道路施工虛擬仿真實驗教學建設

馬登成， 胡永彪， 張新榮

（長安大學工程機械國家虛擬仿真實驗教學中心，西安710064）

0 引 言

為了提高學生對道路施工現場的了解，將理論知識轉化為實際技能，實驗教學采用虛擬仿真的教學方式，以圖文介紹形式展示實驗目的、實驗原理、公式、實驗方法與步驟、注意事項和實驗報告等內容，使學生能夠交互式、沉浸式的進行實驗，能夠使學生身臨其境的熟悉現場道路施工狀況，提高學生對課堂理論知識的掌握與實際解決問題的能力［1-6］。采用虛擬仿真實驗能夠使理論與實際相結合、虛擬仿真實驗與實際實驗相互補充、優化配置，全面提升學生在實驗教學環節中自主學習能力、解決復雜問題的能力、協同合作的能力，達到高層次人才培養的目標［7-15］。虛擬仿真教學實驗項目的設計目的正是輔助學生進行高速公路機械化施工的認知學習。虛擬施工現場外景下與三維施工設備的結合最大限度的復現模擬工程實際，構造出一套完整的涵蓋公路施工設備、施工工藝、材料的虛擬實驗，對高速公路施工過程中涉及的設備、工藝、流程、材料等進行仿真。以虛擬的技術手段再現施工工序安排、工程設備及構件安裝、機械操作、參數調整、瀝青混合料反饋等的重要環節，實現虛擬設備的人機交互操作，使學生隨時隨地的進行學習和實際操作。

1 項目建設原因

（1）學生無法觀察整個施工過程。高速公路的建設的工期均以年計，工期較長，在校學生沒有時間和精力去現場學習整個施工過程及工序，無法了解高速公路機械化施工的基本施工方法和流程。

（2）施工現場復雜，存在著不可預見的安全隱患。公路施工過程中，施工設備、車輛眾多，無論是工程機械，還是施工過程中的工況都是不可預料的，學生并不能夠實現現場實習，現場操作更無從談起，也無法保證學生在學習過程的安全。

（3）學生無法觀察施工機械結構及工作原理。瀝青混合料拌合站在施工過程中，一直處于封閉狀態，再加上拌制的瀝青混合料溫度高達160℃以上，攤鋪機、壓路機等施工設備工況復雜、施工現場情況多變，由于安全要求，學生不可能被近距離觀察其工作狀態，學生僅通過書本知識無法對其有很好的認知，很難明白高速公路施工設備的結構、工作原理及參數調整，以及施工材料與設備間的影響關系。

（4）現場實習耗資較多，且不可重復。施工類實習只能針對部分學生進行現場學習，每次去現場消耗巨大。針對不同年級學生需要多次認知學習，消耗巨大。更談不上掌握間歇式瀝青拌合站結構、拌合工藝、拌合質量控制方法及拌合流程；瀝青攤鋪機關鍵結構、攤鋪方法、參數調整、混合料離析控制方法與瀝青混合料壓實工序、壓實設備選擇、參數設置與設備選型等基礎知識。

（5）道路施工虛擬仿真實驗的優勢。虛擬仿真實驗教學中應用大型仿真軟件結合聲、光、電硬件設備，采用二維及三維動畫逼真反映實際道路施工過程中設備、材料、場景、人員操作等因素對施工質量的影響，學生能夠實現交互式、沉浸式實驗，有力地提高了實驗教學的吸引力和教學效果。由于采用虛擬仿真實驗方式，學生既能夠身臨其境地感受到真實施工過程中的狀況，又避免了由于誤操作產生對設備或學生人身的傷害，提高了對該門課程的學習興趣。

2 實驗項目建設

2.1 實驗項目設計

本項目的設計目標是完整地仿真如何進行高速公路機械化施工的整個過程，對所涉及的大型施工設備、施工技術、工程工序等知識點，將所要教授的知識點，生動準確地傳達給學生。同時學生能夠動手操作練習所教授的內容，并且加入考核。

（1）施工設備認知。將所有系統中涉及的設備、工具單獨建模，分別能夠進行360°全方位的展示，并搭配文字說明，用于教學，讓用戶達到認知的效果；所有模型應在該模塊的主界面中平鋪顯示，平鋪顯示的效果應該是圖片加名稱，點擊某個圖片進入該對應模型的具體展示。

（2）道路施工學習。該實驗項目是按照高速公路機械化施工過程中所涉及的各種施工設備、典型施工工藝的演示學習，學生進入系統后可進行間歇式瀝青拌合站、瀝青混合料攤鋪機、壓路機等多種施工設備的結構原理、施工工藝、流程、注意事項、參數調整等進行選擇，并進入對應實驗流程按照施工工序進行施工，對施工過程中的關鍵點進行學習，最后通過多種施工設備完成整條高速公路的修筑（見圖1）。

圖1 道路施工虛擬仿真實驗系統

2.2 實驗項目建設

2.2.1 公路基層虛擬仿真施工

進入實驗界面后，首先點擊菜單欄中的“備料”圖標，認識實驗項目中所要的主要設備和實驗材料。學生可以在材料庫中選擇相應的施工設備與材料，了解施工設備的結構組成與工作原理。采取交互式實驗方式，使學生身臨其境的學習公路路面基層施工的施工準備、混合料拌合、混合料運輸、攤鋪、碾壓、檢測、養生等過程（見圖2～8）。

