地下工程实验教学虚拟仿真数值建模平台建设探索

张治国，陈有亮，饶平平，李 宁，倪 静

(上海理工大学 环境与建筑学院，上海 200093)

0 引 言

随着我国高等教育教学改革的不断深入，高等教育综合质量的持续提高，教育教学信息化技术在培养学生的创新创业精神和工程实践能力等方面显得越发重要。虚拟仿真技术和数值建模手段是实现教育教学信息化的主要途径，也是实验教学数字化智能化中心建设的重要内容[1-2]。

地下工程是土木工程学科重要分支之一，明显具有施工周期长、施工隐蔽性强、以及施工环境恶劣等特点，故此虚拟仿真技术和数值建模手段联动平台的建设对于土木工程学科实验教学，尤其是地下工程专业方向的实验教学尤为重要。联动平台的实施要突出以学生为中心的实验教学理念，采用准确适宜的实验教学内容，建立创新多样的教学方式方法，研发先进可靠的实验技术，培养敬业专业的实验教学队伍，从而获取较为显著的实验教学效果。

为了有效解决地下工程专业方向开展实验教学遇到的信息化建设困难，培养大学生的工程操作和现场实践能力，达到培养工程型、创新性、国际化高素质人才的目的，我校土木工程系依托国家级虚拟仿真实验教学中心——装备制造虚拟仿真实验教学中心[3]，利用多媒体高精度虚拟现实技术和三维数值模拟全过程仿真手段，积极构建虚拟仿真和数值建模联动平台，不断完善虚实结合、产教融合的虚拟仿真实验教学综合体建设，并进行室内授课方法、实验教学技术、工程模拟效果等方面的改革探索与实践。

1 地下工程实验教学背景和基础

地下工程是指地表以下修建各种类型的地下建筑物或结构物的工程，包括城市地铁、公路隧道、地下停车场、过街和穿越障碍的各种地下通道等交通设施，各类地下制作车间、电站、储存库房、商场、人防与市政地下工程等工业与民用地下建筑工程，以及文化、体育、娱乐与生活方面的地下联合建筑体工程等。随着我国城市地铁和地下商业设施的快速发展，对地下工程专业方向人才的需求日益增加，全国各大高校相关专业的办学规模也日益壮大。

自2002年中南大学开设城市地下空间工程专业以来，目前我国已有40余所高校开设了城市地下空间工程专业。但实际上，我国每年培养的该专业人才不足5 000人，而仅地铁行业所需的工程技术人员就达到了11万多人[4-6]。可见，地下工程专业人才的培养远远落后于我国工程建设的需要，地下工程专业具有广阔的发展前景，而同时也给地下工程专业方向的实验教学提出了较高的要求和挑战。

我校土木工程系于1996年开始招收土木工程专业本科生，现有土木工程一级学科硕士学位授予权和建筑与土木工程硕士学位授予权，包括结构工程、岩土工程、桥梁与隧道工程、防灾减灾与工程防护工程、市政工程5个二级学科硕士点，其中地下工程方向属于桥梁与隧道工程专业分支。每年招收本科生150余名，硕士研究生60余名。2008年，与德国亚琛工业大学工程地质与水文地质研究所签署了联合招收和培养博士研究生的协议(包含地下工程专业方向)；2012年，与动力学院共建了动力工程及工程热物理学科下设的“能源与环境工程”博士点，包含能源与环境岩土工程方向，地下工程包含其中，并招收博士生；2014年，获批上海市学位办“上海理工大学土木工程专业学位研究生培养基地”；2016年，通过土木工程和建筑与土木工程硕士学位点评估；2017年，通过土木工程本科专业自主评估。

