地鐵車站防水虛擬仿真實驗實踐與探索

趙菊梅，蔣雅君，占玉林，何 畏，郭 春

（西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031）

隨著城市軌道交通的快速發展，地鐵作為城市軌道交通的典型代表，在城市公共交通運輸中所發揮的骨干和主體的作用越來越凸顯[1]，但明挖地鐵車站的滲漏水現象卻屢見不鮮[2]。地鐵車站滲漏水不僅影響旅客安全出行和車站正常運營，也會降低結構耐久性[3-5]。相關專業人才培養過程中的教學實踐與現實中的防水設計與防水施工客觀情況存在諸多矛盾，如工程周期長與實踐學時短、工程隱蔽性高與實踐難度大等之間的矛盾。

目前，隨著信息技術的飛速發展對教育現代化的推進[6]，教育部相關文件[7-8]提出建設信息化時代下的虛擬仿真實驗教學項目，以提高學生實踐和創新能力[9-10]。為解決明挖法地鐵車站工程防水設計與施工周期長、隱蔽性高、教學實踐難度大的問題，“地鐵車站防水虛擬仿真實驗項目”綜合利用信息化技術、人機交互技術、UNITY3D等，建設了一個綜合性強、交互性好、情景感知強、集設計與施工一體化的虛擬仿真實驗系統，實現學生自主設計并通過虛擬環境體驗如何將設計方案在施工中具體實現。該虛擬仿真實驗系統通過全面模擬明挖地鐵車站的防水體系設計、防水施工的全過程，讓學生和用戶形成身臨其境的良好體驗[11]。

1 虛擬仿真實驗系統架構

1.1 虛擬仿真實驗系統的架構

地鐵車站防水虛擬仿真實驗系統建設依據實驗教學內容、教學環節、教學目標、教學實施分為應用層、仿真層、考核層、互動層和管理層。詳見圖1。

圖1 虛擬仿真實驗系統架構

1.2 虛擬仿真實驗系統的功能

該系統可以為學習者提供理論學習、實踐操作、人機交互、自動考核與成績評定、在線互動與交流等。從人才培養的角度實現學生學習自主化、個性化，在線學習讓學生可以靈活安排學習不受時間和地點的局限。

1.3 虛擬仿真實驗系統的操作流程

虛擬仿真實驗的操作流程如圖2所示。學生或社會學習者通過在線遠程登錄該虛擬仿真實驗系統，首先熟悉平臺組成，然后開始仿真實驗學習，進行仿真實踐操作，最后對學習或操作過程以及平臺的使用相關疑問和相關話題進行在線互動。

圖2 虛擬仿真實驗的操作流程

在線開展教師—學生、學生—學生以及師生—專家之間的交流答疑，可以在“操作”完成之后進行，也可以在“學習”之前進行。

2 虛擬仿真實驗系統的模塊

在熟悉系統操作流程之后，即可開展各模塊的學習和操作。該虛擬仿真實驗系統主要包括以下模塊：設計模塊、施工模塊、考核模塊、交互模塊和管理模塊。

2.1 設計模塊

設計模塊主要包括防水體系設計、地鐵車站防水等級設計、具體結構防水措施和細部節點防水方法。參考《地下工程防水規范》[12]和《地鐵設計規范》[13]，擬定“車站防水等級為一級”。地鐵車站防水原則堅持“以防為主，剛柔結合，多道設防，因地制宜，綜合治理”。

設計操作開始之前，虛擬仿真實驗從俯瞰到平視，全方位地展示了該地鐵車站和周邊建筑與環境的關系，特別是明挖地鐵車站防水施工環境，如圖3所示。

圖3 地鐵車站虛擬環境

地鐵車站結構的防水設計是在系統出現的實際地鐵工程案例結構圖上進行的。該結構是明挖法地鐵車站典型的兩層矩形結構。每次進入實驗，系統會根據國內明挖法地鐵車站的埋深范圍，隨機擬定地鐵車站埋深。學生根據上述規范要求，首先進行地鐵車站結構防水體系設計，從整體到局部，包括剛性防水和柔性防水以及附近防水層設計。剛性防水即混凝土結構抗滲等級，依據埋深和上述規范確定。柔性防水即防水卷材和部分防水涂料措施。防水體系設計和細部構造防水設計[14-15]均在結構圖中完成。

