數(shù)值模擬在“地下工程信息技術(shù)”課程中的探索與應(yīng)用

王恒

［摘 要］ 隨著城市地下空間工程信息化技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)在城市地下空間工程的設(shè)計、施工和運營維護等方面發(fā)揮了重要作用，如何將數(shù)值模擬技術(shù)引入城市地下空間工程專業(yè)本科教學，是解決信息化教學與工程實踐不匹配的關(guān)鍵。為了促進學生掌握地下空間建筑地基的變形和穩(wěn)定性的分析方法，提高學生解決實際地下工程問題的能力，提出通過調(diào)整課程教學，重視和加強工程案例教學，構(gòu)建地下空間建筑案例庫的思路，對城市地下空間專業(yè)信息化課程的教學過程進行優(yōu)化，使課程教學更加適合學科建設(shè)的發(fā)展。

［關(guān)鍵詞］ 數(shù)值模擬；地下空間工程；信息技術(shù)；教學改革

［基金項目］ 2021年度福建工程學院本科教研教改項目“基于三維建模技術(shù)的地下工程信息課程教學改革研究”（jg2021015）

［作者簡介］ 王 恒（1989—），男，福建福州人，博士，福建工程學院土木工程學院講師，主要從事巖土工程研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2024）07-0121-04［收稿日期］ 2022-12-30

一、研究背景

數(shù)字化建模技術(shù)是建設(shè)工程領(lǐng)域最為熱點的技術(shù)之一，2019年，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布了《關(guān)于完善質(zhì)量保障體系提升建筑工程品質(zhì)的指導意見》，其中明確強調(diào)：要推進建筑信息模型（BIM）、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)在設(shè)計、施工、運營維護全過程的集成應(yīng)用。加快推進國家規(guī)劃已明確的重大工程和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，城市地下空間的開發(fā)與利用將迎來高速發(fā)展時期。

地下空間工程是指在地面以下的巖體或土層中修建地下建（構(gòu)）筑物的工程，包括工業(yè)與民用工程和地下綜合體等，在解決土地緊張和交通擁堵等問題中發(fā)揮了重要作用［1-2］。然而，地下工程多屬隱蔽工程，目前存在項目缺乏科學系統(tǒng)的規(guī)劃，以及協(xié)同設(shè)計體系與技術(shù)規(guī)范不完善等問題。數(shù)字化建模具有體現(xiàn)工程全壽命階段設(shè)計的巨大優(yōu)勢，已經(jīng)在工民建和道路橋梁等工程建設(shè)中得到了成功應(yīng)用［3-4］。目前，地下空間工程專業(yè)的人才需求缺口較大，特別是能夠服務(wù)生產(chǎn)一線的應(yīng)用型、復合型、創(chuàng)新型人才。

以新工科建設(shè)為契機，培養(yǎng)理論基礎(chǔ)扎實、創(chuàng)新與實踐能力突出、適應(yīng)現(xiàn)代城市地下空間開發(fā)領(lǐng)域的高層次專業(yè)人才勢在必行。在“地下工程信息技術(shù)”課程中引入數(shù)字化建模技術(shù)，將傳統(tǒng)的土木工程與信息數(shù)字化技術(shù)融合，能夠讓學生在建模中更為直觀有效地了解實際施工流程，將所學專業(yè)課程知識應(yīng)用于計算結(jié)果分析，激發(fā)學生的學習興趣。