我校土木工程系现有教师26人，其中教授4人，副教授11人，具有博士学位的教师(含在读博士)占教师总数的92%。近年来先后主持国家自然科学基金重点课题及面上课题14项，国家支撑计划、教育部、上海市科委重点及人才计划等纵向课题近20项，发表在国内外期刊的论文被SCI、EI收录60余篇，申请发明专利、实用新型专利20余项，获得省部级二等奖以上科技奖项5项。土木工程系在教学改革方面取得了多项重要成果，工程地质、结构力学、测量学、地下建筑结构、钢结构等课程被列为上海市重点课程，钢结构获上海市精品课程，已出版学术专著和教材13部。土木工程系获得国家外国专家局和上海市高端外国专家项目批准，聘请了多名国际知名教授担任名誉教授，包括德国亚琛工业大学Rafig Azzam教授、澳大利亚卧龙岗大学Buddhima Indraratna教授，英国埃克塞特大学Akbar Javadi教授等。现有的软硬件条件给土木工程专业实验教学，尤其是地下工程分支方向实验教学奠定了较为坚实的基础。

2 地下工程实验教学短板和问题

我校土木工程实验室经过20余年的积累建设，已形成包括建筑材料实验室、材料力学性能实验室、土力学实验室、建筑结构实验室、静三轴实验室、动三轴实验室和结构振动实验室在内的实验体系，日常使用面积超过500 m2。现已配备了大型电液伺服多通道反复加载系统、MTS YAW4206万能试验机、SDT-10型微机控制电液伺服土动三轴试验机、岩土应力路径三轴仪、WS-Z30精密振动台、大型岩石流变仪、SR-6型双压力室土体蠕变三轴仪、INV306多通道结构动测系统和其他常规实验设备。其中，地下工程实验主要在土力学实验室、建筑结构实验室以及静动三轴实验室进行，现有的实验室条件还不能完全满足地下工程方向本科实验教学要求。

实际上，与土木工程学科其他专业方向比较，地下工程专业方向在实验教学中存在有明显的技术短板和亟需解决的问题：①地下工程隐蔽性强。大部分施工环节在地下，建筑物部分埋藏于地下，构筑物整体埋没于土体中，施工步骤和环境影响很难完全通过实验室设备实景再现，更较难让本科生动手参与实验。②地下工程施工周期长，涉及到的施工技术问题多。大部分地下工程整个施工环节不是几个学时能够完成的，一些复杂大型地下工程施工更是跨越几年。因此，受到场地和施工进度限制，一些大型地下工程实验无法让本科生动手参与。即使在专业认识实习和生产实习环节，学生也只能进行现场参观，而无法通过实际操作了解地下工程整个施工环节。此外，地下工程需要解决的施工疑难问题颇多，简单的实验室室内物理实验难以全面模拟。如盾构隧道施工涉及到开挖卸荷、注浆防堵、抗浮防漏、以及地表建筑物保护等诸多技术难点。③地下工程施工环境恶劣。由于地下工程在地下施工，还常跨越大江大湖以及敏感地层，存在坍塌、涌水等施工风险，本科生直接参与现场试验存在较大风险；而与常规模型试验相比，地下工程实验室室内试验也存在较大失败风险，实验不能达到预期效果。

此外，我校土木工程系在地下工程专业实验教学中还存在亟待解决的几点问题：①实验指导教师不足。土木工程系现有教师26人，而实验指导教师非常有限，几位实验老师还要兼顾教学和科研。土木系每年招收本科生150余名，而每位实验指导教师一般同时指导20名左右的学生完成试验，工作量非常大，部分课程需要利用业余时间完成实验轮换，故亟需引进相关专业的实验室专任教师。②实验设施设备较为老旧。地下工程近20年发展迅速，施工技术日新月异，实验室既有设备已经不能满足现代化实验要求。目前软土土性实验设备较为齐备，但涉及到具体施工工法的模拟实验装置或设备还较为缺乏，如软土盾构小型便宜设备，注浆模拟设备等。③学生参与积极性差。传统实验室实验教学手段单一，实验显示效果一般，不能吸引学生足够的注意力和学习兴趣；而且，部分实验通过实验设备不能完全再现施工细节，现场实验效果较差，不能完全实现实验目的，导致学生对室内试验的重视程度严重不足。

