建筑基础施工虚拟仿真实训系统的研究

王文震

摘要：建筑基础施工是建筑工程专业学生要掌握的核心知识，在学生职业能力的养成中具有重要的意义。传统的现场学习方法受时间和费用等多方面因素的影响，难以满足实际学习的需要。开发一套相关的虚拟仿真实训系统能够模拟施工现场的实际情况，使学生能够感受到类似实际操作的体验，使得教学更加直观化，提高学习的兴趣并加深对相关知识的掌握。

关键词：建筑基础施工；虚拟仿真；实训系统

一、前言

虚拟仿真是进入20世纪80年代后发展起来的一种新技术，它通过软件编程形成三维数字的图形化模型，生成一种人造的虚拟环境。它涉及到人工智能、传感技术、人机交互和计算机图形学等学科。虚拟仿真技术在教育教学方面的应用，不仅可以更直观的呈现所学的知识，调动学生的积极性，还能够改变传统的教学模式，提高了学生的实践能力。

建筑基础施工是土建类相关专业的核心教学内容，具有实践性很强的特点，特别是其中的主体工程即钢筋混凝土工程的施工，对于施工现场的一线人员来说，掌握其工艺和方法，也是应具有的基本素质。目前建筑基础施工教学存在的主要问题有：

第一、实践教学环节难以满足实际教学需要：由于建筑专业的特点，教学计划难以和企业的实际生产时间相对应；基础设施施工的周期长，工程量大，短时间的实训不能真实的全面了解其施工过程。

第二、第二学生难以实际动手操作，学习效果不佳：在校外建筑工地的实习，由于时间和费用的限制，以及施工单位出于人身安全等方面的考虑，学生往往不能实际动手完成施工操作，难以达到预期的学习效果。

第三、学习成绩的评定不够合理：基础设施施工内容的学习一般是通过校外实践，学习成绩一般是根据学生的考勤情况和见习单位出具的相关报告和总结材料等进行打分，具有较大的主观性，不利于学生学习积极性的发挥。

建筑基础施工仿真教学软件的开发，能够利用当前的先进的虚拟仿真技术，将三维可视化技术应用于教学中，使得学生在学习过程中能够先仿真后实训，可以全面的了解建筑基础施工的全过程。通过本虚拟仿真软件的建设，可以结合工程施工现场的实际，把实践和理论进行结合，把真实的工作环境利用软件进行模拟开发，使学生能够真正体验到施工现场的技术和技能，从而减少学生对现场的不熟悉感，使得教学更加直观化。

二、国内外研究概况和发展趋势

国内外对虚拟仿真技术在建筑方面的应用主要体现在以下两方面：

第一、建筑施工仿真理论方面的研究

1991年美国学者提出了虚拟企业的定义，清华大学、同济大学等在此方面有学者进行了大师的研究，到1997年，国内对虚拟企业的研究得到了各方面的关注，目前相关理论框架已形成，虚拟企业也开始了从制造行业到其他行业的扩展。在虚拟建设方面，从1996年美国发明者协会首次提出概念，到2000年TFV（Transformation-Flow-Value）理论的出现，论证了虚拟企业理论在建筑行业应用的可能性。国内研究人员对虚拟建设研究多在组织管理层面，较少研究具体技术的实现。

第二、建筑施工仿真方法的研究

建筑施工仿真技术是虚拟建设中的具体应用，主要通过虚拟仿真和虚拟现实技术来实现。虚拟仿真技术一般是通过建立模型来描述整个系统，再通过一些重复试验得到一些有规律的数据。国内研究者高兴夫研究了超高层建筑施工的动态仿真、张正峰则应用可视化仿真中的图形技术，对复杂群建筑施工过程进行了研究。虚拟现实则是在虚拟建设中将枯燥的数据转化为直观的图像，方便进行操作和对比分析，能够研究数据中深层次的内容。赵凌军对建筑物的辨识和几何尺寸的提取进行了研究、王辰辉仿真了液压挖掘机的工作场景，钟登华等人对水电工程的可视化仿真进行了分析，其研究成果得到了成功的应用。虚拟现实技术在建筑施工中的应用较多，其发展方向目前主要是事件驱动的沉浸和时间驱动的沉浸。

三、建筑基础施工实训教学的现状研究和分析

《建筑工程施工技术》是土建类相关专业的核心课程，其中主体工程即钢筋混凝土工程的施工就显得更加重要，对于该部分工程的施工，对于施工现场的一线人员来说，掌握其工艺和方法，是应具有的基本素质，特别是对于培养的施工员来说，就更加重要。在学生的培养中其教学时数和学分、教学设备和实训场所以及从教教师数均居各课程之首，该课程也是其他土建类专业的专业必修课，在学生职业能力的形成中起着决定性意义，在建筑行业对人才技能的要求越来越高的今天，其地位和作用日益凸显，因此如何让学生更准确的掌握建筑基础方面的技能就尤为重要。

四、建筑基础施工虚拟仿真实训系统构建与开发

系统采用Unity3D与3ds Max作为开发平台，实现系统逻辑功能与3D模型的设计制作；使用SQL Server 2008实现对身份信息、实训进度信息的存储；具体的虚拟实训系统通过以上的技术支持，可在PC、移动设备以及Web上运行。

设计框架采用经典的MVC设计模式，将整个系统开发划分为三大模块：模型组件、视图组件和控制器组件。模型组件是视图组件和控制器组件之间的通信桥梁，控制器发出的具体操作信息会被传送到模型组件中，模型组件经过一系列的逻辑计算，将计算出的一系列相关信息发送到视图组件，由视图组件接收信息并最终展示给用户。在本系统中，模型组件由C#功能脚本实现，视图组件由UGUI界面开发技术和3ds Max共同完成，控制器组件则由鼠标、键盘等硬件设备负责。MVC设计模式合理划分了软件开发过程，遵守软件开发“低耦合、高内聚”的原则，研发者只需依照系统总体设计约定好的接口方式，即可并行开发不同的系统组件，有效地提高了系统开发效率。

建筑基础施工虚拟仿真实训系统由6个模块组成，具体如下：

（1）身份认证模块

其主要功能有：判断登录用户的身份，调出对应的学习模块进度，及学习得分。

（2）公共模块

其主要功能有：工程图纸、技术规范、知识学习、视频库、测试题库、工具箱。

（3）土方开挖工程模块

其主要功能有：场地要求、场地清理、放线定位、机械挖土、修边及验槽。

（4）钢筋工程模块

其主要功能有：弹钢筋线、放置钢筋、绑扎钢筋、放置垫块、放置竖筋、钢筋焊接、箍筋绑扎。

（5）模板工程模块

其主要功能有：工程施工前的准备工作、模板安装、质检验收、模板拆除、工程验收。

（6）混凝土工程模块

其主要功能有：混凝土制备、混凝土运输、浇筑与捣实、混凝土养护、工程验收。

总之，建筑基础施工虚拟仿真实训系统构建了高职建筑类专业理论学习与生产实际相结合的教学平台，弥补了教学手段、实训条件及时间、空间上的限制，在课堂上实现了教学项目与施工项目、教学过程与施工过程、在校学习与实际工作一致性。但这种仿真教学系统也存在着易引发学生现场安全生产意识差和无法做到现场实操等不足等问题，应引起重视。要通过合理设计各教学环节，把虚拟仿真实训与理论教学和生产实际有机结合，才能提高教学效率，拓宽实践教学渠道，为高职院校提升办学能力和发展起到了积极助推作用。

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