該虛擬仿真實驗防水層施工包括了目前的地鐵車站工程中出現的卷材防水和噴涂防水兩大類，兩類措施分別出現在結構的底板、側墻和頂板部位。細部構造防水設計主要體現在底板和側墻交接處的倒角、局部加強層、側墻施工縫的止水鋼板[16]和各局部加強層。當學生在虛擬仿真實驗防水施工中遇到困難或者忘記具體操作時，可以重新學習“提示”后繼續進行。底板、側墻結構及細部防水設計畫面如圖4所示，其中字體較大部分項目是通過人機交互完成相應的防水設計。

圖4 車站結構底板及細部防水設計畫面圖

2.2 施工模塊

地鐵車站防水設計完成之后，在系統判斷設計方案無誤的情況下，方可進行防水施工操作。施工模塊的主要內容包括防水施工環境的仿真模擬、防水施工的實踐操作以及防水施工異常問題的處置操作。

虛擬仿真實驗中防水施工從地鐵車站基坑底部開始，如圖5所示。在防水施工虛擬仿真實驗人機交互環節，學生首先根據地鐵車站的施工過程，對照自己設計的防水方案，根據地鐵車站防水施工順序，在虛擬仿真實驗 UI界面右邊“設備材料”欄選擇相應的防水施工措施或者工具。

圖5 地鐵車站防水施工（底板部分防水施工畫面）

虛擬仿真實驗防水施工操作是從基坑底部開始，如圖6所示。

圖6 防水施工流程圖

2.3 考核模塊

考核模塊包括兩部分，即實驗操作和測試部分。

第一部分即虛擬環境下的實驗操作，包括設計模塊和施工模塊操作，是對地鐵車站防水設計方案和防水施工操作的全面考核。其中：防水設計部分包括防水體系設計、合理的抗滲等級以及整體到局部的防水措施；施工部分包括全部施工過程的每一步具體操作，即車站結構底板、側墻、頂板的混凝土抗滲等級的確定，防水層的選擇、施工縫的防水措施以及局部構造防水施工模擬。

第二部分是學生的實驗測試部分。為了考查學生對該地鐵車站防水虛擬仿真實驗的理解和掌握，該系統在完成防水設計與防水施工操作之后設置了測試環節。測試題目涵蓋了理論知識、防水設計、防水施工3大板塊內容。該測試以防水施工虛擬環境為背景畫面進行。測試完成即可看到系統自動評定的成果，包括評定內容的具體題目及其得分。

系統自動生成的評定報告詳細記錄了學生的操作并給予相應的說明，包括是否完成、是否正確以及具體得分。

2.4 交互模塊

交互模塊不僅體現在具體的防水設計和防水施工操作環節，還包括考核、測試和互動交流部分。在設計模塊和施工模塊，每一步操作如果正確系統會自動允許學生進入下一環節，如果錯誤會提示參考“學習幫助”，直到完全正確為止。

在施工操作環節，伴隨地鐵車站防水虛擬仿真實驗防水施工的進程，系統智能機器人始終同步播放語音提示，并在UI界面右下方呈現對應的文字說明，幫助學生明確此時的防水施工操作步驟及其具體內容。學生也可以選擇屏蔽語音提示，僅閱讀文字幫助。界面左下方同時有文字提示，說明防水施工虛擬環境下，如何在UI界面“設備材料”欄進行選擇和具體操作。

