建筑基礎施工虛擬仿真實訓系統的研究

王文震

摘要：建筑基礎施工是建筑工程專業學生要掌握的核心知識，在學生職業能力的養成中具有重要的意義。傳統的現場學習方法受時間和費用等多方面因素的影響，難以滿足實際學習的需要。開發一套相關的虛擬仿真實訓系統能夠模擬施工現場的實際情況，使學生能夠感受到類似實際操作的體驗，使得教學更加直觀化，提高學習的興趣并加深對相關知識的掌握。

關鍵詞：建筑基礎施工；虛擬仿真；實訓系統

一、前言

虛擬仿真是進入20世紀80年代后發展起來的一種新技術，它通過軟件編程形成三維數字的圖形化模型，生成一種人造的虛擬環境。它涉及到人工智能、傳感技術、人機交互和計算機圖形學等學科。虛擬仿真技術在教育教學方面的應用，不僅可以更直觀的呈現所學的知識，調動學生的積極性，還能夠改變傳統的教學模式，提高了學生的實踐能力。

建筑基礎施工是土建類相關專業的核心教學內容，具有實踐性很強的特點，特別是其中的主體工程即鋼筋混凝土工程的施工，對于施工現場的一線人員來說，掌握其工藝和方法，也是應具有的基本素質。目前建筑基礎施工教學存在的主要問題有：

第一、實踐教學環節難以滿足實際教學需要：由于建筑專業的特點，教學計劃難以和企業的實際生產時間相對應；基礎設施施工的周期長，工程量大，短時間的實訓不能真實的全面了解其施工過程。

第二、第二學生難以實際動手操作，學習效果不佳：在校外建筑工地的實習，由于時間和費用的限制，以及施工單位出于人身安全等方面的考慮，學生往往不能實際動手完成施工操作，難以達到預期的學習效果。

第三、學習成績的評定不夠合理：基礎設施施工內容的學習一般是通過校外實踐，學習成績一般是根據學生的考勤情況和見習單位出具的相關報告和總結材料等進行打分，具有較大的主觀性，不利于學生學習積極性的發揮。

建筑基礎施工仿真教學軟件的開發，能夠利用當前的先進的虛擬仿真技術，將三維可視化技術應用于教學中，使得學生在學習過程中能夠先仿真后實訓，可以全面的了解建筑基礎施工的全過程。通過本虛擬仿真軟件的建設，可以結合工程施工現場的實際，把實踐和理論進行結合，把真實的工作環境利用軟件進行模擬開發，使學生能夠真正體驗到施工現場的技術和技能，從而減少學生對現場的不熟悉感，使得教學更加直觀化。

二、國內外研究概況和發展趨勢

國內外對虛擬仿真技術在建筑方面的應用主要體現在以下兩方面：

第一、建筑施工仿真理論方面的研究

1991年美國學者提出了虛擬企業的定義，清華大學、同濟大學等在此方面有學者進行了大師的研究，到1997年，國內對虛擬企業的研究得到了各方面的關注，目前相關理論框架已形成，虛擬企業也開始了從制造行業到其他行業的擴展。在虛擬建設方面，從1996年美國發明者協會首次提出概念，到2000年TFV（Transformation-Flow-Value）理論的出現，論證了虛擬企業理論在建筑行業應用的可能性。國內研究人員對虛擬建設研究多在組織管理層面，較少研究具體技術的實現。

第二、建筑施工仿真方法的研究

建筑施工仿真技術是虛擬建設中的具體應用，主要通過虛擬仿真和虛擬現實技術來實現。虛擬仿真技術一般是通過建立模型來描述整個系統，再通過一些重復試驗得到一些有規律的數據。國內研究者高興夫研究了超高層建筑施工的動態仿真、張正峰則應用可視化仿真中的圖形技術，對復雜群建筑施工過程進行了研究。虛擬現實則是在虛擬建設中將枯燥的數據轉化為直觀的圖像，方便進行操作和對比分析，能夠研究數據中深層次的內容。趙凌軍對建筑物的辨識和幾何尺寸的提取進行了研究、王辰輝仿真了液壓挖掘機的工作場景，鐘登華等人對水電工程的可視化仿真進行了分析，其研究成果得到了成功的應用。虛擬現實技術在建筑施工中的應用較多，其發展方向目前主要是事件驅動的沉浸和時間驅動的沉浸。

