裝配式鋼結構在虛擬仿真技術應用過程中的實踐與探索

康超

摘要：文章在闡述裝配式鋼結構與傳統鋼結構區別的基礎上，分析裝配式鋼結構的教學現狀，以及虛擬仿真技術在裝配式鋼結構教學中的內容，并探討裝配式鋼結構在虛擬仿真技術應用過程中的具體實踐。

關鍵詞：裝配式鋼結構；虛擬仿真技術；建筑行業

隨著建筑行業的迅速發展，建設項目的建造為周邊環境帶來了一定的負擔，所以建設項目的可持續發展成為當前建筑業的研究熱點。在建設項目建造過程中引入裝配式鋼結構，可以有效緩解資源的消耗和環境碳排放問題。

與常規的建筑形式相比，裝配式鋼結構的型鋼構件可以按照工程建設的要求，優化前期設計方案，通過精密的構件設計和連接節點的合理選擇，將構件運輸至工地，按照既定的工程計劃，拼裝并裝配構件。這樣一來，從設計到完工，工程建設可以充分利用設計、加工、施工、管理等方面的人力和物力，大大減少施工工人的勞動強度，達到節約工程造價的目的。

因為裝配式鋼結構建筑是預先設計、流程化制作的構件，所以能按照建筑的總體功能和客戶的個性化需求，從結構、維護、管線、暖通、防火、裝修等方面進行協調和整合，形成一個高質量的建筑結構系統。然而，在當前在裝配式鋼結構施工管理過程中，仍有許多亟待解決的問題，如構件數量大、種類多，施工場地的管理，施工過程的協調和組織等。同時，裝配式鋼結構施工還涉及一些特殊問題，不僅包括結構部件的組裝，還包括暖通、機電等方面的協調，是一項綜合性的系統工程。

一、裝配式鋼結構與傳統鋼結構的區別

裝配式鋼結構施工與傳統鋼結構施工存在根本不同，其技術關鍵在于是否通過裝配化程度高的方式，將工程的各個部件裝配到一起，從而構成鋼結構工程的整體。因此，兩者在多個方面具有明顯的差異。

（一）資源供應端不同

從原材料的購買和分配到加工成鋼構件，裝配式鋼結構工程打破了以往的材料管理方式，向標準工藝流程的工廠化生產轉變。因此，在生產過程中，如何選擇合適的材料，匹配合適的加工方法，保證鋼結構構件的高精度，控制建筑部品的質量，降低構件和材料在組裝過程中的耗損，成為裝配式鋼結構建造新技術需要注意的問題。

（二）施工組織模式不同

針對文明工地管理要求，裝配式鋼結構的建造需要采用新的施工組織方式進行施工管理，明確工作界面，制訂作業方案，合理安排作業流程。與此同時，針對裝配式鋼結構連接方式與其他結構有所區別的特性，研究鋼結構部品之間的連接方式成為裝配技術的關鍵。對裝配式鋼結構的其他技術性問題，如大型鋼構件或者部品的進場問題，構件裝配前的存儲問題，塔吊的運輸問題等，也是現場管理過程中需要調度的。

（三）質量控制、運營維護方式不同

由于建造過程的差異，裝配式鋼結構工程在質量控制和運營維護上明顯區別于常規的工程。裝配式鋼結構建筑雖然改變了現有的施工方式，能克服常規的施工方式所帶來的工期、安全、質量、施工和環境方面的問題，但是無法避免建筑在建造過程中出現的老化、防水、保溫、耐久等常規問題，這些問題仍需要持續關注。

二、裝配式鋼結構教學現狀

當前，裝配式鋼結構的講授仍然沿用了常規的教學方式，教師先利用多媒體講授專業知識，以理論結合圖像、錄像的方式，講解結構的裝配方式，施工過程和現場驗收情況等，然后由學生結合學習內容，理解裝配式建筑的相關知識點。這樣的教學模式可以將理論和實際相聯系，但是教學成效并不理想。

