新工科背景下土木工程防灾减灾创新人才培养的虚拟仿真教学平台建设与实践
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作者:熊焱 侯爽 吴迪
摘 要：新工科背景下，以工程能力和创新能力为核心的复合型创新人才是人才培养的新需求。文章在分析土木工程防灾减灾课程实验教学面临周期长、成本高、高危险和不可逆等问题基础上，介绍华南理工大学钢筋混凝土板的设计性虚拟仿真耐火实验平台的建设和实践情况，论述虚拟仿真教学模式在土木工程防灾减灾教学中的优势特色，以及对创新型人才培养的重要作用。
关键词：新工科;土木工程;防灾减灾;虚拟仿真
中图分类号：G640 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2022）21-0029-04
Abstract： Under the background of new engineering， compound innovative talents with engineering ability and innovation ability as the core are the new demand of talent training. The problems in experimental teaching of civil engineering disaster prevention and mitigation are detailedly discussed in this paper， including： long cycle， high cost， high risk and irreversible. This paper introducesthe construction and practice of the design virtual simulation experimental platform for reinforced concrete slab simulation of fire resistance established in South China University of Technology ， and discusses the advantages of virtual simulation teaching modein civil engineering disaster prevention and mitigation teaching， and the important role in cultivating innovative talents.
Keywords： new engineering; civil engineering; disaster prevention and mitigation; virtual simulation
我国是世界上自然灾害最严重的国家之一。对我国大多数城市来说，地震、火灾、洪水是主要的灾种。近年来，随着城市建设的加快，高层、超高层、大跨度建筑物防灾减灾问题日益突出。土木工程是防灾减灾最重要的学科和行业，具有其他学科都不具有的主动性和不可替代性[1]。为进一步提升高校学生的防灾减灾意识和素养，实现灾害教育的普及和传承，近年来许多高校以通识课或专业课程的形式逐步开设了防灾减灾相关的课程[2-6]。因此，作为土木工程专业的人才更应掌握防灾减灾相关的知识和技能，以服务社会。
在各种灾害中，火灾是威胁公共安全的一种主要灾害形式，每年都给人类带来重大损失。我国每年发生建筑火灾15万余起，直接财产损失1.6亿元。为了同时培养学生应用及研究建筑结构抗火性能的创新能力，使学生掌握建筑结构抗火的理论及基本原理设计方法。从2002年起，在建筑结构抗震与防灾课程中开设了“火灾害及结构抗火设计”专题，并于2006年在国内率先开展了“钢混凝土板的耐火性能实验”教学。该教学活动获得学生和业界的一致好评，国内多所高校教师前来学习取经。实施十余年实体实验教学，在教学过程中存在如下问题：学生在进行钢筋混凝土楼板的抗火设计及其耐火实验时，往往因为考虑问题不够仔细周全，楼板的设计耐火极限和实验结果有较大偏差，甚至出现错误;由于从楼板设计到浇筑施工再到耐火实验，周期较长，实验成本较高，学生发现错误后不可能有重新再来一遍的机会;出于安全考虑实体实验中试件明火实验一般是由经验丰富的实验员操作，学生基本全程观摩、缺少独立思考、学习主动性不高，学习效果欠佳;实体实验还具有较高的危险性和不可逆性。
针对上述原因，本团队在二十余年结构抗火科研成果和大量试验数据积累下，通过整合实验和有限元分析数据，结合虚拟仿真技术完成了钢筋混凝土板的设计性虚拟仿真耐火实验教学平台的开发和建设。
在实验中，学生需要整合多门基础理论和专业知识，在给定实验材料、构件尺寸和常温荷载比的条件下，设计出具有预定耐火极限的钢筋混凝土板，完成该板的加工制作，开展该板从荷载布设、仪器安装、高温变形量测直至达到耐火极限的全过程明火实验，分析该板实测耐火极限与预定耐火极限的差异原因，撰写实验报告。该实验有较高的自由度，学生在设计过程中可能由于概念不清晰，或计算出错而给出错误方案，若没有及时发现处理会导致件无法达到预定耐火极限，是一个多过程、多结局的实验。
一、钢筋混凝土板的设计性虚拟仿真耐火实验平台
（一）实验原理
1. 了解钢筋混凝土板耐火实验的设备、仪表及其工作原理。通过虚拟动画高品质构建出实验场地，以及对亚热带建筑科学国家实验室的“巡游”，了解不同实验室的实验对象;对结构耐火实验室的“巡游”，了解实验室内“三大”高温实验炉的工作尺寸、实验对象、加载能力等; 对实验仪表设备进行介绍，了解其工作原理。
2. 掌握混凝土抗压强度和钢筋抗拉强度试验值与标准值区别。通过虚拟实验对给定材料（混凝土和钢筋）强度进行测试，并对试件破坏历程及最终形态给予生动描述;掌握实验设计中应采用材料（混凝土和钢筋）强度的试验值（由实验中材料强度测试获得），而非材料强度的标准值。
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