面向智能建造的虛擬仿真教學改革*
——以《土木工程施工》為例

孫 寧（商丘師范學院建筑工程學院，河南 商丘 476000）

隨著新一輪產業技術革命持續深入，在數字技術不斷更新和行業技術高度融合的背景下，建筑行業面臨著巨大的競爭和轉型壓力，迫切需要從傳統建造向智能建造轉型，為實現建筑行業的智能制造，開展以面向建筑數字化、工業化的“新工科”土木工程教育勢在必行，本文以《土木工程施工》教學為例，充分利用虛擬仿真技術，優化課程內容，重塑教學環節，提高學生學習的自主性和主動性，改善土木工程人才的培養質量。

1 新形勢下人才培養的新要求

《土木工程施工》作為土木工程專業主干核心課程，包括施工技術和施工組織管理兩部分內容，傳統課堂講授的教學方法和“蜻蜓點水”式實習、實訓模式，已經不能滿足“新工科+智能建造”要求，為應對新興產業的發展，實現施工技術和工藝的創新，從而提升工程質量，教學內容必須引入云計算、大數據、人工智能等智能建造技術，體現智能時代建筑業隨著新時代的不斷變革。

新的經濟形勢下，隨著人口紅利逐漸消失，用工成本不斷增加，各行各業將在“新常態”下，不斷適應市場的發展和需求的變化，進一步加快工業化、信息化轉型，加深對數字化、智能化技術的運用，推進“機器換人”，推動技術紅利替代人口紅利，實現減員、增效、提質。建筑行業也迫切需要從手工+機械的半自動生產方式朝著智能制造方向升級，融入互聯網、物聯網、VR等數字技術，實現施工技術和工藝的改進與創新，由傳統建造進入智能建造，由原有的粗放發展模式轉變為信息化和智能化的高質量發展模式。企業要解決以上問題，急需“新工科+智能建造”的工程師加入土木工程建設隊伍，根據用人單位反饋的信息來看，新畢業的學生往往不能馬上適應智能建造的要求，需要進行長時間的培養，從而增加企業成本，造成人才培養與市場不協調。而要培養適應企業生產需求的畢業生，就必須對土木工程施工類課程教學進行改革，需要通過大量的工程實踐對其進行實習、實訓。但在教學實踐中受到實習實訓設備復雜、操作難度大、費用高等不可逾越的問題影響，不利于組織學生進行多次、大規模數實習、實訓，造成學生接觸工程實際項目的機會很少，不利用于學生對課程知識的理解、吸收和應用。學生在學習過程中無法了解和體驗各施工工藝及工程施工組織的全過程，導致教學和學習的破網斷鏈，教學效果不佳。因此，有必要對土木工程施工傳統授課方式和實踐教學環節進行改革，強調建立以智能建造為基礎的實踐能力培養。

土木工程施工實習、實訓的安全問題十分突出。由于施工現場工序繁雜、人員密集，而學生又缺乏施工安全知識和對危險源的判斷能力，這使得很多施工單位擔心實習學生的安全，在安排學生實習時存在畏難情緒，不愿意接收到學生到施工現場實習，學生很難得到身臨其境的實習、實訓機會。在有限的實習、實訓時間內，學生無法了解具體的施工環節，對完整的施工過程更是一知半解，很難將實習內容與理論教學內容融會貫通。再者現在學生大多數為00 后的獨生子女，怕臟怕累，在實訓中學生自我能動性不強，不愿意深入施工現場進行實習、實訓。利用VR全景、BIM技術、物聯網技術，以智能算法為載體，對施工現場人員、機械、材料、施工方法、施工環境等要素進行分析，揭示、總結數據中隱含的規律，進而實現對真實的施工現場進行仿真模擬，“再現”施工全過程，讓學生在虛擬場景中進行人機交互，理解施工建造技術和施工組織流程，這樣既可減少理論或實踐知識掌握不足造成的設備損壞和安全事故，又可增強對學生的施工操作技能的訓練。

考核評價難以反映真實情況。《土木工程施工》課程具有較強的實踐性，特別是隨著新材料、新技術、新工藝的不斷出現，僅憑一張試卷的成績無法真實反映學生對知識的掌握程度。過去土木工程教學普遍存在的現象是“重理論、輕實踐”，對實踐教學不夠重視，普遍存在的現象是“重參與、少評價”，由于學生人數較多，實習指導教師往往忽略實踐教學的過程評價，教師僅根據實習、實訓報告對實習、實訓結果進行分析和成績評價，無法判定學生在實踐教學過程中的學習情況是否真正完成的實習、實訓任務。學生因此也會因實習、實訓成績和評價，錯誤地估計自身的能力，從而錯誤地選擇學習方式，難以培養高素質工程技術人才。虛擬仿真實習、實訓教學可有效解決這一難題，做到實習、實訓的過程評價。