3 地下工程实验教学虚拟仿真数值建模平台建设

2018年，我校成为上海市“高水平地方高校”建设试点单位，学校进一步确立了创新创业教育在工程人才培养中的核心地位，进一步建立起全程化、全覆盖的“课堂教学-创新实验-项目训练-企业孵化”的创新创业教育体系。基于此，在为研究生开设相关课程的同时，在全国率先为本科生开设了虚拟制造技术、虚拟样机技术、虚拟现实技术、计算机仿真技术和计算机动态设计技术等课程，为虚拟仿真教学和虚拟仿真实验室的深化建设打下坚实基础[3]。

在国家建设“一流大学和一流学科”、上海市建设地方高水平大学的重要战略机遇期，我校积极开展学科布局结构调整，打破了原有的学院行政分割，按学科群统筹发展基地建设，构筑工程型、创新型、国际化的高端工程技术人才培养的基地。在学科群的基础上，学校将涉及机械类的所有专业构筑为机械类学院，包括环境与建筑学院在内的几大学院形成制造科学工程学院(平台)，并依托国家级装备制造虚拟仿真实验教学中心[3]。

目前，土木工程系正以国家级装备制造虚拟仿真实验教学中心硬件平台为基础，积极开展土木工程学科相关专业，尤其是地下工程专业方向实验教学的虚拟仿真数值建模平台建设。

3.1 平台搭建紧密结合地下工程数值分析模拟软件

地下工程专业方向虚拟仿真实验教学中心的建设基于Visual Studio、Adobe Flash、LabVIEW、WebBuilder等开发平台[7-9]，并结合主流专业数值模拟软件，包括FLAC、MIDAS、ANSYS、PLAXIS、ABAQUS等商用软件,如图1所示。利用数值模拟手段，可以设计一系列相关试验工况，灵活加入多种设计性实验内容，这样学生自己就能设计平行、对比以及交互实验方案，获得不同形式实验结果，并可进行对比分析。故通过完成虚拟仿真实验，可以培养学生独立思考能力，激发学习兴趣，有利于培养学生的创新精神和实践能力[10]。

实际上，目前新仪器新设备层出不穷，更新换代也非常快，高校实验室，尤其是地方高校实验室，由于建设经费等制约不可能及时增添大型崭新工程实验设备。因此，如何能让高校本科生及时了解和掌握最新施工技术和建设技能显得迫在眉睫，而基于数值建模分析的虚拟仿真实验不仅可以基本满足上述需求，且与工程实践相比，数值建模仿真模拟具有提供更多施工工况、再现施工细节、节省实验经费等显著优点[10]。

以隧道工程穿越滑坡体为例说明。公路隧道地下工程开挖存在较大的施工风险，如岩爆、瓦斯、突涌、支护失效等发生概率都较大，掘进危险明显大于其他地下工程施工，故相关现场实践和室内实验室模拟都存在较大风险，让本科生直接参与需要进行前期周密安排和施工预测预报，需要耗费大量人力物力。而采用数值建模仿真模拟，可以较为真切再现施工现场施工步骤和施工影响效应。图2所示为采用数值模拟方法对隧道穿越滑坡的多个工况进行的实例模拟，包括隧道位于滑坡体上部和下部等两类工况。图3给出了隧道穿越滑坡体时，不同下穿距离工况下的主应力等值线图。实际上，通过数值建模仿真模拟，可以获取隧道不同穿越位置，不同开挖进尺时滑坡体的应力场、位移场和塑性区等指标的实时变化情况，学生可以直观了解上述工况下施工环境影响效应。