二、“地下工程信息技術(shù)”課程特點

“地下工程信息技術(shù)”課程是福建工程學院城市地下空間工程學生所必須掌握的一門專業(yè)選修課程，課程的主要目標是培養(yǎng)學生通過數(shù)值建模手段分析地下建筑物施工過程中變形和穩(wěn)定性的能力。目前，地下空間專業(yè)信息技術(shù)的教學方法仍以傳統(tǒng)的CAD技術(shù)教學為主，例如，對于城市建設(shè)常見的雙基坑開挖，或者隧道開挖臨近已有基坑的典型地下空間工程，傳統(tǒng)教學方法僅能在繪制CAD圖紙的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范計算單一建筑物的變形或者穩(wěn)定性，最終僅有抽象的二維平面模型，無法直觀地對臨近地下空間建筑物的施工過程進行精確的三維動態(tài)模擬，缺乏施工信息管理，這將給施工方案優(yōu)化和節(jié)約施工的成本帶來極大的不便。以筆者所在的城市地下空間專業(yè)為例，在以傳統(tǒng)的CAD技術(shù)作為輔助教學工具時，學生的學習興趣普遍不高，主要問題包括以下幾點。

（一）CAD教學圖紙與實際工程實踐脫節(jié)

在具體授課過程中，常以典型的城市地下空間工程（基坑、隧道等）作為分析案例，課程的學習中學生不僅需要具備扎實的專業(yè)基礎(chǔ)知識，還要對所分析的地下工程建筑物的三維立體形態(tài)有初步的認識，傳統(tǒng)的CAD技術(shù)只能繪制單一的簡化平面圖或者立面圖，無法提供生動、形象的三維立體模型。另外，作為一門實踐性很強的課程，傳統(tǒng)的CAD教學手段的教學重點仍停留在強調(diào)繪制建筑物圖紙細節(jié)的正確性和掌握理論繪圖技巧，強調(diào)根據(jù)圖紙和規(guī)范分析地下結(jié)構(gòu)的受力特性，忽略了地下空間工程的實踐性。

（二）課程教學參與度不高

作為本科生，工程實踐相對缺乏，學生對所要分析的地下建筑物的整體受力，以及所要關(guān)注的容易破壞的部位缺乏認識，容易出現(xiàn)抵觸情緒。在傳統(tǒng)的教學理念下，學生不愿意花大量時間查閱相關(guān)地下工程案例，每名學生儲備的知識水平存在差異，當遇到困難時，往往不是詢問教師如何解決，而是選擇模仿其他同學的圖紙，逐漸會有學生對課程不感興趣，久而久之陷入師生互動氛圍不佳的惡性循環(huán)。同時，傳統(tǒng)CAD繪圖相對枯燥漫長，除講授時間外，在短時間的課堂練習中，學生通常無法完成教師布置的工作量，只能在課余時間完成，導致學生經(jīng)常因為各種原因停留在上一節(jié)課的進度。這種情況不僅會使學生產(chǎn)生應(yīng)付課程的情緒，還會影響教師的新課授課進度。

（三）考核成果差異化

“地下工程信息技術(shù)”課程的考核包括課上的提問、作業(yè)以及最后的現(xiàn)場考試。由于CAD繪圖的嚴謹性，變動幾何尺寸參數(shù)后，可能會導致根據(jù)圖紙得到的計算結(jié)果不滿足規(guī)范要求的情況，每名學生的平時作業(yè)題目和最后考試題目相同。然而，由于少部分學生不自覺，往往會出現(xiàn)某個學生出現(xiàn)某個計算錯誤，少部分學生也出現(xiàn)一模一樣的計算結(jié)果，這就給教師對每名學生的公平公正評分帶來了極大的困難。另外，考試題目的類型一般是實際工程高度簡化后的模型，沒有與實際工程結(jié)合，過于強調(diào)理論知識，沒有達到課程考核學生分析實際案例能力的目的。