2.2.2 瀝青面層虛擬仿真施工

（1）道路施工材料、設備準備。進入實驗界面后，首先點擊菜單欄中的“備料”圖標，認識實驗項目中所要的主要設備和實驗材料。學生可以在材料庫中選擇相應的施工設備與材料，了解施工設備的結構組成與工作原理，如瀝青混合料拌合站結構如圖9所示。學生可以從材料庫中選擇材料進行備料，實驗中的集料應分類堆放，展示的場景里各檔集料分類堆放，如圖10所示。學生對各種原材料及混合料進行材料性能實驗（見圖11）。進行底基層清掃及黏層油的灑布，如圖12所示。各瀝青面層開工前在甲方和監理單位批準及到場的情況下進行實驗段鋪筑，確定松鋪系數、施工工藝、機械配備、人員組織、壓實遍數，并檢查壓實度，瀝青含量，礦料級配，瀝青混合料馬歇爾各項技術指標等。

圖2 儲料倉

圖3 基層混合料拌制

圖4 基層混合料運輸

圖5 基層攤鋪

圖6 基層碾壓

圖7 基層壓實度檢測

圖8 基層養生

圖9 拌合站結構組成與工作原理

圖10 集料分類堆放

圖11 材料性能實驗

圖12 底基層處理

圖13 瀝青混合料拌制

（2）瀝青混合料的拌制。各種集料分類堆放，每個料源均進行試驗，按要求的配合比進行配料（配料過程需要學生完成，老師設計配料參數選擇）。設備庫中選擇并設置間歇式瀝青混合料拌合站工作參數。實驗流程包括：冷骨料配給-骨料烘干加熱-熱骨料提升-熱骨料篩分、儲藏與計量-粉料計量-瀝青計量、噴灑-混合料拌和與小車運輸。實驗中學生通過交互，完成對瀝青混凝土的原材料和瀝青混合料及時進行檢測。展示出廠的混合料需均勻一致，無白花料，無粗細料離析和結塊現象。圖13為瀝青混合料拌制現場。

（3）瀝青混合料的運輸。實驗中要求學生根據拌合站每小時的產量、運距計算運輸車輛的數量與種類，實驗過程中展示運輸車車廂內干凈整潔，刷防粘劑，并為車廂配備篷布或棉被以防止熱量損失。拌合站卸料到運輸車中要求采取5次卸料法，以防止卸料產生材料離析（見圖14）。

（4）瀝青混合料的攤鋪。學生可在機械庫中選取攤鋪機，根據路面寬度選擇梯形搭接攤鋪（采用雙機或三機梯形施工時，相鄰兩攤鋪機的前后距離控制10～20 m，相鄰兩幅有10～25 cm寬度的重疊搭接）或選擇大寬度攤鋪機一次攤鋪，攤鋪機工作前使學生明確對熨平板進行預加熱至不低于65℃，以防止瀝青混合料黏接在熨平板上，設置攤鋪機相關工作參數，實驗中底、中面層采用走線法施工，上面層采用平衡梁法施工（見圖15）。攤鋪過程中要求攤鋪機勻速行駛，根據拌合站的產量來確定攤鋪機的行走速度，以確保所攤鋪路面的均勻不間斷地攤鋪，在攤鋪過程中不準隨意變換速度，避免中途停頓以保證攤鋪后路面的平整度。

圖14 瀝青混合料卸料運輸

圖15 攤鋪機攤鋪作業

（5）瀝青混合料的壓實。壓實工藝分為初壓、復壓與終壓。初壓：采用雙鋼輪振動壓路機，先關閉振動靜碾1～2遍，緊跟攤鋪機碾壓，保證路面溫度應不低于120℃。復壓：采用膠輪壓路機和雙輪雙振壓路機碾壓4～6遍，碾壓溫度多控制在100℃以上。終壓：采用雙輪雙振壓路機，靜壓1～2遍，碾壓溫度應不低于70℃。邊角部分使用小型振動壓路機碾壓。

進行壓實作業之前，要求學生確定壓路機的種類和數量，一般由4臺噸位大于13 t的雙鋼輪振動壓路機和2臺噸位大于16 t的膠輪壓路機以及小型振動壓路機組成。壓實過程中壓路機禁止中途停車、轉向、制動，每次由兩端折回的位置呈階梯形隨攤鋪機向前推進，保證折位置不在同一橫斷面上；振動壓路機在已滿足壓實度要求的路面上行駛時關閉振動。碾壓沿縱向由低邊向高邊按規定要求的碾壓速度勻速進行，相鄰碾壓重疊寬度大于30 cm。圖16為瀝青混合料壓實。

圖16 瀝青混合料壓實作業

3 實驗考核

考核要求見表1。

表1 實驗考核要求

（1）學習態度。（占基本實驗考核成績40%。即總評20%），考核內容包括：出勤率，實驗結束時儀器設備的維護和實驗室的整潔衛生、預習報告、操作時的實驗態度、實驗報告的完整性。

（2）理論水平。（占基本實驗考核成績的30%，總評的15%），包括：實驗前抽查口試、設備參數調整、數據分析處理是否正確、實驗報告中實驗結果的分析討論及思考題解答。

（3）實驗技能。（占基本實驗考核成績的30%，總評的15%），包括：熟悉實驗步驟、正確規范使用儀器、是否正確的選擇施工參數。

4 實驗項目實施效果

本實驗項目彌補了目前高速公路機械化施工教學中存在的缺陷，通過3D建模的道路施工設備及施工實景，使學生生動而真實地了解與掌握了高速公路施工現場情況；通過設備庫提供的施工設備，加深對施工設備的認知與掌握；通過學習規范以及一步步地模擬施工工序實驗，了解與掌握高速公路機械化施工的全過程。不僅使學生加深了理論知識，而且也掌握了高速公路施工的實際流程。經過虛擬實驗訓練的學生具備了更強的工程實踐能力和工程實踐經驗，更能適應工程機械類制造企業、公路施工類企業的工作崗位需求。