图1 仿真实验建设平台示意图

(a)隧道位于滑坡体上部

(b)隧道位于滑坡体下部

(a)穿越工况1

(b)穿越工况2

(c)穿越工况3

(d)穿越工况4

3.2 平台搭建紧密依托地下工程三维可视化软件

地下工程专业方向虚拟仿真实验教学中心的建设紧密依托地下工程三维可视化软件，如BIM核心建模软件CATIA、Navisworks、Revit等。建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)技术是以计算机技术为基础，结合整个施工工程项目信息，构建三维可视的信息模型，从勘查到设计、施工、运维，在工程全生命周期中发挥其相应作用[10-14]。信息模型本身具有可视化、模拟性、优化性、协调性、可出图性等5大优点[10-14]。实际上，将BIM三维可视化技术引入地下工程中，可以在可视化施工模拟、设计方案优化、碰撞检查、多方协同工作等多方面充分发挥其优势，在保证施工工程质量安全的同时，可以显著提高地下工程方案设计变更和现场实施的效率。如图4所示，国内首个全面应用BIM技术指导施工的综合性水利地下枢纽工程-邕宁水利枢纽工程被水利部列为全国水利建设BIM应用示范工程[15]。该项技术的应用，为探索水利地下工程建设全流程BIM解决方案提供了宝贵的案例和数据支撑。如图5所示，中国铁路总公司主数据中心及阳大铁路杏村隧道等多个重点铁路项目、综合地下交通枢纽建设应用BIM技术，该技术应用已覆盖勘察设计、工程施工和维护全过程[16]。

图4 BIM模拟实例-模型(邕宁水利枢纽地下工程)[15]

图5 BIM模拟实例-模型(阳大铁路杏村隧道) [16]

在利用CATIA软件进行地下工程三维可视化实验教学平台建设时，会发现目前BIM技术核心软件缺乏与其他工程数值模拟软件的数据接口，这导致BIM技术的应用仍停留在三维可视化、工程算量、工程项目管理等层面上，难以与地下工程主流数值分析软件FLAC、MIDAS等相结合，来验证整体实验教学方案的有效性[10-14]。实质上，传统的数值模拟分析软件在工程细节建模方面还显薄弱，如难以模拟如隧道布筋、衬砌螺栓、锚杆支护等局部结构。因此，在虚拟仿真数值建模实验教学中心平台建设中，将BIM三维可视化技术与有限元或有限差分等数值软件相结合，则既能发挥BIM软件强大的三维可视化建模功能，又能运用数值模拟软件来分析局部结构的安全性能，最终保证高校本科生在获得地下施工直观视觉同时，了解相互作用力学机理演化过程，从而深化地下工程相关施工原理的理解。土木工程系于2017年引进了BIM相关专业的2位老师，其中1位老师曾就职于华东建筑设计院，是资深BIM研究专家，目前正在积极创建BIM相关教学课程和实验教学平台。

3.3 平台搭建紧密融合校企合作基地和实践资源

坚持“自主研发”和“校企合作”相结合是我校建设装备制造虚拟仿真实验教学中心的基本思路，而虚拟仿真实验教学内容的主要支撑数据只能来源于实际生产企业。因此，实验中心极为重视与国内外大型企业和科研院所的合作，先后与上海电气、中国商飞等30家大型企事业单位建立了产学研合作关系，与210家相关知名企业建立了科研合作关系。并以自主研发为主，与相关合作单位合作研制了虚拟仿真实验装置12项、生产实际实验教学内容65项，以及上百项工程实践虚拟仿真案例，工程实验模型和工程数据达400 GB以上，为实验教学中心的实用化、社会化发展奠定了坚实的基础[3]。

土木工程系也正积极依托土木工程学科优势，包括地下工程专业方向特色，吸引相关勘察、设计、施工、监理检测企业公司参与实验教学平台建设。土木工程系合理利用合作企业公司的实践资源优势和工程案例先导，正在发展“优势互补、资源共享”的实验实践教学方式，以实现土木工程系与企业公司和谐发展。以2018年校企合作为例，7月4日，环境与建筑学院领导及相关工作人员一行走访了上海建工集团总部，就开展深入合作事宜进行了探讨；9月20日环境与建筑学院领导及相关工作人员一行走访了华东建筑设计研究总院，签订了校企合作协议。通过开展校企深度合作，可以建立协同培养机制，可以培育接近学生、贴近实际、靠近前沿的联合培养载体和工程大数据实验教学平台，从而培养厚基础、强实践的工程型、创新性、国际化高素质人才，也可以丰富校企产学研合作内涵，最终助力学校高水平大学建设。

