土木工程虚拟仿真实验流程研究

土木工程虚拟仿真实验流程研究

李书芳

重庆工程职业技术学院重庆402260

摘要:根据土木工程专业实践教学的现状，具有实验设备体量大、资源消耗大、危险性高的特点，决定了虚拟仿真实验教学必将成为未来人才培养的重要教学方式和手段，本文分析了虚拟仿真实验平台，并对虚拟现实类仿真实验、虚拟结合类实验及虚拟仿真类实验流程进行分析分析研究。为传统教学带来了新的教学方法和探索，对仿真实验带来一定的参考和指导性。

关键词：虚拟仿真实验，实验平台，实验流程，实践教学

1、引言

土木工程实验设备体量大、资源消耗大、危险性高的特点，以及信息社会条件下学生学习方式的转变，决定了虚拟仿真实验教学必将成为未来人才培养的重要教学方式和手段，虚拟仿真实验室是虚拟现实技术应用研究的重要载体，随着虚拟实验技术的成熟，人们开始认识到虚拟仿真实验室在教育领域的应用价值，它除了可以辅助高校的科研工作，在实验教学方面也具有如利用率高，易维护等诸多优点。近年来，国内的许多高校都根据自身科研和教学的需求建立了相应的专业虚拟仿真实验室。

2、虚拟仿真实验平台

在原有的基于课堂教学的计算机辅助教学系统、基于教学实验的虚拟实验系统、基于科教协同的复杂结构数值仿真系统基础上，充分考虑土木工程学科和专业特点、学生的认知过程和能力提升要点、虚拟仿真系统开发平台和信息技术现状，形成了夯实基础、面向应用、培养创新三个层次，虚拟现实、虚实结合、虚拟仿真三大类别的土木工程虚拟仿真实验信息化平台主框架（图1）。并可根据各类虚拟仿真实验项目的增减动态确定平台内容，其平台功能流程示意图如下图所示。

图1土木工程虚拟仿真实验信息化平台主框架

本文将在现有虚拟仿真实验研究理论基础上，进行土木工程专业虚拟仿真实验流程研究。

3、土木工程虚拟仿真实验流程研究

根据土木工程专业的工程特点，可基于设计仿真软件如管立得、AutodeskCivil3D等，并根据需要进行二次开发，建立土木工程仿真模型数值模拟分析方法，主要包括模型建立和碰撞检测仿真系统。

3.1进行虚拟现实类仿真实验

如利用管立得软件进行市政给排水管道实验控制、仿真、演示。可为学生开设“地形处理和道路绘制”，“平面设计和纵断面设计”，“给水、污水、雨水设计和各类管线综合调整”，“管网平差计算和污水雨水计算”仿真实验。

桥梁模型

该实验项目也用来模拟各种常规简支梁桥上部结构的施工过程。简支梁类型包括预应力和普通混凝土空心板梁，预应力混凝土小箱梁及预应力混凝土T梁等常规简直支梁。该项目主要包括预制梁梁体的预制、吊运及架设，现浇梁梁体的浇筑，铺装层的铺装，以及桥面附属设施的架设等施工过程的模拟。通过计算机仿真技术，学生可以应用软件自由的建立3D数字桥梁模型，详细分解施工过程，并过对模型进行软件模拟加载，明确各类桥梁的结构受力特性。建立3D数字桥梁模型。将建好的数字模型进行计算机软件模拟加载。分析已设计好的桥梁结构的受力特性。再进行3D数字桥梁模型的调整。最终确定最合适的桥梁设计方案。

3.3建立性态虚拟仿真类实验

其在虚拟现实引擎构建的虚拟现实仿真环境中，学生通过佩戴虚拟仿真头盔等虚拟现实设备、手持手柄等操作设备，实现在土木工程各种场景中漫游，以隧道工程虚拟仿真数字化实验介为例绍其实验流程。

根据隧道工程开挖施工的特点，建立了隧道施工动态仿真数值模拟分析方法，主要包括设计前施工过程的动态数值模拟和施工中的动态反演分析，集成化的隧道工程通用计算和施工仿真系统。虚拟仿真实验流程为：

（1）教师讲授施工监测布置理论知识。在理论学习的基础上，介绍虚拟仿真实验案例的隧道概况，提供隧道地勘资料、设计资料等背景资料，并将施工监测布置的要求分给学生。学生学习施工监测理论知识，分析案例隧道背景资料，布置施工监测点，完成施工监测布置方案。

（2）教师评价施工监测方案，介绍虚拟现实实验室设备以及使用方法。

（3）教师准备虚拟现实实验室设备，布置学生实验室上课分组方案。

（4）学生到达虚拟现实实验室，在教师的辅助下，先熟悉虚拟现实设备，带上头盔，体验虚拟仿真场景，学习通过手柄等控制装置在虚拟仿真场景中的漫游，以及在虚拟场景中进行施工监测测点的布置等操作。

（5）学生在三维虚拟场景中，使用监测设备，根据自己之前的监测方案，布置施工监测点。

（6）学生在监测方案模拟布置的前提下，在虚拟仿真场景中，对监测设备进行模拟读数和监测数据获取，并在课后对监测数据进行分析处理。

通过以上实验流程，让学生了解各类隧道和支护结构的基本知识，并通过施工仿真和计算，直观认识隧道工程施工过程和支护结构的力学性态特征及演变，实现实验室无法完成的实验。

4、结论

通过对虚拟仿真实验平台的分析，本文以隧道工程虚拟仿真数字化实验为例对虚拟仿真实验流程进行研究，为传统教学带来了新的教学方法和探索，对仿真实验带来一定的参考和指导性。既解决了课本中理论的凭空想象，又弥补了因传统实验仪器缺乏而造成的缺憾，具有良好通用性。

参考文献：

[1]黄剑玲,邹辉.基于虚拟现实技术的实验教学系统及其特点[J]中国电化教育，2009,4总第267期

[2]李彬彬,苏明周.土木工程虚拟仿真实验教学体系探索与构建[J]西安建筑科技大学学报（社会科学版）2015年4月第34卷第2期

[3]郑富龙.仿真实验与传统实验的教学探索[J]实验室研究与探索，2005年第24卷第9期

[4]张利.土木工程专业仿真模拟实验教学系统研究[J]华北科技学院学报2017.1第7卷第1期

课题名称：基于设计软件的虚拟仿真技术与市政给排水实验研究，课题批准号：KJB201714