采用BIM技术的土工虚拟仿真实验设计
来源:用户上传
作者:
摘要：土工实验是土木工程专业中实践性最强的专业课之一，注重基本理论与实验实践相结合，随着新结构、新材料、新工艺及检测技术的快速发展，土工虚拟仿真实验技术能够满足这些新的需求。本文重点研究土工虚拟仿真实验的设计，采用BIM技术，对土工实验进行虚拟化，分析土工虚拟仿真实验的可行性和实施效果，为努力搭建土工虚拟仿真实验平台和内容的建设提供技术支持。
关键词：BIM技术;土工实验;虚拟仿真
中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）11-0274-02
土工实验既是一门科学，又是一种技术，是研究新结构、新材料、新工艺及检测技术的重要手段，在土木工程科学研究和技术创新等方面起着重要作用[1，2]。
虚拟仿真是20世纪80年代新崛起的一种综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等。它是由计算机硬件、软件以及各种传感器构成的一种三维信息的人工虚拟环境，可以逼真地模拟现实世界里（甚至是不存在的）的事物和环境，人投入到这种环境中，立即有“亲临其境”的感觉，并可亲自操作，自然地与虚拟环境进行交互。
虚拟实验技术是以计算机软、硬件技术迅速发展为前提的虚拟仿真手段，在实验教学项目中应用的一种先进的教学技术，通过高性能硬件和配套的软件，模拟实际实验的项目、仪器仪表、实验过程、操作步骤，可以克服实际实验周期长、危险性大、材料消耗多等诸多困难，实现低成本、全天候目标的土工实验教学。
基于虚拟仿真技术构建的虚拟仿真实验平台，可以较好地解决土木工程实验实践教学环节中的技术和管理难题，是对现场实验实习及室内实体实验教学缺点的弥补和创新，有助于学生创新意识、工程实践能力、自主学习能力及信息化技术运用能力的培养。
本文从土工虚拟仿真实验的意义、采用BIM技术的虚拟仿真实验设计过程、土工虚拟仿真实验的应用成效三个方面入手，探讨分析适合的、高效的虚拟仿真实验设计及应用，使学生更迅速、更熟练地掌握土工实验专业技能，实现建筑行业创新型人才培养目标。
一、土工虚拟仿真实验的意义
土工虚拟仿真实验的应用改变了传统的实验教学方法，使“教”与“学”都发生了重大变化：（1）虚拟土工实验不仅可以达到实际实验的目的，而且可以丰富实验的内容，以生动有趣的形式展现给同学，从而提高学生学习的积极性和效率。（2）虚拟土工实验可以虚拟土工结构的全部施工工程。在现实的实验教学中，由于受时间的限制，无法全部展现全过程，而在虚拟中可以轻松解决。（3）虚拟实验技术不受仪器设备数量的限制。在实际实验教学中，由于受设备成本的限制，无法满足每人一套设备一项实验，但在虚拟实验中则可以实现。
二、土工虚拟仿真实验的需求
土工虚拟仿真实验的需求：（1）管理模块：总体管理教师和学生、分配账号、平台管理。（2）教师模块：教师进入系统，对学生的实验进行辅导和管理。主要有学生管理、知识管理、下载管理、实验管理、报告管理、在线交流。必须由己经注册的学生登陆之后才可以进行操作。（3）学生模块：学习与实验准备模块，认识虚拟仿真实验材料、仪器，可以下载自己需要的一些虚拟仿真软件，学习书籍、虚拟仿真软件;可以根据课程的进度选择实验，实验完成后上传实验报告，查看实验成绩。（4）交流模块：学生可以进行疑难提问，可以通过在线交流和自由社区与教师和同学进行多方交流。（5）游客模块，是非注册用户的功能模块，它可使用学生模块中的部分功能，可以对虚拟仿真仪器进行学习，还可学习虚拟仿真软件的用法，可在线交流等。
三、采用BIM技术的虚拟仿真实验设计过程
随着BIM技术的发展，采用先进的建筑数字BIM技术，结合虚拟仿真技术开展土工实验的虚拟仿真设计及应用研究，符合新时代对建筑结构人才知识和技能的要求，以新的思维方式更新已有的实验课程学习观念，以快速发展的BIM虚拟仿真技术为载体，以大型、三维、复杂工程的虚拟实验作为真实实验学习补充的有力手段，培养出符合建筑行业所需求的创新型人才。
以“简支梁的受弯”实验为例，进行虚拟仿真实验设计和应用，见图1—图6所示。
实验目的：（1）通过BIM建立简支梁结构模型破坏试验，熟悉简支梁结构静载试验的全过程;（2）进一步学习静载试验中常用仪器设备的使用方法;（3）直观有效模拟实验的整个流程。
