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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

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.

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