2 面向智能建造的虛擬仿真建設

2.1 課程知識體系優化整合

結合行業前沿、市場需求、智能建造的內涵以及工程實踐，梳理傳統土木工程施工與智能建造的相互關系，用虛擬仿真技術將理論教學與實踐教學有機結合起來。在智能建造背景下，在土木工程施工教學中融入虛擬仿真教學內容，教學理念由以說教式的二維講解轉變為真實、生動的三維動畫表達，將傳統的二維教學方式轉變為從三維動畫，借助虛擬數字模型，選擇科學合理、有效的施工方法和組織。

根據“新工科+智能建造”人才培養的新要求，結合施工企業對智能制造工程師的知識目標、能力目標和態度目標的要求，采用虛擬仿真技術，通過BIM技術和Untiy3D編程開發工具，具象地實現土木工程施工教學中的重點和難點。將土木工程施工分解成施工技術和組織管理兩部分，將施工技術構建成地下工程、主體結構、裝配式結構、裝飾裝修等虛擬仿真實訓項目。地下工程方面包括土方開挖、土方調配、基坑支護、土方機械化施工、施工降排水、土方填筑、錘擊沉樁、靜力沉樁、泥漿護壁成孔灌注樁、沉管灌注樁、地下連續墻的施工工藝及注意事項等；主體結構方面包含了鋼筋混凝土結構的梁柱模板設計、支設、拆除；鋼筋加工、安裝；混凝土制備、澆筑完整施工工藝，并且還包含了爬模、滑模、大體積混凝土澆筑的施工工藝；裝配式結構方面包含了預制疊合梁、板，預制剪力墻、預制樓梯生產中鋼筋綁扎、置模、混凝土澆筑、養護、運輸吊裝、灌漿等施工工藝；裝飾裝修包含水電安裝工程、室內防水工程、樓地面工程、隔斷工程、墻面工程、涂裱工程、吊頂工程、細部構造等施工工藝。在技術虛擬項目里，學生可通過VR眼鏡、鼠標既可在虛擬施工場景中查看完整的工程施工工藝，還可點擊工程細部構造詳細了解構造內容，也可以切換三維操作模式，對場景進行360°旋轉、放大縮小和拖動，查看任一個工藝工程的細節，同時配有專業的老師講解語音和文本，并將文本制作學生們喜聞樂見的二維碼，隨時隨地通過手機終端掃一掃進行學習，還可將施工危險系數較高且難以見到的工程施工工藝流程設計成游戲的形式，并設置成層層關卡，誘導學生深入學習施工工藝相關的施工規范和規程、標準圖集等學習資料，使學生掌握實訓項目中對應的全部知識內容，使學習不再枯燥。

施工組織管理部分主要以智能建造為主，不僅考慮專業的知識性，還要具有適當的趣味性和挑戰性，將傳統的課堂講授轉變為VR情景再現，將課堂無法語言表達的安全隱患和傷害引入虛擬現實中，通過高清畫面展示、最新語言技術交互，使教學過程更清晰，使得理論教學變得更加真實、形象。同時，對土木工程施工課程設計內容進行重構，除傳統的施工組織設計和結構吊裝課程設計外，增加BIM、物聯網、大數據、云計算、3D 打印等高新技術在建筑領域應用的選題，利用虛擬仿真技術模擬各種工況下施工場景，構建施工虛擬資源，增強學生的時空參與度，增強理論知識與工程實踐的融合度，同時有效解決土木工程施工實習、實訓場地和時間信息不對稱的現實問題。

2.2 虛擬仿真系統構建

順應智能建造背景，針對土木工程施工教學存在的主要問題，以培養高素質智能建造人才的工程素養和創新實踐能力為核心，采用資源共享、校企合作、產教融合等多渠道構建土木工程施工虛擬仿真系統，將智能建造以虛擬仿真形式融入日常課堂教學中，利用學校現有資源和云服務開發施工虛擬仿真系統，結合工程建設全過程，可設置建筑物各結構部分的施工組織節點，融入不同類型的數字仿真內容，結合BIM模型和VR技術的操作演示，使學生真實感受工程全生命周期過程。施工虛擬仿真系統不但可以播放微課及互動教學，還可用于學生實訓、練習，進行各種知識點的交互互動。學生可以無時限登陸學習，體會各工序的施工操作要領。同時，學生還可隨時向老師留言、提問，形成師生互動。

施工虛擬仿真系統依托云平臺提供的豐富素材，通過課程任務將BIM 教學和施工工藝動畫（Revit、Flash）融入各知識點，并配有語音詳細講解。教師利用施工現場照片、視頻等資源通過三維模型、5D微課的形式360°還原施工場景及操作細節；如在講授鋼筋工程內容時，讓學生用國產PKPM、YJK 等軟件建立鋼筋混凝土框架BIM 結構模型，繪制梁、板、柱及基礎結構施工圖，通過三維顯示、模型旋轉、視圖切換等方式講解和練習鋼筋識讀，并與《混凝土結構施工圖平面整體表示方法制圖規則和構造詳圖(現澆混凝土框架、剪力墻、梁、板)》(22G101系列)進行對照，這樣就直觀、清晰地想象到鋼筋的位置、形狀、尺寸、作用及構造要求。同樣，在講授土方工程和基礎工程內容時，讓學生通過基坑支護、樁基工程Flash動畫和VR技術直觀了解沉樁、接樁、送樁、截樁等隱蔽工程的施工全過程，讓平常施工實習難以見到的隱蔽內容完整地展現在同學們面前。利用虛擬仿真實訓，建立土方開挖的BIM模型，通過3D互動，模擬還原土方開挖施工場景，可完成整個施工工藝流程；并形成該基坑的平面、剖面圖及土方工程算量，使學生既可以對工程識圖部分進行回顧與總結，又可以為后期的施工工藝標準和質量要求提供基礎。

