淺談土木工程仿真模擬實踐教學平臺建設

李楠

摘 要：土木工程仿真模擬平臺具有仿真、交互、低成本、資源共享等優點，不僅可以很好地滿足人才培養的需求還可以在一定程度上緩解實驗教學資源配置不足的問題，對提升土木工程應用型人才培養質量，具有先進性、針對性和可行性。

關鍵詞：土木工程 仿真模擬 實踐教學平臺 建設

中圖分類號：G71 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）03（c）-0200-01

土木工程專業具有實踐性強、與工程實際聯系緊密等特點，而工程實踐能力的培養不僅是工科教育的重要內容，也是檢驗素質教育成效的關鍵性指標。開展以計算機仿真模擬技術為平臺的土木工程類專業實驗教學改革，不僅可以很好地滿足土木類人才培養的需求，克服傳統實驗教學中的教學方法單一、知識學習和實驗動手操作相互分離的缺點，還可以在一定程度上緩解教學資源的不足。國內土木類相關院校工程仿真模擬實驗教學改革的研究較少，本課題研究具有一定的先進性和前瞻性。

1 研究思路

本課題選擇土木類專業課程中最具代表性的房屋建筑學、鋼筋混凝土結構、建筑施工、工程造價等相關實驗進行仿真模擬。在深入研究土木專業培養目標和主干課程實驗教學大綱基礎上，深入到建筑工程現場收集工程質量檢測圖片、錄像素材，購買各類工程微縮模型，再通過文本、圖形、圖像、音頻、視頻等媒體手段和現代媒體技術構建土木工程仿真模擬實踐教學平臺，以形象、直觀、生動的形式引導學生理論聯系生產實際，提高綜合分析問題的能力，滿足建筑土木專業應用型人才培養的要求。

2 研究成果

2.1 房屋建筑學模擬實驗單元

通過該單元的設計使學生能獲得直觀的學習效果。設計程序可根據不同的工程類別（民用、公共、工業建筑）對結構構件進行分解，并能顯示各構件名稱，學生能非常直觀的掌握某一構件在實際結構中的確切位置，系統還可按照不同部位提供各構件的三維模型，學生能更好的掌握各類構件的受力特點和使用條件。程序可提供繪圖功能，學生能根據教師布置的作業要求，完成相應的作業或課程設計，并能網上提交，減少圖版繪圖的工作量，培養學生使用現代管理工具的能力。同時，為解決學生現場實習難的問題，購買各類建筑結構構造的實體微縮模型，包括從組成上分類的基礎、墻體、屋面、節點、變形縫等構造，同時也包括了按結構類型劃分的鋼結構、混凝土結構、磚混結構、高層建筑等，從而建立比較完善的建筑結構構造模型室，學生可以不到施工現場便能了解各類結構構件的構造原理及實物，大大提高學生實踐認知能力。

2.2 鋼筋混凝土模擬實驗單元

鋼筋混凝土結構實驗模擬教學系統研究結構實驗的任務是基于結構基本原理，使用各種儀器，儀表和實驗設備，對結構物受力后的性能進行觀測，如變形，應變，溫度，振幅，頻率，裂縫寬度等。了解并掌握構件的力學性能，為驗證和發展結構理論提供實驗依據。鋼筋混凝土構件力學仿真模擬試驗以實際試驗數據為依據，通過數據庫及FLASH技術再現整個試驗過程，隨時為學生提供試驗環境，克服了以往提前預制試驗構件的困難，學生輸入構件的幾何尺寸和混凝土標號以及鋼筋的布置，系統便可進行仿真試驗，并顯示裂縫的變化和撓度的變化，使得試驗更直觀，試驗結果可以和學生在試驗前的計算結果進行對比，培養學生現代科研的能力，同時也能降低學校開設傳統試驗課程的費用成本。

