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

摘要：土工實(shí)驗(yàn)是土木工程專業(yè)中實(shí)踐性最強(qiáng)的專業(yè)課之一，注重基本理論與實(shí)驗(yàn)實(shí)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(shí)驗(yàn)技術(shù)能夠滿足這些新的需求。本文重點(diǎn)研究土工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，采用BIM技術(shù)，對土工實(shí)驗(yàn)進(jìn)行虛擬化，分析土工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的可行性和實(shí)施效果，為努力搭建土工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)；虛擬仿真

土工實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等。它是由計(jì)算機(jī)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(shí)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(jìn)行交互。虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)是以計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)迅速發(fā)展為前提的虛擬仿真手段，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目中應(yīng)用的一種先進(jìn)的教學(xué)技術(shù)，通過高性能硬件和配套的軟件，模擬實(shí)際實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目、儀器儀表、實(shí)驗(yàn)過程、操作步驟，可以克服實(shí)際實(shí)驗(yàn)周期長、危險(xiǎn)性大、材料消耗多等諸多困難，實(shí)現(xiàn)低成本、全天候目標(biāo)的土工實(shí)驗(yàn)教學(xué)?；谔摂M仿真技術(shù)構(gòu)建的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，可以較好地解決土木工程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的技術(shù)和管理難題，是對現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)及室內(nèi)實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)缺點(diǎn)的彌補(bǔ)和創(chuàng)新，有助于學(xué)生創(chuàng)新意識、工程實(shí)踐能力、自主學(xué)習(xí)能力及信息化技術(shù)運(yùn)用能力的培養(yǎng)。本文從土工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的意義、采用BIM技術(shù)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程、土工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及應(yīng)用，使學(xué)生更迅速、更熟練地掌握土工實(shí)驗(yàn)專業(yè)技能，實(shí)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(shí)驗(yàn)的意義

土工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)不僅可以達(dá)到實(shí)際實(shí)驗(yàn)的目的，而且可以豐富實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)可以虛擬土工結(jié)構(gòu)的全部施工工程。在現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)技術(shù)不受儀器設(shè)備數(shù)量的限制。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)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(xiàng)實(shí)驗(yàn)，但在虛擬實(shí)驗(yàn)中則可以實(shí)現(xiàn)。

二、土工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的需求

土工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(jìn)入系統(tǒng)，對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行輔導(dǎo)和管理。主要有學(xué)生管理、知識管理、下載管理、實(shí)驗(yàn)管理、報(bào)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(jìn)行操作。（3）學(xué)生模塊：學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備模塊，認(rèn)識虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(jìn)度選擇實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)完成后上傳實(shí)驗(yàn)報(bào)告，查看實(shí)驗(yàn)成績。（4）交流模塊：學(xué)生可以進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程

隨著BIM技術(shù)的發(fā)展，采用先進(jìn)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(shí)驗(yàn)的虛擬仿真設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)作為真實(shí)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)補(bǔ)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(shí)驗(yàn)為例，進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和應(yīng)用，見圖1—圖6所示。實(shí)驗(yàn)?zāi)康模海?）通過BIM建立簡支梁結(jié)構(gòu)模型破壞試驗(yàn)，熟悉簡支梁結(jié)構(gòu)靜載試驗(yàn)的全過程；（2）進(jìn)一步學(xué)習(xí)靜載試驗(yàn)中常用儀器設(shè)備的使用方法；（3）直觀有效模擬實(shí)驗(yàn)的整個流程。實(shí)驗(yàn)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(shí)物進(jìn)行比，對并對其進(jìn)行鋼筋的配置；（3）將做好的模型轉(zhuǎn)移到NWS進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)；（4）在加載試驗(yàn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)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(xiàng)土工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，其中設(shè)計(jì)性6項(xiàng)，綜合性3項(xiàng)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)比例超過25%，大大提高了土工實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)應(yīng)用的成效還體現(xiàn)在：（1）提高了教師隊(duì)伍的素質(zhì)，學(xué)會使用前沿的科技技術(shù)，加強(qiáng)與學(xué)生的溝通交流；（2）通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)是對實(shí)驗(yàn)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(dú)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(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。實(shí)踐表明，采用BIM技術(shù)，對土工實(shí)驗(yàn)進(jìn)行虛擬化，開展土工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是切實(shí)可行的，并在實(shí)踐中取得了良好的教學(xué)實(shí)施效果，為更大的土工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺和內(nèi)容建設(shè)提供了技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)：

[1]易偉建.建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)(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(yàn)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)