三、數(shù)值模擬在地下空間工程中的應(yīng)用

隨著信息技術(shù)在城市地下空間工程的迅猛發(fā)展，數(shù)值計算是對地下隱蔽建筑物進行變形和穩(wěn)定性分析的最有效方法［5-6］。傳統(tǒng)地下空間工程的技術(shù)規(guī)范常采用高度簡化的二維模型，對于地下建筑物空間效應(yīng)顯著的問題也往往簡化為平面模型。然而，地下形狀復雜的基坑、綜合管廊和地鐵隧道等為典型三維建筑物，大量的實測數(shù)據(jù)顯示采用平面模型簡化得到的與實際不符，可能會出現(xiàn)錯誤的破壞模式等問題。近年來，隨著我國城市大型地下工程項目的出現(xiàn)，施工事故也難免出現(xiàn)，造成了巨大的經(jīng)濟損失。對于地質(zhì)條件復雜和施工環(huán)境惡劣的地下空間工程項目，在設(shè)計和施工前的階段，如何進行沉降預(yù)測和穩(wěn)定性評價，優(yōu)化施工方案，保證施工的順利開展，成為城市地下空間工程必不可少的環(huán)節(jié)。因此，使用作為輔助計算工具，且能考慮復雜的地下水條件、建筑結(jié)構(gòu)與土相互作用的數(shù)值模擬技術(shù)非常必要。

目前，已有多種有限元程序擁有豐富的巖土本構(gòu)模型，以及能夠快速上手的操作界面，并且計算內(nèi)核穩(wěn)定高效。數(shù)值模擬軟件基本具備以下幾個特點：從計算類型看，能夠?qū)Φ叵驴臻g工程的變形和穩(wěn)定性進行分析，可對涉及孔隙壓力消散的工程進行固結(jié)計算分析，可對涉及地下水流動的問題進行流固耦合分析，對涉及穩(wěn)定性的問題進行極限平衡分析，能夠?qū)ι婕暗卣鸬膯栴}進行動力分析；從城市地下空間工程看，可對復雜形狀、多個或者坑中坑的基坑，加筋擋土墻和邊坡，并行隧道或交叉隧道，臨近地下工程施工對樁基的影響，以及水位驟降對水庫壩體的穩(wěn)定性影響等進行分析。同時，地下工程數(shù)值分析軟件通常具有友好的交互式圖形界面，包括地基土的參數(shù)輸入、施工荷載設(shè)定、不同施工步驟設(shè)定、邊界條件和結(jié)算結(jié)果輸出等。在建立復雜的地下空間建筑物的幾何模型后，還能夠自動高效地生成有限元網(wǎng)格，避免由于結(jié)構(gòu)尖角形成的網(wǎng)格奇異。根據(jù)不同的地下空間工程（隧道、基坑和綜合管廊等）的開挖施工特點，預(yù)先建立工程施工動態(tài)仿真數(shù)值模擬，包括施工過程的數(shù)值模擬和施工過程中的動態(tài)反演分析。通過數(shù)值模擬分析能夠讓設(shè)計和施工人員了解各類地下空間工程結(jié)構(gòu)的基本知識，直觀認識施工過程中地下空間工程結(jié)構(gòu)的受力特性和演變。

數(shù)值模擬已廣泛應(yīng)用于基坑工程的結(jié)構(gòu)受力分析。例如，筆者采用數(shù)值模擬的手段研究了深基坑開挖對臨近橋梁樁基變形的影響，探討了不同基坑開挖深度、基坑與樁基間距、橋樁和支護樁剛度等因素下的樁身彎矩和剪力的演變規(guī)律，使設(shè)計人員對樁基變形特征有初步認識。同時，以二維模型為基礎(chǔ)，對開挖過程中不同位置土體的應(yīng)力路徑變化規(guī)律開展分析，根據(jù)應(yīng)力路徑變化特征對設(shè)計中的土工設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化。采用有限元建立了基坑開挖的三維模型，探討了樁基變形的機理，同時對比了二維模型和三維模型計算結(jié)果的差異，提出了能夠?qū)⑷S模型等效為二維模型的判斷方法，對橋梁樁基提出了加固措施，最后與實測數(shù)據(jù)對比，驗證了采用數(shù)值模擬方法分析地下空間基坑開挖工程的有效性，為實際工程的設(shè)計和施工提供了大量分析數(shù)據(jù)。筆者所具備的數(shù)值模擬的能力為“地下工程信息技術(shù)”課程改革打下了堅實的基礎(chǔ)。