高校裝配式鋼結構相關課程缺乏以實用為主的培養模式的融入，造成高校的裝配式鋼結構課程理論教學內容豐富，但缺乏實務。這是因為在傳統的課堂教學中，教師對學生知識掌握情況的了解比較片面，缺乏個性化的指導。在師生答疑互動階段，學生對裝配式鋼結構專業問題的理解相對較少，導致缺乏參與活動的積極性，無法充分發揮學習主動性。此外，受場地、設備等客觀因素的制約，在講解裝配式鋼結構時，許多教師很難將其內部構造和連接方式通過描述講明白，缺少系統性的實訓操作。

而網絡技術與軟件技術相結合的虛擬仿真技術，以工程的全壽命為研究對象，能精確地控制裝配式鋼結構工程生命周期中的每一個階段，達到節約資源、降低成本、提高效率、綠色環保的目的。高校通過建立虛擬仿真平臺，能幫助學生歸類和集成各種復雜構件的參量建模與數據，并在項目規劃、設計、施工、運營等方面實現信息的交流和傳輸，打破傳統的設計、施工、管理的單一模式，有助于實現業主、設計方、施工方之間的數據互聯，提高施工效率，從而大大縮短項目的建設周期，節約建設費用。

三、裝配式鋼結構在虛擬仿真技術中的應用

與常規教學方式相比，裝配式鋼結構在虛擬仿真技術中的應用，解決了課上時間利用不足，教材落后于最新行業訊息，理論課時所占比例較大，實訓場地不足，實訓設備不先進，專業課實訓流于形式，安全監管難度大，缺乏創造性的訓練等問題。虛擬仿真技術可以讓學生借助游戲體驗的方式，在實踐中感受真實的工作，通過操作掌握專業知識，從而更好地理解和記憶知識點。與此同時，學生可以不受時間和空間的限制，自行閱覽資料，反復模擬練習。通過虛擬仿真技術，教師能為學生搭建一個互動的、獨立的學習環境，讓學生通過語音提示的方式完成作業，并借助數字化平臺完成實際操作，使學生可以實時獲得操作成績和作業效果的回饋，從而及時了解未掌握的知識點，并針對性地展開訓練。

（一）裝配式鋼結構構件工廠生產的仿真教學

目前，裝配式鋼結構構件種類繁多，包括預制柱、預制梁、預制樓板、預制墻、樓梯、陽臺等，還有各種形狀復雜、不規則的預制構件，而虛擬仿真技術可以模擬出構件的大小、形狀、尺寸，讓學生獲得感性的構件認知。此外。在裝配式鋼結構的構件制造方法的選擇上，有固定工位生產方式和流水線式生產方式，二者的生產特點不同，對場地大小和工人專業技術的要求也不同，教師可以利用虛擬仿真技術模擬零件的制造過程，力求還原現場。

（二）建筑構件工地現場安裝流程的仿真

目前，構件在施工現場的施工方式主要有兩種。裝配式鋼結構主要采用型鋼梁、柱或者鋼桁架等預制構件，在施工現場經過螺栓連接的方式，將預制好的鋼結構構件通過節點組裝，主要的施工工藝如下：當鋼構件進入工地之后，采用起重機械將鋼柱安裝就位，繼而將各個鋼柱之間的支撐等體系安裝好后，再對預制鋼梁進行起吊安裝。鋼梁就位后，將梁間的支撐系統補充完善，接著安裝樓板體系，當樓板采用組合樓板形式時，還要考慮少量的鋼筋鋪設和后澆混凝土的施工?？梢?，裝配式鋼結構在虛擬仿真技術應用過程中的實踐，可以通過施工模擬克服現場節點復雜多樣、吊裝空間狹小、施工時間短等問題，實現安全、優質和高效的建造目標。

