程、土工虛擬仿真實驗的應用成效三個方面入手，探討分析適合的、高效的虛擬仿真實驗設計及應用，使學生更迅速、更熟練地掌握土工實驗專業技能，實現建筑行業創新型人才培養目標。

一、土工虛擬仿真實驗的意義

土工虛擬仿真實驗的應用改變了傳統的實驗教學方法，使“教”與“學”都發生了重大變化：（1）虛擬土工實驗不僅可以達到實際實驗的目的，而且可以豐富實驗的內容，以生動有趣的形式展現給同學，從而提高學生學習的積極性和效率。（2）虛擬土工實驗可以虛擬土工結構的全部施工工程。在現實的實驗教學中，由于受時間的限制，無法全部展現全過程，而在虛擬中可以輕松解決。（3）虛擬實驗技術不受儀器設備數量的限制。在實際實驗教學中，由于受設備成本的限制，無法滿足每人一套設備一項實驗，但在虛擬實驗中則可以實現。

二、土工虛擬仿真實驗的需求

土工虛擬仿真實驗的需求：（1）管理模塊：總體管理教師和學生、分配賬號、平臺管理。（2）教師模塊：教師進入系統，對學生的實驗進行輔導和管理。主要有學生管理、知識管理、下載管理、實驗管理、報告管理、在線交流。必須由己經注冊的學生登陸之后才可以進行操作。（3）學生模塊：學習與實驗準備模塊，認識虛擬仿真實驗材料、儀器，可以下載自己需要的一些虛擬仿真軟件，學習書籍、虛擬仿真軟件;可以根據課程的進度選擇實驗，實驗完成后上傳實驗報告，查看實驗成績。（4）交流模塊：學生可以進行疑難提問，可以通過在線交流和自由社區與教師和同學進行多方交流。（5）游客模塊，是非注冊用戶的功能模塊，它可使用學生模塊中的部分功能，可以對虛擬仿真儀器進行學習，還可學習虛擬仿真軟件的用法，可在線交流等。

三、采用BIM技術的虛擬仿真實驗設計過程

隨著BIM技術的發展，采用先進的建筑數字BIM技術，結合虛擬仿真技術開展土工實驗的虛擬仿真設計及應用研究，符合新時代對建筑結構人才知識和技能的要求，以新的思維方式更新已有的實驗課程學習觀念，以快速發展的BIM虛擬仿真技術為載體，以大型、三維、復雜工程的虛擬實驗作為真實實驗學習補充的有力手段，培養出符合建筑行業所需求的創新型人才。

以“簡支梁的受彎”實驗為例，進行虛擬仿真實驗設計和應用，見圖1—圖6所示。

實驗目的：（1）通過BIM建立簡支梁結構模型破壞試驗，熟悉簡支梁結構靜載試驗的全過程;（2）進一步學習靜載試驗中常用儀器設備的使用方法;（3）直觀有效模擬實驗的整個流程。

實驗步驟：（1）確定簡支梁結構具體尺寸，繪制簡支梁結構模型圖;（2）將繪制出的模型圖仔細與實物進行比，對并對其進行鋼筋的配置;（3）將做好的模型轉移到NWS進行模擬實驗;（4）在加載試驗前，檢查反力架和各儀器設備，確保其能正常工作;（5）對液壓加載器進行調試，調試完成后，將預制試件的底座用螺栓固定在橫梁下方的底板支座上;（6）通過反力墻和液壓加載器對試件施加水平荷載，并逐級增大荷載直至構件發生破壞;（7）卸載并記錄數據。

四、土工虛擬仿真實驗的應用成效

采用BIM技術和虛擬仿真技術，開發9項土工虛擬仿真實驗，其中設計性6項，綜合性3項。虛擬仿真實驗比例超過25%，大大提高了土工實驗的教學效率和學生的學習成績，惠及人時數近7200人/小時。虛擬仿真實驗應用的成效還體現在：（1）提高了教師隊伍的素質，學會使用前沿的科技技術，加強與學生的溝通交流;（2）通過虛擬仿真實驗，讓學生了解土建工程的全部過程，提高學生的專業學習興趣，也提高學生的工程素質;（3）通過大型綜合性虛擬仿真實驗，提高學生的團隊協作精神，提高學生的溝通交流能力、創新意識和創新能力。

五、結語

土工虛擬實驗是對實驗教學方式的改革，也是BIM技術和虛擬仿真技術的必然產物。以其獨特的、全視角虛擬化的場景優勢，極大地滿足了土木建筑工程領域專業知識學習的需求，符合新世紀人才培養模式，在高校土工實驗教學領域具有廣闊的應用前景。

實踐表明，采用BIM技術，對土工實驗進行虛擬化，開展土工虛擬仿真實驗教學是切實可行的，并在實踐中取得了良好的教學實施效果，為更大的土工虛擬仿真實驗平臺和內容建設提供了技術支持。

參考文獻：

[1]易偉建.建筑結構試驗（第4版）[M].北京：中國建筑工業出版社，2016.

[2]周明華.土木工程結構試驗與檢測（第2版）[M].南京：東南大學出版社，2017.

Virtual Simulation Experiment Design of Civil Engineering with BIM Technology

GUO Er-wei，YU Ying-xia，WANG Shuai，XIE Le-le，CHEN Ming-kai，JIN Jia-liang，NIU Dong-kai

（College of Civil Engineering，Henan University of Science and Technology，Luoyang，Henan 471003，China）

Abstract：Civil engineering experiment is one of the most practical professional course in civil engineering.It pays attention to the combination of basic theory and experimental practice.With the rapid development of new structure，new materials，new technology and detection technology，virtual simulation of civil engineering Experimental technology can meet these new needs.This article focuses on the virtual simulation experiments design of civil engineering，using BIM technology and virtual simulation technology.the feasibility and implements the results of civil engineering virtual simulation experiments ware analyzed.Provide technical support for the virtual simulation experiment platform construction and content construction of civil engineering.

Key words：BIM technology;civil Engineering experiment;virtual simulation