以上分析表明目前地下空間信息化理論教學與實際工程的信息化需求發(fā)展極度不匹配，這勢必將推進地下空間工程專業(yè)本科生培養(yǎng)中現(xiàn)代信息技術(shù)與教育教學的深度融合，計算機輔助設(shè)計教學必須快速實現(xiàn)新的轉(zhuǎn)變，從傳統(tǒng)的教學逐步轉(zhuǎn)入以數(shù)值模擬三維建模為依托的融入式教學。在地下空間工程的高等教育中，學生作為受教育的主體，必須掌握先進技術(shù)的使用技能，才能成為行業(yè)的先行者。“地下工程信息技術(shù)”作為城市地下空間專業(yè)的重要課程，需要融合數(shù)值建模技術(shù)，不能局限于傳統(tǒng)CAD技術(shù)的教學，要逐步融入針對數(shù)值模擬技術(shù)及其支撐理論的教學，優(yōu)化“地下工程信息技術(shù)”課程，強化教學內(nèi)容與體系改革。

四、地下空間信息化教學改革探索

數(shù)值模擬技術(shù)蘊含工程全壽命階段設(shè)計的理念，為課程設(shè)計改革提供了新思路，利用數(shù)值模擬的技術(shù)特點，筆者提出了“重視和加強工程案例教學，構(gòu)建地下空間應(yīng)用案例庫”的教學改革思路，以我院地下空間工程專業(yè)開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，以及大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃和全國性的重大學科競賽為載體，推動數(shù)值模擬在“地下工程信息技術(shù)”課程教學中的應(yīng)用，具體措施如下。

（一）建立與數(shù)值模擬技術(shù)一致的培養(yǎng)方案和教學任務(wù)

依據(jù)城市地下空間工程專業(yè)的特性及對數(shù)值模擬技術(shù)的需求，進行相關(guān)的人才培訓，并制定合適的教學任務(wù)。同時，邀請專家進行理論知識和實踐的強化訓練培訓，使教學人員更好地掌握數(shù)值模擬技術(shù)理論和操作技能。對現(xiàn)有的教學知識體系進行改良和擴充，在“地下工程信息技術(shù)”課程內(nèi)容設(shè)置上，學生需要將數(shù)值模擬技術(shù)和專業(yè)知識體系整合起來，把數(shù)值模擬軟件應(yīng)用到不同的工程案例分析中，促使學生更加全面深刻地掌握專業(yè)知識。

（二）加強工程實例教學

將理論和實踐緊密結(jié)合，構(gòu)建“地下工程信息技術(shù)”教學案例庫是信息化教學體系構(gòu)建的重點。注重收集國內(nèi)外基于三維建模技術(shù)的地下空間工程領(lǐng)域的重點工程應(yīng)用案例。在已有收集案例的基礎(chǔ)上，通過運用專業(yè)知識對案例進行深入分析，使學生熟悉數(shù)值模擬技術(shù)建模的技巧，提高分析、解決專業(yè)問題的能力，并激發(fā)他們的學習興趣，培養(yǎng)學生對數(shù)值模擬軟件的應(yīng)用能力。

（三）介紹數(shù)值模擬技術(shù)的前沿熱點

通過數(shù)值模擬技術(shù)的專題講座，多方位補充數(shù)值模擬技術(shù)在地下空間工程領(lǐng)域應(yīng)用的相關(guān)專業(yè)知識，選取數(shù)值模擬軟件應(yīng)用的熱點問題進行介紹，包括地下空間地質(zhì)三維建模的實現(xiàn)，建筑三維的可視化、構(gòu)件材料信息的數(shù)字化、模擬地下工程的施工過程，激發(fā)學生的求知欲，培養(yǎng)學生的應(yīng)用能力。在前述的工程實例分析和專題講座后，精心設(shè)計題目，適量安排小組討論，讓學生自己認識和運用工程結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬知識，并提出最優(yōu)方案。在此過程中，號召相關(guān)專業(yè)的教師對學生組建的小組競賽團隊做出相關(guān)的建議和指導。

