道路施工虚拟仿真实验教学建设

马登成， 胡永彪， 张新荣

（长安大学工程机械国家虚拟仿真实验教学中心，西安710064）

0 引 言

为了提高学生对道路施工现场的了解，将理论知识转化为实际技能，实验教学采用虚拟仿真的教学方式，以图文介绍形式展示实验目的、实验原理、公式、实验方法与步骤、注意事项和实验报告等内容，使学生能够交互式、沉浸式的进行实验，能够使学生身临其境的熟悉现场道路施工状况，提高学生对课堂理论知识的掌握与实际解决问题的能力［1-6］。采用虚拟仿真实验能够使理论与实际相结合、虚拟仿真实验与实际实验相互补充、优化配置，全面提升学生在实验教学环节中自主学习能力、解决复杂问题的能力、协同合作的能力，达到高层次人才培养的目标［7-15］。虚拟仿真教学实验项目的设计目的正是辅助学生进行高速公路机械化施工的认知学习。虚拟施工现场外景下与三维施工设备的结合最大限度的复现模拟工程实际，构造出一套完整的涵盖公路施工设备、施工工艺、材料的虚拟实验，对高速公路施工过程中涉及的设备、工艺、流程、材料等进行仿真。以虚拟的技术手段再现施工工序安排、工程设备及构件安装、机械操作、参数调整、沥青混合料反馈等的重要环节，实现虚拟设备的人机交互操作，使学生随时随地的进行学习和实际操作。

1 项目建设原因

（1）学生无法观察整个施工过程。高速公路的建设的工期均以年计，工期较长，在校学生没有时间和精力去现场学习整个施工过程及工序，无法了解高速公路机械化施工的基本施工方法和流程。

（2）施工现场复杂，存在着不可预见的安全隐患。公路施工过程中，施工设备、车辆众多，无论是工程机械，还是施工过程中的工况都是不可预料的，学生并不能够实现现场实习，现场操作更无从谈起，也无法保证学生在学习过程的安全。

（3）学生无法观察施工机械结构及工作原理。沥青混合料拌合站在施工过程中，一直处于封闭状态，再加上拌制的沥青混合料温度高达160℃以上，摊铺机、压路机等施工设备工况复杂、施工现场情况多变，由于安全要求，学生不可能被近距离观察其工作状态，学生仅通过书本知识无法对其有很好的认知，很难明白高速公路施工设备的结构、工作原理及参数调整，以及施工材料与设备间的影响关系。

（4）现场实习耗资较多，且不可重复。施工类实习只能针对部分学生进行现场学习，每次去现场消耗巨大。针对不同年级学生需要多次认知学习，消耗巨大。更谈不上掌握间歇式沥青拌合站结构、拌合工艺、拌合质量控制方法及拌合流程；沥青摊铺机关键结构、摊铺方法、参数调整、混合料离析控制方法与沥青混合料压实工序、压实设备选择、参数设置与设备选型等基础知识。

（5）道路施工虚拟仿真实验的优势。虚拟仿真实验教学中应用大型仿真软件结合声、光、电硬件设备，采用二维及三维动画逼真反映实际道路施工过程中设备、材料、场景、人员操作等因素对施工质量的影响，学生能够实现交互式、沉浸式实验，有力地提高了实验教学的吸引力和教学效果。由于采用虚拟仿真实验方式，学生既能够身临其境地感受到真实施工过程中的状况，又避免了由于误操作产生对设备或学生人身的伤害，提高了对该门课程的学习兴趣。

2 实验项目建设

2.1 实验项目设计

本项目的设计目标是完整地仿真如何进行高速公路机械化施工的整个过程，对所涉及的大型施工设备、施工技术、工程工序等知识点，将所要教授的知识点，生动准确地传达给学生。同时学生能够动手操作练习所教授的内容，并且加入考核。

（1）施工设备认知。将所有系统中涉及的设备、工具单独建模，分别能够进行360°全方位的展示，并搭配文字说明，用于教学，让用户达到认知的效果；所有模型应在该模块的主界面中平铺显示，平铺显示的效果应该是图片加名称，点击某个图片进入该对应模型的具体展示。

（2）道路施工学习。该实验项目是按照高速公路机械化施工过程中所涉及的各种施工设备、典型施工工艺的演示学习，学生进入系统后可进行间歇式沥青拌合站、沥青混合料摊铺机、压路机等多种施工设备的结构原理、施工工艺、流程、注意事项、参数调整等进行选择，并进入对应实验流程按照施工工序进行施工，对施工过程中的关键点进行学习，最后通过多种施工设备完成整条高速公路的修筑（见图1）。

图1 道路施工虚拟仿真实验系统

2.2 实验项目建设

2.2.1 公路基层虚拟仿真施工

进入实验界面后，首先点击菜单栏中的“备料”图标，认识实验项目中所要的主要设备和实验材料。学生可以在材料库中选择相应的施工设备与材料，了解施工设备的结构组成与工作原理。采取交互式实验方式，使学生身临其境的学习公路路面基层施工的施工准备、混合料拌合、混合料运输、摊铺、碾压、检测、养生等过程（见图2～8）。