实验步骤：（1）确定简支梁结构具体尺寸，绘制简支梁结构模型图;（2）将绘制出的模型图仔细与实物进行比，对并对其进行钢筋的配置;（3）将做好的模型转移到NWS进行模拟实验;（4）在加载试验前，检查反力架和各仪器设备，确保其能正常工作;（5）对液压加载器进行调试，调试完成后，将预制试件的底座用螺栓固定在横梁下方的底板支座上;（6）通过反力墙和液压加载器对试件施加水平荷载，并逐级增大荷载直至构件发生破坏;（7）卸载并记录数据。
四、土工虛拟仿真实验的应用成效
采用BIM技术和虚拟仿真技术，开发9项土工虚拟仿真实验，其中设计性6项，综合性3项。虚拟仿真实验比例超过25%，大大提高了土工实验的教学效率和学生的学习成绩，惠及人时数近7200人/小时。虚拟仿真实验应用的成效还体现在：（1）提高了教师队伍的素质，学会使用前沿的科技技术，加强与学生的沟通交流;（2）通过虚拟仿真实验，让学生了解土建工程的全部过程，提高学生的专业学习兴趣，也提高学生的工程素质;（3）通过大型综合性虚拟仿真实验，提高学生的团队协作精神，提高学生的沟通交流能力、创新意识和创新能力。
五、结语
土工虚拟实验是对实验教学方式的改革，也是BIM技术和虚拟仿真技术的必然产物。以其独特的、全视角虚拟化的场景优势，极大地满足了土木建筑工程领域专业知识学习的需求，符合新世纪人才培养模式，在高校土工实验教学领域具有广阔的应用前景。 實践表明，采用BIM技术，对土工实验进行虚拟化，开展土工虚拟仿真实验教学是切实可行的，并在实践中取得了良好的教学实施效果，为更大的土工虚拟仿真实验平台和内容建设提供了技术支持。
参考文献：
[1]易伟建.建筑结构试验（第4版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2016.
[2]周明华.土木工程结构试验与检测（第2版）[M].南京：东南大学出版社，2017.
Virtual Simulation Experiment Design of Civil Engineering with BIM Technology
GUO Er-wei，YU Ying-xia，WANG Shuai，XIE Le-le，CHEN Ming-kai，JIN Jia-liang，NIU Dong-kai
（College of Civil Engineering，Henan University of Science and Technology，Luoyang，Henan 471003，China）
Abstract：Civil engineering experiment is one of the most practical professional course in civil engineering.It pays attention to the combination of basic theory and experimental practice.With the rapid development of new structure，new materials，new technology and detection technology，virtual simulation of civil engineering Experimental technology can meet these new needs.This article focuses on the virtual simulation experiments design of civil engineering，using BIM technology and virtual simulation technology.the feasibility and implements the results of civil engineering virtual simulation experiments ware analyzed.Provide technical support for the virtual simulation experiment platform construction and content construction of civil engineering.
Key words：BIM technology;civil Engineering experiment;virtual simulation
转载注明来源:https://www.xzbu.com/9/view-14744170.htm