（四）建設(shè)工程案例庫

提高學生查閱相關(guān)資料的積極性，鼓勵學生通過互聯(lián)網(wǎng)等途徑，參與收集國內(nèi)外經(jīng)典的基于數(shù)值模擬計算建模的地下空間工程應(yīng)用案例。在每一學年精心設(shè)計課程考試題目，提高學生面對復雜工程的建模能力，可以更好地鞏固教學效果，為將來從事實際工程設(shè)計打下堅實的基礎(chǔ)。同時，將考試成績優(yōu)秀學生建立的模型補充到案例庫。提倡相關(guān)專業(yè)教師也參與到構(gòu)建工程案例庫的工作中，在參與橫向課題和工程評審的工作中收集相關(guān)案例，進一步豐富和完善工程案例庫。

（五）優(yōu)化課程教學手段

在課堂教學中，在講授到關(guān)鍵知識點之前，先列舉出模擬實際工程案例的難點，讓學生進行討論，提出解決辦法。例如，采用哪種材質(zhì)模擬地下結(jié)構(gòu)、如何選取參數(shù)以及設(shè)定施工步驟等，讓學生運行程序分析計算結(jié)果，對計算結(jié)果的有效性進行討論，讓學生參與課程建模，提升對數(shù)值模擬建模技術(shù)的興趣。在教材推廣、課件完善和構(gòu)建案例庫的基礎(chǔ)上，合理規(guī)劃技術(shù)專題講座和安排基礎(chǔ)繪圖作業(yè)，對理論教學情況進行總結(jié)和反饋，分析現(xiàn)有案例采用的效果，分析存在問題的原因。根據(jù)存在的問題調(diào)整課程內(nèi)容，進一步補充新的應(yīng)用案例。在完成幾屆學生教學任務(wù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)學生的總體反映，結(jié)合教學工作的總結(jié)和反饋意見，篩選專題講座中學生感興趣的部分，優(yōu)化課程內(nèi)容，完善教學大綱。

結(jié)語

數(shù)值模擬建模技術(shù)具有精確化、可視化和信息化的特點，在城市地下空間工程信息化快速發(fā)展的浪潮下，數(shù)值模擬技術(shù)在地下空間工程建筑設(shè)計、工程施工和維護等領(lǐng)域的應(yīng)用愈發(fā)廣泛。將數(shù)值模擬技術(shù)融入城市地下空間工程專業(yè)的信息化教學，將課程體系與實際工程需求緊密結(jié)合，重視工程案例實踐教學，建立地下空間工程案例庫，提高學生分析和解決實際工程問題的能力，對促進地下空間工程專業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

參考文獻

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The Application of Numerical Simulation on the Course of Underground Engineering

Information Technology

WANG Heng

（School of Civil Engineering， Fujian University of Technology， Fuzhou， Fujian 350118， China）

Abstract： With the rapid development of information technology of urban underground space engineering， numerical simulation technology plays an important role in the design， construction， operation and maintenance of urban underground space engineering. How to introduce the numerical simulation into the undergraduate course of urban underground space engineering is the key problem to solve the mismatch between information teaching and engineering practice. In order to promote students to master the analysis method of deformation and stability of underground space building foundation， improve their ability to solve practical problems， this paper proposes to explore the education reform of the urban underground space professional information course by adjusting curriculum teaching， emphasizing and strengthening engineering case， and constructing the database of underground space building， and makes the course teaching more suitable for the development of subject construction.

Key words： numerical simulation; underground engineering; information technology; teaching reform