三、建筑基礎施工實訓教學的現狀研究和分析

《建筑工程施工技術》是土建類相關專業的核心課程，其中主體工程即鋼筋混凝土工程的施工就顯得更加重要，對于該部分工程的施工，對于施工現場的一線人員來說，掌握其工藝和方法，是應具有的基本素質，特別是對于培養的施工員來說，就更加重要。在學生的培養中其教學時數和學分、教學設備和實訓場所以及從教教師數均居各課程之首，該課程也是其他土建類專業的專業必修課，在學生職業能力的形成中起著決定性意義，在建筑行業對人才技能的要求越來越高的今天，其地位和作用日益凸顯，因此如何讓學生更準確的掌握建筑基礎方面的技能就尤為重要。

四、建筑基礎施工虛擬仿真實訓系統構建與開發

系統采用Unity3D與3ds Max作為開發平臺，實現系統邏輯功能與3D模型的設計制作；使用SQL Server 2008實現對身份信息、實訓進度信息的存儲；具體的虛擬實訓系統通過以上的技術支持，可在PC、移動設備以及Web上運行。

設計框架采用經典的MVC設計模式，將整個系統開發劃分為三大模塊：模型組件、視圖組件和控制器組件。模型組件是視圖組件和控制器組件之間的通信橋梁，控制器發出的具體操作信息會被傳送到模型組件中，模型組件經過一系列的邏輯計算，將計算出的一系列相關信息發送到視圖組件，由視圖組件接收信息并最終展示給用戶。在本系統中，模型組件由C#功能腳本實現，視圖組件由UGUI界面開發技術和3ds Max共同完成，控制器組件則由鼠標、鍵盤等硬件設備負責。MVC設計模式合理劃分了軟件開發過程，遵守軟件開發“低耦合、高內聚”的原則，研發者只需依照系統總體設計約定好的接口方式，即可并行開發不同的系統組件，有效地提高了系統開發效率。

建筑基礎施工虛擬仿真實訓系統由6個模塊組成，具體如下：

（1）身份認證模塊

其主要功能有：判斷登錄用戶的身份，調出對應的學習模塊進度，及學習得分。

（2）公共模塊

其主要功能有：工程圖紙、技術規范、知識學習、視頻庫、測試題庫、工具箱。

（3）土方開挖工程模塊

其主要功能有：場地要求、場地清理、放線定位、機械挖土、修邊及驗槽。

（4）鋼筋工程模塊

其主要功能有：彈鋼筋線、放置鋼筋、綁扎鋼筋、放置墊塊、放置豎筋、鋼筋焊接、箍筋綁扎。

（5）模板工程模塊

其主要功能有：工程施工前的準備工作、模板安裝、質檢驗收、模板拆除、工程驗收。

（6）混凝土工程模塊

其主要功能有：混凝土制備、混凝土運輸、澆筑與搗實、混凝土養護、工程驗收。

總之，建筑基礎施工虛擬仿真實訓系統構建了高職建筑類專業理論學習與生產實際相結合的教學平臺，彌補了教學手段、實訓條件及時間、空間上的限制，在課堂上實現了教學項目與施工項目、教學過程與施工過程、在校學習與實際工作一致性。但這種仿真教學系統也存在著易引發學生現場安全生產意識差和無法做到現場實操等不足等問題，應引起重視。要通過合理設計各教學環節，把虛擬仿真實訓與理論教學和生產實際有機結合，才能提高教學效率，拓寬實踐教學渠道，為高職院校提升辦學能力和發展起到了積極助推作用。

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