基于VR技術的機場航站樓虛擬仿真教學探索

齊 麟，喬 龍，梅鳳清，梁梓博

(中國民航大學，天津 300300)

1 概述

未來高等教育重點是培養技能過硬、實踐實用、綜合全能的新時代人才，需要不斷改進高校教育，適應于未來的發展趨勢。而工科的人才更應注重理論與實踐結合，培養復合型人才[1-3]。近年來，隨著計算機技術的高速發展智慧教育融入高校教育，基于VR技術的各種教學仿真實驗已經成為推動高校教學的強大“推手”。特別是在一些特殊的高校，借助于虛擬教學實驗，便于拓展學生思維，助力行業發展。

現在各大高校課程多種多樣，特別是規劃設計類的課程，實踐應用性強而且密切聯系生產實際，理論教學學生只能夠利用所學的機場規劃與設計、材料力學、結構力學等理論知識解釋實際工程設計過程中的結構失穩和破壞現象，但是在真正的工程實踐中，情況錯綜復雜，單純的理論是遠遠不夠的，只有“理論+實踐”才能更好地解決問題，線上虛擬仿真實驗成為最好的實踐平臺。

2 建設背景

為了滿足機場航站區建筑設計能夠達到教學和能力培養要求，將數字技術與學習教育結合，強化學生基礎理論知識的理解，促進對應教學的發展與提升。利用虛擬現實技術豐富建筑類課程教學提升實踐能力，實現以學生為中心，從而使教學過程以“教師傳授知識”轉變為“學生主動學習知識”的過程[4-5]。通過虛擬實驗驅動教學，打破從前“先教后學”的模式，激勵學生自主學習創新，實現課堂的部分翻轉，最后可以通過航站樓虛擬仿真教學實驗進行檢測、收集相關反饋意見，符合“新工科”教學改革長遠發展的需要，對學校其他設計課程有示范作用。同時虛擬仿真教學，保證學生與機器虛擬物自然交互，能夠將設計施工過程在虛擬世界中真實化，獲得真實的感受。

機場航站樓的規劃與設計是一門理論和實踐密不可分的課程，既強調理論知識的復雜性、全面性，又強調培養創造能力、分析能力和解決問題的實踐能力。如果配套相關的虛擬仿真實驗課程，不僅可以鍛煉學生的實踐操作能力以及融會理論知識的能力，而且可以極大提高學生對課程的興趣，更益于學生的深度學習。然而，目前的學習形式單一，對于一些抽象問題很難真正理解。本文借助Unity 3D開發平臺構建機場航站樓仿真設計實驗，把理論課程知識和實踐設計相結合，打破了時間、空間以及“生硬”教學限制，讓更多的學生能夠培養實踐能力，同時提升學生在課堂上的創造活力，優化了相關課程的教學體系。

3 航站樓虛擬仿真

航站樓是機場與外界聯絡的重要場所，是旅客乘坐飛機的必要場所，在機場中具有非常關鍵的作用。通過虛擬仿真實驗了解航站樓的建設過程，有利于學生理論知識與實踐結合，有利于老師上課清晰的傳授知識，有利于畢業生快速的融入未來工作。

3.1 教學方法

通過老師課堂理論知識講解，借助虛擬現實技術把實踐操作與實驗技能相結合。通過創新的虛擬仿真實驗教學，培養學生利用技術手段與所學課程理論基礎知識進行開放式設計，訓練學生的實踐創造能力和分析處理復雜問題的能力。

通過教學實驗仿真平臺，學生可以自主在仿真實驗中布置機場航站樓的功能；可以選擇特定的建筑形式與基礎，并以此一步一步進行航站樓的布局和結構設計。當然借助平臺的輔助，學生可以輕易規劃出符合規范的設計方案。基于Unity 3D平臺的三維渲染，學生可以即時得到設計方案的效果反饋。虛擬仿真實驗教學是與課程內容相輔相成的。一方面，虛擬仿真平臺的內容設置與核心課程能夠較好形成銜接，易于學生理解且形成考察的知識要點；另一方面，虛擬仿真平臺交互界面及其交互方式需要進行精心的設計，為學生提供良好的教學沉浸式體驗，學生才既能夠按課程規定內容進行學習，又能夠在虛擬學習中充分自由發揮，進行設計創作。基于虛擬仿真平臺的預設參數，在各個設計步驟提供多種選項，使學生充分理解課程知識點。通過設置不同的內容和功能模塊，提高學生自主學習熱情，滿足不同層次學生的實踐創新能力。按不同學生層次開設不同深度的設計項目，如布置鋼筋混凝土單向板肋梁樓蓋和雙向板肋梁樓蓋兩種設計方案，供學生選擇設計。增加建筑結構識圖教學環節，完成航站樓建筑結構平法表示的識圖仿真教學。