在考核模塊的測試部分，每一道測試題目完成后系統會立即反饋學生“回答正確”或者“回答錯誤”。

2.5 管理模塊

該模塊主要分為學習管理和技術管理。管理者分別為教師和開發者。

學習管理主要是教師對學生或教學班的信息、學生成績以及學習資源的管理。對于學生的各種登錄信息和學習痕跡，教師在后臺可以進行各類統計和分析。教師可以及時查看學生的學習次數、登錄時間和完成情況，發現異常及時反饋和溝通，實施個性化教學及人才培養。學習管理模塊也為教師期末進行高效、全面、準確的成績分析提供便利。學習資源的管理便于教師及時更新和豐富在線學習資源。

技術管理主要是虛擬仿真系統開發者對該系統的日常維護與后續升級改造。開發者是從技術的角度負責系統的運行，及時解決系統使用過程中出現的各種問題，如前期考慮不周的設置、師生使用中呼吁較多的問題，也包括系統的運行速度和相關技術問題等。

3 虛擬仿真實驗的教學實踐

3.1 學生成績

經過一學期地鐵車站防水虛擬仿真教學實踐之后，在線統計學生的實驗成績如圖7所示，結果表明，54%學生的成績為滿分100，60%學生的得分在90分及以上，73%學生的成績在 80分以上。上述數據表明，虛擬仿真教學實踐的效果遠遠好于傳統的教學實踐效果。

3.2 問卷調查

在地鐵車站虛擬仿真實驗實踐教學實施一學期之后，進行了問卷設計與調查。問卷設計采用“李克特（Likert）五點量表法”[17-20]，即非常贊同、贊同、一般、不贊同、反對。調查內容主要包括學習效果、基本理論知識、實驗操作技能、新知識學習、相關課程滿意度、對傳統實驗的有益補充以及學習興趣等[20]。問卷調查結果如圖8所示。因無人選擇反對，所以統計圖暫未列入該項。

圖7 學生虛擬仿真實驗成績統計圖

圖8 問卷結果統計圖

3.3 結果分析

根據虛擬仿真實驗的學生成績，滿分學生占比超過一半，說明學生通過該虛擬仿真實驗進行學習對知識的掌握較好；而且滿分學生中有1/4的同學反復學習的次數為3次或4次，說明虛擬仿真實驗增加了學生的興趣，而且學生興趣度越高，取得的成績越好。

絕大部分學生對該虛擬仿真實驗系統作出了較高的評價，有超過90%（包括非常贊同和贊同）的同學認為虛擬仿真實驗有助于提高對相關課程的學習。

與平臺現有其他兩個基礎型仿真實驗比較，75%的學生認為地鐵車站防水虛擬仿真實驗操作給自己留下了深刻的印象。這說明學生對綜合型虛擬仿真實驗的興趣度更高，主要因為該類綜合型虛擬仿真實驗實現了從設計圖到施工實踐模擬的全過程，并且施工虛擬仿真實驗是學生將個人設計成果應用到虛擬仿真實踐中，所以學生對實驗的興趣和關注度更高。

4 結語

明挖法地鐵車站防水虛擬仿真實驗實現了從地鐵車站防水體系設計到防水施工的綜合性實驗教學，跨越了時空的限制，有效地解決了在實踐教學中難以將防水設計與防水施工完全對應和緊密聯系在一起的局限。采用該虛擬仿真實驗的教學實踐結果表明：一方面學生利用該虛擬仿真實驗系統靈活地開展自主和交互學習，體現了以學生為中心的學習理念；另一方面，基于人工智能、信息化人機交互和 UNITY3D等技術的虛擬仿真實驗實現了虛實結合的實驗環境，拓展了學生實驗的深度和廣度，體現了知識性與趣味性的有機結合、學生個性化學習和自主學習的統一，在培養學生創新精神、實踐能力和解決工程實際問題方面效果明顯，提升了實踐教學的質量和水平。未來將進一步豐富系統內部的資源，并使考核測試題目形式多樣化，以更好地實現創新人才的培養。