這種傳統土木工程深度融合信息技術與工程建造，利用聲音、圖像、動畫等多種媒體語言，構建集技術、功能、資源、運行、操作一體化的虛擬場景，與實際生產場景高度擬合。既體現了工程數據真實化、過程虛實一體化，又使純理論的課堂教學與枯燥的實習、實訓變得更加生動和形象；不僅有利于推動土木工程施工與高新專業學科的高度融合，還有利于提高學生的職業意識，提前融入企業的生產中，將來能夠更快、更好地適應企業的需求，切實解決學生實踐動手能力差，理論與工程實踐“兩張皮”的共性問題。

施工虛擬仿真系統的構建離不開企業的技術支持，在開發過程中，虛擬仿真實訓系統依托工程實際案例及實際施工場景，用真實工程數據，作為模型參數，保證系統的實用性、有效性。通過產學研模式，主動對接生產企業，將企業先進的技術和工藝流程引入課堂。目前，我校與當地20多家施工單位開展校企合作，并聘請30 多位一線工程技術人員擔任企業導師，教學過程中，按照企業需求制定內容，制定教學計劃，編寫實踐教學大綱，并持續改進。與企業導師共同實施教學。學生在課前通過圖片、視頻、實地參觀等形式進行課程的預習，課中結合相關的施工圖集、規范和規程等學習資料，利用虛擬仿真系統進行線上學習，在虛擬場景中感知、理解課程知識，熟練掌握施工技能。課程后期利用虛擬仿真系統，結合實際工程案例進行施工方案設計并進行匯報答辯。

2.3 教學效果展示

裝配式房屋結構安裝工程施工學習依據《裝配式混凝土結構技術規程》(JGJ1-2014)、《裝配式混凝土建筑技術標準》(GB/T51231-2016)、《混凝土結構通用規范》(GB55008-2021)、《混凝土結構施工質量驗收規范》(GB50204-2015)、《混凝土結構工程施工規范》(GB50666-2011)進行施工工藝設計。

裝配式建筑與BIM 技術是目前建筑行業的熱點，首先通過5D 微課學習裝配式結構施工工法和工藝標準，以及構件拆分、結構裝配方案；然后基于BIM技術，采用三維技術模擬仿真豎向構件吊裝、套筒灌漿、現澆節點支模、現澆節點鋼筋綁扎、疊合樓板吊裝、樓面模板安裝、樓面設備管線預埋、樓面鋼筋綁扎、現澆混凝土澆筑、混凝土養護、樓梯吊裝、外墻處理等20 多個操作工序，并通過人機交互技術，強化學習工藝中涉及的人、材、機等關鍵要素；最后，從施工技術交底、流程步驟、資源準備、作業條件、質量驗收標準、成品保護方面，全面學習混凝土結構裝配式結構施工工藝。

通過對2020 和2021 兩學年土木工程專業進行了數據對比，結果表明，應用施工虛擬仿真實訓系統2021學年教學目標達成度明顯高于2020 年(傳統的教學方法)，如圖1所示。

圖1 課程目標達成評價值

從圖中數據可知，知識目標、能力目標、素質目標比傳統教學的教學目標達成度分別提高了4.74%、17.28%、10.10%。在課堂中融入虛擬仿真技術，構建以學生為主體的教學模式，實現被動學習向主動學習的轉變，提高學習興趣。同時，虛擬技術還可打破時間、空間等教學邊界的限制，為學生提供更加靈活、方便的學習平臺，極大地提高學生的職業素養，實現學校與企業的無縫對接。

2.4 改革效果

隨著數字技術的快速發展，結合智能建造的要求和目標，課程教學中融入了大量虛擬仿真技術，學生對施工的理論知識有直觀、深刻的理解，又能增強學生的自主創新意識、動手操作能力、團隊協作能力，激發了學生的學習興趣和潛能，并且為日后的就業提供了熱身機會，使學生的綜合工程素質得以全面提升。

3 結語

智能建造利用數字技術，減少對人的依賴，達到安全建造的目的，體現了智能時代建筑業的發展新動向。利用虛擬仿真技術和信息化平臺，將智能建造融入土木工程施工教學中，既解決了土木工程施工中枯燥無味的課堂講授，又解決了危險性、可操作性的實習、實訓教學難題。同時，利用仿真技術再現施工工藝的教學模式，實現了專業教學理論與實踐的緊密結合。