充分考慮教師的教學經驗和學生的認知與知識水平，制定合理有效的仿真實驗。在機場航站樓虛擬仿真實驗教學過程中，保證組織合理，教育教學資源調配合理。教師對機房、電腦、投影、軟件、打印機等必要的教學資源進行安排與分配，當好調節者。利用自身豐富的專業知識與教學經驗及時給予學生必要的技術指導，在學生遇到困難時提供必要的支持與幫助。

教學通過航站樓仿真實驗，探索師生互動、教學、測評一體化的教學互動模式。通過在平臺內置的評估系統功能，對學生的設計方案在建筑設計、結構選型、結構設計、規范掌握、施工圖設計等方面進行評估，通過反饋評估其綜合設計能力。借助仿真平臺構建規范設計預評估表單，可支持多人評價及后期的多因子變量分析及數據化分析，力求實現項目設計評價的規范化。

3.2 航站樓仿真教學實驗

航站樓的設計與施工過程都需要嚴密的邏輯步驟，但機場航站樓設計與施工邏輯又是截然不同的。接下來將介紹機場航站樓的設計步驟：

1)航站樓整體規劃設計說明。以典型航站樓為例，該機場位于內陸城市郊區，地基存在軟土層，航站樓構型為“C”型，由主樓和直段指廊兩部分組成。航站樓分為上下兩層：到港層和離港層。航站樓到港層(1層)包括貴賓候機區、遠機位候機區、迎客區、行李提取區與辦公區；離港層(2層)包括普通候機區、辦票區、安檢區與出發等待區。機場航站樓是通過組合結構形式建立，內部為2層混凝土框架結構，局部有夾層，外部為大跨度空間結構，屋蓋選用鋼網架結構。網架部分設置兩道伸縮縫，與下部混凝土結構伸縮縫的位置基本對應。同時，明確航站樓建設地區地理環境條件、抗震相關參數、荷載參數以及使用規范。

2)布置航站樓地基軸網。軸網的繪制主要便于后期航站樓構型的確定和柱子的放置，同時軸網的布置便于對機場航站樓的內部分區，對航站樓整體構型規劃和內部結構的規劃。應該注意的是，在規劃時建筑中的軸網軸線間距有一定要求，即軸線間隔一般為300 mm的整數倍。

3)布置航站樓柱子。機場航站樓屬于大跨度結構，柱子的布置比較嚴格，基于航站樓的特殊結構，與一般房屋建筑不同。航站樓一般采用“樓套樓”的建筑布局，即航站樓內部結構是混凝土結構，外部再“套上一層鋼結構”屋蓋。所以，航站樓各個部分柱子材料、尺寸以及截面構型都會有所差異。當然總體來說，與生活中其他建筑物相同，航站樓內部的混凝土部分柱子沒有工字型、槽型的，使用結構功能穩定的圓截面柱或者矩形截面柱。

4)布置航站樓內部混凝土結構橫梁部分。與常見建筑物的設計一致，混凝土部分梁搭建在柱子上，只有在完成柱子的布置后，才能進行梁的布置。一般地，梁在建筑中必須滿足梁跨比(即梁的高度與跨度的比值)要求，但是對于機場航站樓結構的特殊性，現在大部分航站樓采用新型的井字梁代替傳統的單梁，以實現機場航站樓內部“大跨度”。

5)布置航站樓內部混凝土結構樓板部分。樓板結構主要用于分散荷載、傳遞荷載，其結構性能很大程度上決定建筑結構的整體性能。但是，我們不能完全“強樓板弱其他”，樓板厚度與跨度必須滿足一定要求，才能保證建筑整體效益最優。

6)航站樓內部混凝土結構部分特殊結構處理。特殊結構包括樓梯口、電梯口以及墻洞等。對于結構進行開洞對整個結構的影響很大，容易出現應力集中現象。另外對于設計而言，我們只是需要知道結構的最終受力情況以及其他性能，所以在檢驗樓梯對于整個建筑結構的影響時，只需要通過荷載形式即可，并不需要實物。

7)布置航站樓屋蓋。航站樓屋蓋結構為了保證跨度的要求可以采用網架、網殼、桁架、張弦梁、張拉膜以及其他新穎的大跨度結構。各種結構性能差異較大，網架、網殼以及桁架結構性能較穩定，但由于全國各地域差異，為展現“人文智慧”采用各種新穎的屋蓋結構。