实际上，在校企合作过程中，相关公司企业可以参与土木工程学科，包括地下工程专业方向的实践实验教学计划制订，为虚拟仿真数值建模实验教学中心平台建设提供各类技术标准、施工工艺、防护指标和实用软件，参与平台技术研发工作、相关软件维护升级工作，可以较好地确保实验平台运行状态，以服务于地下工程专业人才培养。此外，通过签署校企合作协议，建立学生校外实习或实践基地，通过互联网技术开设各类仿真实验项目，实现校企联合培养学生。参与该项目的本科生利用在学校里掌握的虚拟仿真知识，与公司企业施工实际相结合，可以更好地掌握相关理论知识和施工技能[17]。通过上述“课堂-实验-现场”工程大数据关联平台，可以创新人才培养模式，提高人才培养质量，创新拔尖学生培养模式，也为学生优质毕业奠定前期基础。图6所示为上海深坑酒店施工实践基地实景照片。上海深坑酒店地表下88 m，依附深坑崖壁而建，是世界首个建造在废石坑内的五星级酒店。该酒店建设过程中涉及较多地下工程方面的施工难题，是非常难得的校外实践基地，学生也获得了非常震撼的现场施工过程认识。

图6 上海深坑酒店现场施工实例(生产实践实习)

3.4 平台搭建紧密贴合师资资源和实验室队伍建设

地下工程实验教学虚拟仿真数值建模平台的建设，还离不开一支核心骨干相对稳定、科研学术水平高、教育教学经验丰富、勇于创新开拓的师资资源和实验室队伍。实验室队伍应该层次梯队分明，可以由主讲教师、实验技术人员和研究生助教三大类人员组成[17]。主讲教师是这一梯队中的核心，应该具有丰富的科研教学经历，能够推动实验教学平台的改进与发展。在具体操作中，主讲教师可以根据教学进度，合理设置实验环节闯关关卡，增强虚拟仿真教学资源的互动趣味性，激发学生实验操作和实验理论学习的热情，这一过程充分体现教师为主导、学生为主体的实验操作模式，充分培养学生自主学习、自主管理、自主服务的意识与能力。

我校土木工程系现有实验教学师资力量十分紧缺，在此前提下，除了通过师资招聘予以扩充实验技术人员外，还要充分发挥研究生助教这一梯队人员的主观能动性和内在潜力。研究生助教来自科研工作的第一线，参加老师们的各种横纵向科研课题，同时研究方向各不相同，这就为丰富和改革实验教学内容提供了良好条件，可以拓展教学实验方案设计广度和深度，此外研究生助教一般与学生交流更为顺畅，从而可以充分体现教师与学生之间的内在纽带效果[17]。

4 结 语

地下工程实验教学虚拟仿真数值建模平台是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要载体，也是地下工程学科专业与多媒体信息技术深度融合的产物，更是地下工程实验教学的发展方向。该平台的建立，可以促进教学科研成果转化为优质数字教育资源，实现科研与教学的互动和对接，实现实验室室内模拟和现场工程施工的融合和互补，也有利于积极开展基于工程实践项目的学习，推动实验教学内容和实验教学方法的自我改革，促进新时代人才培养模式的创新。随着学校装备制造虚拟仿真实验教学中心建设工作的不断深入，地下工程实验教学虚拟仿真数值建模平台建设的重要性将日益凸显。通过虚拟仿真数值建模联动机制的不断研究与实践，必将提升虚拟仿真实验教学中心建设成效，必将推进土木工程系地下工程实验教学信息化顺畅快速发展。