（三）裝配式鋼結構安裝方法仿真教學

結合工程實際可知，在裝配式鋼結構施工安裝方法擬定優選中，研究和實踐虛擬建造技術，解決施工中的普遍技術難題，極大地豐富了裝配式鋼結構施工方案優選的手段。在施工現場的裝配式鋼結構安裝的施工模擬中，教師可以采用虛擬仿真技術，模擬施工的安裝過程。在模擬系統軟件界面的左側，是實訓過程中要使用的教學資源，有施工安裝圖紙，實訓過程中使用的安裝規范，施工中技術交底、安全交底，其他教學資源和工作記錄等。在模擬系統軟件界面的右側，是工程建設工程的流程。虛擬仿真技術可以根據工程的流程，引導學生進行操作，通過模擬現場工作，使學生很好地理解真實的裝配式鋼結構安裝過程。在模擬系統軟件界面的右側下方，是裝配式鋼結構的施工準備流程，主要介紹在模擬中使用的原材料和設備。

四、裝配式鋼結構在虛擬仿真技術應用過程中的實踐

教師利用虛擬仿真技術，可以提高學生對專業知識的掌握和理解。在課前，教師公布裝配式鋼結構教學的內容，學生登錄網站預習；在課上，學生進行虛擬仿真練習，同時開展師生互問互答；在課后，教師把課后作業上傳到網上，學生也把學習成果上傳到網上，通過虛擬仿真技術實現課程的全程評估。

（一）課前準備

在上課之前，教師要將課程資料、虛擬仿真微課程預習資料包上傳。通過網絡平臺開展教學，不僅可以分享教學資料，還可以進行在線作業、考試等教學活動。同時，學生在網絡平臺上的操作行為會被記錄下來，便于教師了解學生掌握裝配式鋼結構各模塊的情況。

（二）課堂實施

以裝配式鋼結構安裝部分為例，虛擬仿真技術提供了大量的三維模擬交互訓練和測試，其中有鋼柱安裝、鋼梁安裝、外墻面板、鋼結構屋面結構、鋼結構屋面細部施工等。在3D交互式訓練中，教師可以引導學生按照3D交互語音的提示，選取合適的工具箱或材料，完成各個階段的操作，以呈現裝配式鋼結構的虛擬仿真全過程。

3D虛擬仿真程序需要學生按照實際訓練的步驟模擬測試，這一階段有利于教師統一管理虛擬仿真平臺上的教學，匯總每個環節的分數。通過對學生在虛擬仿真平臺系統中的評分結果，教師能很容易地了解學生在工種、工具、材料、機械、位置選取等實訓環節中的得分情況，便于教師針對性地輔導。同時，在虛擬仿真平臺中，教師可以實時觀看學生模擬訓練的數據，通過學生的模擬訓練報告，了解他們的知識掌握情況，便于在課堂中針對性地進行點評和答疑。

（三）考核評價

在虛擬仿真平臺測試結束后，系統會自動記錄學生的訓練情況和班級的綜合得分，方便教師了解測試的結果，學生也可以隨時查看自己的測試結果。在虛擬仿真平臺上進行測試，既預防了裝配式鋼結構安裝工程需要到工地實地實踐的不安全性，又改善了采用真實實訓場地成本高和學生不能動手操作等問題。

與此同時，傳統的裝配式鋼結構實訓因為設備、場地等條件的制約，學生的作業完成時限都很短，通常是根據課程內容草草完成。而虛擬仿真技術沒有明確的操作過程，學生能按照自己掌握的內容自行構建，哪怕操作步驟錯誤，也不會影響最終結果，學生根據系統的提示修改，并反復操作，能更好地探索、歸納實訓過程的經驗，養成空間想象能力，并對裝配式鋼結構的整體結構形成宏觀認識。

參考文獻：

[1]鄭惠珍.“互聯網+虛擬仿真”在裝配式鋼結構教學中的應用研究[J].湖南郵電職業技術學院學報，2020（9）.

[2]王鵬，王玫.虛擬仿真下裝配式建筑教學改革與實踐[J].實驗室研究與探索，2020（4）.

[3]李元齊，杜志杰，路志浩，等.裝配式鋼結構體系建筑一體化建造技術研發和實踐[J].建筑鋼結構進展，2021（11）.

（作者單位：山西職業技術學院）