導(dǎo)語：土工虛擬仿真實驗設(shè)計研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：土工實驗是土木工程專業(yè)中實踐性最強的專業(yè)課之一，注重基本理論與實驗實踐相結(jié)合，隨著新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝及檢測技術(shù)的快速發(fā)展，土工虛擬仿真實驗技術(shù)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(shè)計，采用BIM技術(shù)，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(nèi)容的建設(shè)提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù)；土工實驗；虛擬仿真

土工實驗既是一門科學(xué)，又是一種技術(shù)，是研究新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝及檢測技術(shù)的重要手段，在土木工程科學(xué)研究和技術(shù)創(chuàng)新等方面起著重要作用[1，2]。虛擬仿真是20世紀(jì)80年代新崛起的一種綜合集成技術(shù)，涉及計算機圖形學(xué)、人機交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等。它是由計算機硬件、軟件以及各種傳感器構(gòu)成的一種三維信息的人工虛擬環(huán)境，可以逼真地模擬現(xiàn)實世界里（甚至是不存在的）的事物和環(huán)境，人投入到這種環(huán)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(huán)境進行交互。虛擬實驗技術(shù)是以計算機軟、硬件技術(shù)迅速發(fā)展為前提的虛擬仿真手段，在實驗教學(xué)項目中應(yīng)用的一種先進的教學(xué)技術(shù)，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(xiàn)低成本、全天候目標(biāo)的土工實驗教學(xué)?；谔摂M仿真技術(shù)構(gòu)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(xué)環(huán)節(jié)中的技術(shù)和管理難題，是對現(xiàn)場實驗實習(xí)及室內(nèi)實體實驗教學(xué)缺點的彌補和創(chuàng)新，有助于學(xué)生創(chuàng)新意識、工程實踐能力、自主學(xué)習(xí)能力及信息化技術(shù)運用能力的培養(yǎng)。本文從土工虛擬仿真實驗的意義、采用BIM技術(shù)的虛擬仿真實驗設(shè)計過程、土工虛擬仿真實驗的應(yīng)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(shè)計及應(yīng)用，使學(xué)生更迅速、更熟練地掌握土工實驗專業(yè)技能，實現(xiàn)建筑行業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo)。

一、土工虛擬仿真實驗的意義

土工虛擬仿真實驗的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方法，使“教”與“學(xué)”都發(fā)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(nèi)容，以生動有趣的形式展現(xiàn)給同學(xué)，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和效率。（2）虛擬土工實驗可以虛擬土工結(jié)構(gòu)的全部施工工程。在現(xiàn)實的實驗教學(xué)中，由于受時間的限制，無法全部展現(xiàn)全過程，而在虛擬中可以輕松解決。（3）虛擬實驗技術(shù)不受儀器設(shè)備數(shù)量的限制。在實際實驗教學(xué)中，由于受設(shè)備成本的限制，無法滿足每人一套設(shè)備一項實驗，但在虛擬實驗中則可以實現(xiàn)。

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(xué)生、分配賬號、平臺管理。（2）教師模塊：教師進入系統(tǒng)，對學(xué)生的實驗進行輔導(dǎo)和管理。主要有學(xué)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(jīng)注冊的學(xué)生登陸之后才可以進行操作。（3）學(xué)生模塊：學(xué)習(xí)與實驗準(zhǔn)備模塊，認(rèn)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(xué)習(xí)書籍、虛擬仿真軟件；可以根據(jù)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(xué)生可以進行疑難提問，可以通過在線交流和自由社區(qū)與教師和同學(xué)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(xué)生模塊中的部分功能，可以對虛擬仿真儀器進行學(xué)習(xí)，還可學(xué)習(xí)虛擬仿真軟件的用法，可在線交流等。

三、采用BIM技術(shù)的虛擬仿真實驗設(shè)計過程

隨著BIM技術(shù)的發(fā)展，采用先進的建筑數(shù)字BIM技術(shù)，結(jié)合虛擬仿真技術(shù)開展土工實驗的虛擬仿真設(shè)計及應(yīng)用研究，符合新時代對建筑結(jié)構(gòu)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(xué)習(xí)觀念，以快速發(fā)展的BIM虛擬仿真技術(shù)為載體，以大型、三維、復(fù)雜工程的虛擬實驗作為真實實驗學(xué)習(xí)補充的有力手段，培養(yǎng)出符合建筑行業(yè)所需求的創(chuàng)新型人才。以“簡支梁的受彎”實驗為例，進行虛擬仿真實驗設(shè)計和應(yīng)用，見圖1—圖6所示。實驗?zāi)康模海?）通過BIM建立簡支梁結(jié)構(gòu)模型破壞試驗，熟悉簡支梁結(jié)構(gòu)靜載試驗的全過程；（2）進一步學(xué)習(xí)靜載試驗中常用儀器設(shè)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(jié)構(gòu)具體尺寸，繪制簡支梁結(jié)構(gòu)模型圖；（2）將繪制出的模型圖仔細(xì)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(zhuǎn)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(shè)備，確保其能正常工作；（5）對液壓加載器進行調(diào)試，調(diào)試完成后，將預(yù)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(gòu)件發(fā)生破壞；（7）卸載并記錄數(shù)據(jù)。

四、土工虛擬仿真實驗的應(yīng)用成效

采用BIM技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)，開發(fā)9項土工虛擬仿真實驗，其中設(shè)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(xué)效率和學(xué)生的學(xué)習(xí)成績，惠及人時數(shù)近7200人/小時。虛擬仿真實驗應(yīng)用的成效還體現(xiàn)在：（1）提高了教師隊伍的素質(zhì)，學(xué)會使用前沿的科技技術(shù)，加強與學(xué)生的溝通交流；（2）通過虛擬仿真實驗，讓學(xué)生了解土建工程的全部過程，提高學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣，也提高學(xué)生的工程素質(zhì)；（3）通過大型綜合性虛擬仿真實驗，提高學(xué)生的團隊協(xié)作精神，提高學(xué)生的溝通交流能力、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。

五、結(jié)語

土工虛擬實驗是對實驗教學(xué)方式的改革，也是BIM技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)的必然產(chǎn)物。以其獨特的、全視角虛擬化的場景優(yōu)勢，極大地滿足了土木建筑工程領(lǐng)域?qū)I(yè)知識學(xué)習(xí)的需求，符合新世紀(jì)人才培養(yǎng)模式，在高校土工實驗教學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。實踐表明，采用BIM技術(shù)，對土工實驗進行虛擬化，開展土工虛擬仿真實驗教學(xué)是切實可行的，并在實踐中取得了良好的教學(xué)實施效果，為更大的土工虛擬仿真實驗平臺和內(nèi)容建設(shè)提供了技術(shù)支持。

參考文獻：

[1]易偉建.建筑結(jié)構(gòu)試驗(第4版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2016.

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

作者:郭二偉 于英霞 王 帥 謝樂樂 陳明凱 金家良 牛東凱 單位:河南科技大學(xué)