樁基礎虛擬施工輔助實踐教學研究

殷 勇

(鹽城工學院 土木工程學院，江蘇 鹽城 224051)

1 引言

基礎工程是土木工程相關專業一門重要的專業基礎課，也是土建類高校專業課程教學改革的核心內容[1]。該課程的教學內容涉及常見建筑基礎的設計與施工，其中基礎工程的施工在實踐性教學環節中也是一項重點內容。學生只有通過課堂理論教學、實踐教學兩方面環節才能更透徹地掌握課程核心，才能更好地鍛煉自身的實踐能力。目前，由于樁基礎在建筑的基礎型式中占有較大的應用比例，在基礎工程的教學中其重要性日益突出。樁基礎設計的理論內容在基礎工程課堂教學中一般都有充足的學時安排，但施工過程在理論課程中往往講解較少或者僅在土木工程施工課程中有所涉及。因此，有效開展樁基礎實踐性教學是保障學生系統和全面掌握課程要點的重要措施。

2 現有實踐教學方式存在的問題

當前，多數高校并沒有專門開設針對樁基工程的實踐教學環節，很多都是安排在認識實習、生產實習、畢業實習等實習環節合并開展，而且在實施過程中有時還存在著下列一些問題。

2.1 實習資源不足

對于土建類專業而言，學生獲取現場實踐資源的途徑相對較單一。實踐環節的開展一般都是利用就近的工程項目，而樁基工程屬于隱蔽工程，施工周期較短，與學生實踐環節開展的時間有時并不能完全一致。這就造成實踐教學不能對樁基工程的全過程進行學習，短時間內現場工程能提供的實習資源相對不足，影響實踐環節的開展。

2.2 實踐條件不全面

樁基的實踐環節目前多數是以現場教學為主，而現場開展實踐教學的影響因素也較多，需要的保障條件相對較高，如天氣、交通、安全、經費投入等，任何一個環節不滿足均會影響教學過程。此外，從指導教師來看，有豐富工程經驗的教師數量還不足，現場實踐指導工作量大、安全責任也重，造成教師承擔現場實習任務的工作積極性不高[2]。

2.3 實習深度不夠

實踐環節是土木工程專業一項必修的學習內容，班級人數較多時實習過程一般可以分批進行，但盡管如此，對于樁基工程而言，部分學生的實習深度還有欠缺。工程現場因為各種限制，不能同時接待大批量實習人員，學生實習多以現場觀摩的方式進行，并不能實際參與施工過程，對樁基施工流程的了解并不全面，學生的動手實踐能力得不到實際鍛煉，影響實習的效果[3]。

2.4 實習創新性不足

樁基工程實踐教學貼近工程生產一線，其目的是提高學生的實踐技能，夯實理論基礎，鍛煉思考與創新能力。但在目前的實踐教學中，學生主要根據教材或規范內容對照性地學習，并沒有充分的空間思考為何要這樣做或者有什么好的施工工藝改進方法，對學生的創新性思維起不到良好的鍛煉效果。

3 樁基虛擬施工實踐教學理念

針對樁基現場實踐環節存在的薄弱環節，提出了一種樁基虛擬仿真施工輔助實踐教學(實訓)方法，可以讓學生真實體驗樁基施工的全過程。該方法基于北京睿格致科技公司的知識云庫，利用BIM信息化技術編寫樁基施工在線實訓模塊，能使學生在3D游戲化的交互體驗中獲取樁基施工的全流程知識點，如圖1所示。實訓時以樁基施工進度為任務主線，實訓流程環環相扣，實訓過程由淺入深，實現真實施工現場不具備和難以完成的教學功能，可以避免現場實踐教學的各種弊端。

圖1 鉆孔灌注樁虛擬施工實訓流程

實訓過程圍繞樁基施工流程考核→工種選擇→材料、機械選擇，逐步引導完成每個工藝流程，期間對知識點涉及的主要施工方法、施工要點進行講解，最后系統根據每一環節完成的準確程度、時間等，精細而實時化地評測實訓成績。實訓環節能夠使學生有效掌握樁基施工方法、施工工藝流程以及保證施工質量所采取的施工措施等，達到現場實訓相同的效果。