2.2.2 沥青面层虚拟仿真施工

（1）道路施工材料、设备准备。进入实验界面后，首先点击菜单栏中的“备料”图标，认识实验项目中所要的主要设备和实验材料。学生可以在材料库中选择相应的施工设备与材料，了解施工设备的结构组成与工作原理，如沥青混合料拌合站结构如图9所示。学生可以从材料库中选择材料进行备料，实验中的集料应分类堆放，展示的场景里各档集料分类堆放，如图10所示。学生对各种原材料及混合料进行材料性能实验（见图11）。进行底基层清扫及黏层油的洒布，如图12所示。各沥青面层开工前在甲方和监理单位批准及到场的情况下进行实验段铺筑，确定松铺系数、施工工艺、机械配备、人员组织、压实遍数，并检查压实度，沥青含量，矿料级配，沥青混合料马歇尔各项技术指标等。

图2 储料仓

图3 基层混合料拌制

图4 基层混合料运输

图5 基层摊铺

图6 基层碾压

图7 基层压实度检测

图8 基层养生

图9 拌合站结构组成与工作原理

图10 集料分类堆放

图11 材料性能实验

图12 底基层处理

图13 沥青混合料拌制

（2）沥青混合料的拌制。各种集料分类堆放，每个料源均进行试验，按要求的配合比进行配料（配料过程需要学生完成，老师设计配料参数选择）。设备库中选择并设置间歇式沥青混合料拌合站工作参数。实验流程包括：冷骨料配给-骨料烘干加热-热骨料提升-热骨料筛分、储藏与计量-粉料计量-沥青计量、喷洒-混合料拌和与小车运输。实验中学生通过交互，完成对沥青混凝土的原材料和沥青混合料及时进行检测。展示出厂的混合料需均匀一致，无白花料，无粗细料离析和结块现象。图13为沥青混合料拌制现场。

（3）沥青混合料的运输。实验中要求学生根据拌合站每小时的产量、运距计算运输车辆的数量与种类，实验过程中展示运输车车厢内干净整洁，刷防粘剂，并为车厢配备篷布或棉被以防止热量损失。拌合站卸料到运输车中要求采取5次卸料法，以防止卸料产生材料离析（见图14）。

（4）沥青混合料的摊铺。学生可在机械库中选取摊铺机，根据路面宽度选择梯形搭接摊铺（采用双机或三机梯形施工时，相邻两摊铺机的前后距离控制10～20 m，相邻两幅有10～25 cm宽度的重叠搭接）或选择大宽度摊铺机一次摊铺，摊铺机工作前使学生明确对熨平板进行预加热至不低于65℃，以防止沥青混合料黏接在熨平板上，设置摊铺机相关工作参数，实验中底、中面层采用走线法施工，上面层采用平衡梁法施工（见图15）。摊铺过程中要求摊铺机匀速行驶，根据拌合站的产量来确定摊铺机的行走速度，以确保所摊铺路面的均匀不间断地摊铺，在摊铺过程中不准随意变换速度，避免中途停顿以保证摊铺后路面的平整度。

图14 沥青混合料卸料运输

图15 摊铺机摊铺作业

（5）沥青混合料的压实。压实工艺分为初压、复压与终压。初压：采用双钢轮振动压路机，先关闭振动静碾1～2遍，紧跟摊铺机碾压，保证路面温度应不低于120℃。复压：采用胶轮压路机和双轮双振压路机碾压4～6遍，碾压温度多控制在100℃以上。终压：采用双轮双振压路机，静压1～2遍，碾压温度应不低于70℃。边角部分使用小型振动压路机碾压。

进行压实作业之前，要求学生确定压路机的种类和数量，一般由4台吨位大于13 t的双钢轮振动压路机和2台吨位大于16 t的胶轮压路机以及小型振动压路机组成。压实过程中压路机禁止中途停车、转向、制动，每次由两端折回的位置呈阶梯形随摊铺机向前推进，保证折位置不在同一横断面上；振动压路机在已满足压实度要求的路面上行驶时关闭振动。碾压沿纵向由低边向高边按规定要求的碾压速度匀速进行，相邻碾压重叠宽度大于30 cm。图16为沥青混合料压实。

图16 沥青混合料压实作业

3 实验考核

考核要求见表1。

表1 实验考核要求

（1）学习态度。（占基本实验考核成绩40%。即总评20%），考核内容包括：出勤率，实验结束时仪器设备的维护和实验室的整洁卫生、预习报告、操作时的实验态度、实验报告的完整性。

（2）理论水平。（占基本实验考核成绩的30%，总评的15%），包括：实验前抽查口试、设备参数调整、数据分析处理是否正确、实验报告中实验结果的分析讨论及思考题解答。

（3）实验技能。（占基本实验考核成绩的30%，总评的15%），包括：熟悉实验步骤、正确规范使用仪器、是否正确的选择施工参数。

4 实验项目实施效果

本实验项目弥补了目前高速公路机械化施工教学中存在的缺陷，通过3D建模的道路施工设备及施工实景，使学生生动而真实地了解与掌握了高速公路施工现场情况；通过设备库提供的施工设备，加深对施工设备的认知与掌握；通过学习规范以及一步步地模拟施工工序实验，了解与掌握高速公路机械化施工的全过程。不仅使学生加深了理论知识，而且也掌握了高速公路施工的实际流程。经过虚拟实验训练的学生具备了更强的工程实践能力和工程实践经验，更能适应工程机械类制造企业、公路施工类企业的工作岗位需求。