2.3 工程管理模擬實驗單元

結合工程管理實踐教學，突出工程造價管理、招投標管理、施工現場管理等三個方面的特色。工程造價模擬實踐單元能完成工程建模、工程量計算、工程計價等教學過程，能夠完成課程設計、畢業設計等實踐教學環節。主要開發了以下軟件：（1）圖形算量軟件。具有與CAD互導功能，即可以根據CAD繪制的施工圖紙導入到圖形算了軟件完成從2D到3D的轉化，從而進行算量。（2）鋼筋算量軟件。鋼筋工程量的計算是工程量計算中最為復雜繁瑣的部分，通過鋼筋的計算和3D模型的實現，加強學生對鋼筋混凝土結構施工圖的理解，特別是101圖集的應用能力。（3）清單計價軟件。利用計算機模擬實際工作中的套價計價工作。（4）招標投標模擬系統。能夠實現與造價軟件的對接，模擬招標投標全過程即從發布招標公告到中標通知書下達全過程。使學生參與到招標投標活動中，并扮演不同的角色：招標人及評標方（招標文件編制人、評標專家等）、投標人一方（項目經理、投標文件編制人等）。同時模擬系統還提供三維現場施工布置圖的設計。學生能進行施工現場的布置，并且能根據一定的要求完成有關施工現場布置說明文檔的編制。學生還可以編制進度計劃和成本計劃，模擬合同的簽訂流程、執行及終結情況，并根根據假定情況模擬工程進度及成本的執行情況，進行跟蹤對比，完全達到建設工程招投標的仿真教學效果。

2.4 數值仿真模擬實驗單元

對高年級專業學生開放數值模擬試驗。它是指利用商業通用程序，對土木類相關專業課程教學試驗及課程有關重點難點內容進行數值模擬和仿真分析，對數值模擬過程及結果以多媒體形式進行演示。數值模擬和仿真技術發展非常迅速、應用極廣泛。以有限元分析方法為基礎的工程數值模擬技術在結構工程、力學、橋梁及抗震工程等領域的科研工作中得到普遍應用，是土木工程相關科學專業的重要研究手段，國內外目前已開發了大量的商業通用軟件，如ANSYS、ABAQUS和SAP2000等軟件的影響應用較為普遍。

由于本科專業課程所涉及到的問題均不屬于復雜和前沿問題，所以采用數值模擬技術和數值模擬程序可以有效實現重點和難點的講授，對專業基礎課更有優勢。對于力學類課程，如彈性力學和結構力學課程，所涉及到一般均線彈性問題，很少涉及非線性問題，因此，在數值模擬技術方面是較為簡單和易實現的。對鋼筋混凝土結構、高層建筑結構、鋼結構及工程抗震設計等專業課涉及到的主要問題也較容易實現。我校目前在數值模擬試驗方法教學中已能運用兩種以上商用軟件開展數值模擬試驗的應用和二次開發，并彌補由于試驗室條件限制而無法或很難開出的實驗。高層建筑結構設計等課程中采用ANSYS、ADINA和ABAQUS等商用有限元程序開發重點及難點問題的多媒體課件。由這些內容制成多媒體教學課件，在課堂講授，學生較容易掌握和理解，教學效果非常好。

3 結語

土木工程模擬仿真實踐教學平臺的不斷建設并適時引入專業課實驗教學中，改變了傳統的教學手段，既可開闊學生視野、擴大學生知識面，又能提高學生學習專業課的興趣和主動獲取知識的積極性，加深對專業理論知識的理解。這項研究還的進一步探索和研究的空間，同時在土木工程驗教學中將工程仿真試驗和真實試驗相輔相成、優勢互補，能夠不斷提升實驗教學效果，實現土木工程應用型人才培養的目標。

參考文獻

[1]張利.土木工程專業仿真模擬實驗教學系統研究[J].華北科技學院學報，2010.

[2]王儀.結構仿真試驗在土木工程教學中的作用[J].高等建筑教育，2007.