4 樁基虛擬施工實踐教學環節的實施

4.1 實踐教學過程

在教學環節的具體實施方式上，可以遵循教與學的主線，利用樁基虛擬施工云平臺分別從教師端和學生端設置工作任務，如圖2所示。

圖2 樁基虛擬施工實訓環節的實施

教師端工作需要依次完成備課、講課、評測三項任務，備課是其中主要的環節，包括班級建立、實訓知識點設計、預習任務書下發等內容；講課內容也可以在實訓知識點的設計環節準備好，考慮到在線學習的便利性，可以將一些施工要點配以圖片、語音或動畫分步驟列出，便于學生提前預習；評測環節需要教師發布評測任務書，規定好考核時間限制、是否可以查看結果等，具體的評分則由系統實時反饋，教師可以隨時了解每位學生在各環節的得分情況，針對性地開展輔導工作。

學生端依次由學、練、考三個學習環節構成，并與教師端的備課、講課、評測環節對應。首先學生根據預習任務書要求，在指定時間上線領取實訓任務，利用網頁內容了解樁基整體施工流程，根據提供的動畫、視頻等熟悉各施工環節所需要用到的工種、材料、機械資源。在此基礎上可以進入實訓練習環節，該環節按照實際施工流程，需要學生自主動手完成各操作步驟，一些施工要點也會以選擇題的形式進行考察，如前述圖1所示。最后，學生在充分練習的基礎上進入考核環節，考核環節與練習環節施工步驟相同，但每一施工步驟不允許修改，只有一次操作機會，系統最終根據完成的時間、質量實時給出定量考核分數。

采用上述實訓流程，可以在班級中按計劃定時開展樁基施工實踐教學，理論與實訓結合，能較有效地發揮虛擬施工實訓教學的優點。此外，游戲化的實訓環境體驗還能激發學習興趣，更好地促進學生對專業知識的理解。

4.2 樁基虛擬施工系統云庫建設

樁基虛擬施工實訓教學過程均建立在系統云庫上，該云庫建設是整個實訓環節的核心。教師一方面可以在平時的備課過程中不斷更新、完善該數據庫；另一方面對于一些新型樁基或云系統中欠缺的內容，則需要另外開發相應的實訓模塊。

目前，包括樁基施工在內的土建類虛擬施工實訓模塊建設的難點均在于3D施工動畫的制作，很多高校這部分工作都交給專業的動畫制作公司，實施過程要不斷反饋修改，而且費用較高。當前采用一些大型的BIM施工動畫制作軟件，如3DMAX[4]、MAYA[5]、Revit[6]等應用起來不夠方便，或缺少足夠的施工素材。在此，筆者建議可以嘗試采用BIM-FILM施工動畫制作工具，該軟件內置了多種建筑信息化模型和施工素材，較大程度上減輕了施工動畫制作難度，可以滿足各類樁基虛擬施工實訓模塊的制作要求，同時還可以為教師提供3D課件制作資源， 滿足個性化的教學需求。

4.3 學生實踐與創新能力的培養

在實訓過程中，除了樁基施工過程所需要掌握的知識點外，還可以通過集中培訓培養學生施工動畫的制作水平，使其在今后工作中具備現場專項施工方案的編寫能力、現場施工指導能力、現場施工質量檢查與驗收能力，最終體現了對學生實踐動手能力的培養。

在編制施工動畫模塊的過程中，學生一方面先要弄懂施工流程，相當于提前預習實訓內容，有利于掌握實踐課程知識點；另一方面，在自己制作動畫的過程中，會不斷對現有施工工藝流程進行思考，對不合理或可以完善的地方提出自己的建議，有利于自身創新能力的培養。

因此，樁基施工動畫的制作實際上對學生提出了更高的實訓要求，不僅對實踐課程知識點要求掌握得更全面細致，對學生的動手能力、創新意識的鍛煉均有較好效果。

4.4 與在線課程的契合

當前諸多高校對在線課程的建設均提出了更高的要求，樁基工程本身也是理論與實踐相互并重的專業課程。采用虛擬施工實踐教學的手段可以進一步促進課程在線建設的水平，避免了傳統在線課程只重視理論環節建設的缺點，使得在線課程的內容體系更豐富和全面。

5 結語

樁基虛擬施工是樁基工程課程實踐教學的有效手段，也是今后在線課程建設的重點。該方法利用虛擬仿真技術以施工進度為實訓主線，三維模擬施工工藝全過程。學生通過三維交互游戲式體驗，在施工場景中虛擬實際工藝，達到課程實訓教學的目標。在實訓環節中，借助BIM-FILM施工動畫制作工具的應用，不僅可以完善樁基虛擬施工系統云庫中的教學資源，還可以對學生的動手及創新能力起到鍛煉作用。