8)設置航站樓屋面板、玻璃幕墻。屋面板和玻璃幕墻的設置使得航站樓設計更加完善，更符合真實情況，避免設計過程中出現的偶然與不足。

9)施加荷載。主要考慮航站樓中的靜荷載與動荷載。其中靜荷載主要包括樓板、樓梯、屋面以及玻璃幕墻自重荷載。動荷載主要是風荷載、地震荷載以及雪壓荷載等。

10)布置航站樓地基基礎。機場航站樓的設計與施工步驟主要差異在于對地基的處理，施工過程肯定是以地基處理開始，然后一步一步完成航站樓的施工。然而航站樓的設計是對上部的設計完成后，最后對航站樓的地基基礎進行驗算，進而完成航站樓的設計。不容置疑航站樓地基基礎的設置是最為關鍵的一步，只有地基基礎承載力滿足要求，整個設計才是安全合理的。

根據航站樓的設計步驟，通過VR技術，基于Unity 3D平臺開發機場航站樓設計仿真實驗，在完成機場航站樓虛擬仿真設計實驗的UI設計，航站樓模型的制作與開發，航站樓的程序腳本搭建、功能開發及交互邏輯優化后，最終完成機場航站樓設計仿真實驗的開發。下面將簡單介紹實驗過程。

首先，點擊進入航站樓設計仿真實驗模塊，熟悉相關基礎操作就可以開始動手實踐航站樓設計建造過程，界面如圖1所示。

仿真實驗主要是通過一步一步的實踐操作，通過動畫形式將理論知識形式化，讓枯燥無味的課堂變得生動有趣。在進入具體機場航站樓實踐設計操作界面后，學生需要根據航站樓的設計邏輯，一步步的完成航站樓設計。主要包括了解設計概況，布置軸網(確定航站樓構型)，布置柱子、梁、樓板以及特殊結構，設置屋蓋結構，布置屋面板、玻璃幕墻，完成航站樓地基基礎設計等，界面如圖2～圖4所示。

值得一提的是，為了增加機場航站樓虛擬仿真設計實驗的樂趣，在設計仿真實驗過程中增加一些理論考核題目，一步步引導學生完成機場航站樓的設計操作，進而可以將課堂上的理論知識融入實驗中。界面如圖5所示。

最終通過老師在課堂上的理論知識講授，對學生知識體系框架進行構建。之后通過進入實驗室虛擬仿真的實踐操作，完成線上線下課程的搭配學習，實現“理論+實踐”的結合，節約教育成本的同時，加深了課程的深度與趣味。同時線上機場航站樓虛擬仿真實驗具有重要的實踐教改意義：

1)新的教學組織形式。將“創新、實踐、分享”的理念與課程教學相結合，基于項目任務進行教學組織，通過教學仿真實踐培養學生的創新思維，使學生在掌握實際操作能力的同時培養創新意識、創造能力和創新思維，實現“在創造中學習”。

2)體驗式虛擬仿真教學。教學過程中做到線上線下虛實結合、以學生為主體。基于機場航站樓設計仿真實驗平臺，利用仿真模擬軟件、建筑結構和構造模型、施工工藝和動畫模擬，加強對學生創新思維能力和動手實踐能力的鍛煉與培養。

3)準確的教師定位。教師是教學的第一實踐者，承擔為學生提供必要指導的責任。在項目組學生分工合作的過程中發揮引導與鼓勵作用，形成良好的合作氛圍，當好指導者。

4)新的評價方法。通過仿真實驗平臺教師的評價與反饋，可以評測學生對課程內容及設計要點的理解，同時促進了課程教學的全面性、客觀性和準確性。

然而，在此實驗教學中仍有許多不足，包括實驗教學時間有限、設備資源有限等。后期可以通過增加對仿真實驗教學資源的加大投入，以保證問題的緩解，同時為解決時間限制問題，學校可以加大對仿真實驗室的開放程度，打破時間界限。

4 結語

通過運用Unity 3D等設計開發工具，機場航站樓虛擬仿真設計實驗可以實現在機器與人思維的交互碰撞，完成設計。學生可以在仿真實驗環境中反復進行設計，鞏固課程理論知識，提高學生自主學習的能力，同時仿真實驗操作簡單，學生能夠輕松上手。通過機場航站樓設計仿真實驗的成功示范，學校內其他設計專業課程也可以逐步實踐，進一步促進工科專業線上線下混合教育改革的深入實施。