桩基础虚拟施工辅助实践教学研究

殷 勇

(盐城工学院 土木工程学院，江苏 盐城 224051)

1 引言

基础工程是土木工程相关专业一门重要的专业基础课，也是土建类高校专业课程教学改革的核心内容[1]。该课程的教学内容涉及常见建筑基础的设计与施工，其中基础工程的施工在实践性教学环节中也是一项重点内容。学生只有通过课堂理论教学、实践教学两方面环节才能更透彻地掌握课程核心，才能更好地锻炼自身的实践能力。目前，由于桩基础在建筑的基础型式中占有较大的应用比例，在基础工程的教学中其重要性日益突出。桩基础设计的理论内容在基础工程课堂教学中一般都有充足的学时安排，但施工过程在理论课程中往往讲解较少或者仅在土木工程施工课程中有所涉及。因此，有效开展桩基础实践性教学是保障学生系统和全面掌握课程要点的重要措施。

2 现有实践教学方式存在的问题

当前，多数高校并没有专门开设针对桩基工程的实践教学环节，很多都是安排在认识实习、生产实习、毕业实习等实习环节合并开展，而且在实施过程中有时还存在着下列一些问题。

2.1 实习资源不足

对于土建类专业而言，学生获取现场实践资源的途径相对较单一。实践环节的开展一般都是利用就近的工程项目，而桩基工程属于隐蔽工程，施工周期较短，与学生实践环节开展的时间有时并不能完全一致。这就造成实践教学不能对桩基工程的全过程进行学习，短时间内现场工程能提供的实习资源相对不足，影响实践环节的开展。

2.2 实践条件不全面

桩基的实践环节目前多数是以现场教学为主，而现场开展实践教学的影响因素也较多，需要的保障条件相对较高，如天气、交通、安全、经费投入等，任何一个环节不满足均会影响教学过程。此外，从指导教师来看，有丰富工程经验的教师数量还不足，现场实践指导工作量大、安全责任也重，造成教师承担现场实习任务的工作积极性不高[2]。

2.3 实习深度不够

实践环节是土木工程专业一项必修的学习内容，班级人数较多时实习过程一般可以分批进行，但尽管如此，对于桩基工程而言，部分学生的实习深度还有欠缺。工程现场因为各种限制，不能同时接待大批量实习人员，学生实习多以现场观摩的方式进行，并不能实际参与施工过程，对桩基施工流程的了解并不全面，学生的动手实践能力得不到实际锻炼，影响实习的效果[3]。

2.4 实习创新性不足

桩基工程实践教学贴近工程生产一线，其目的是提高学生的实践技能，夯实理论基础，锻炼思考与创新能力。但在目前的实践教学中，学生主要根据教材或规范内容对照性地学习，并没有充分的空间思考为何要这样做或者有什么好的施工工艺改进方法，对学生的创新性思维起不到良好的锻炼效果。

3 桩基虚拟施工实践教学理念

针对桩基现场实践环节存在的薄弱环节，提出了一种桩基虚拟仿真施工辅助实践教学(实训)方法，可以让学生真实体验桩基施工的全过程。该方法基于北京睿格致科技公司的知识云库，利用BIM信息化技术编写桩基施工在线实训模块，能使学生在3D游戏化的交互体验中获取桩基施工的全流程知识点，如图1所示。实训时以桩基施工进度为任务主线，实训流程环环相扣，实训过程由浅入深，实现真实施工现场不具备和难以完成的教学功能，可以避免现场实践教学的各种弊端。

图1 钻孔灌注桩虚拟施工实训流程

实训过程围绕桩基施工流程考核→工种选择→材料、机械选择，逐步引导完成每个工艺流程，期间对知识点涉及的主要施工方法、施工要点进行讲解，最后系统根据每一环节完成的准确程度、时间等，精细而实时化地评测实训成绩。实训环节能够使学生有效掌握桩基施工方法、施工工艺流程以及保证施工质量所采取的施工措施等，达到现场实训相同的效果。

4 桩基虚拟施工实践教学环节的实施

4.1 实践教学过程

在教学环节的具体实施方式上，可以遵循教与学的主线，利用桩基虚拟施工云平台分别从教师端和学生端设置工作任务，如图2所示。

图2 桩基虚拟施工实训环节的实施

教师端工作需要依次完成备课、讲课、评测三项任务，备课是其中主要的环节，包括班级建立、实训知识点设计、预习任务书下发等内容；讲课内容也可以在实训知识点的设计环节准备好，考虑到在线学习的便利性，可以将一些施工要点配以图片、语音或动画分步骤列出，便于学生提前预习；评测环节需要教师发布评测任务书，规定好考核时间限制、是否可以查看结果等，具体的评分则由系统实时反馈，教师可以随时了解每位学生在各环节的得分情况，针对性地开展辅导工作。

学生端依次由学、练、考三个学习环节构成，并与教师端的备课、讲课、评测环节对应。首先学生根据预习任务书要求，在指定时间上线领取实训任务，利用网页内容了解桩基整体施工流程，根据提供的动画、视频等熟悉各施工环节所需要用到的工种、材料、机械资源。在此基础上可以进入实训练习环节，该环节按照实际施工流程，需要学生自主动手完成各操作步骤，一些施工要点也会以选择题的形式进行考察，如前述图1所示。最后，学生在充分练习的基础上进入考核环节，考核环节与练习环节施工步骤相同，但每一施工步骤不允许修改，只有一次操作机会，系统最终根据完成的时间、质量实时给出定量考核分数。

采用上述实训流程，可以在班级中按计划定时开展桩基施工实践教学，理论与实训结合，能较有效地发挥虚拟施工实训教学的优点。此外，游戏化的实训环境体验还能激发学习兴趣，更好地促进学生对专业知识的理解。

4.2 桩基虚拟施工系统云库建设

桩基虚拟施工实训教学过程均建立在系统云库上，该云库建设是整个实训环节的核心。教师一方面可以在平时的备课过程中不断更新、完善该数据库；另一方面对于一些新型桩基或云系统中欠缺的内容，则需要另外开发相应的实训模块。

目前，包括桩基施工在内的土建类虚拟施工实训模块建设的难点均在于3D施工动画的制作，很多高校这部分工作都交给专业的动画制作公司，实施过程要不断反馈修改，而且费用较高。当前采用一些大型的BIM施工动画制作软件，如3DMAX[4]、MAYA[5]、Revit[6]等应用起来不够方便，或缺少足够的施工素材。在此，笔者建议可以尝试采用BIM-FILM施工动画制作工具，该软件内置了多种建筑信息化模型和施工素材，较大程度上减轻了施工动画制作难度，可以满足各类桩基虚拟施工实训模块的制作要求，同时还可以为教师提供3D课件制作资源， 满足个性化的教学需求。

4.3 学生实践与创新能力的培养

在实训过程中，除了桩基施工过程所需要掌握的知识点外，还可以通过集中培训培养学生施工动画的制作水平，使其在今后工作中具备现场专项施工方案的编写能力、现场施工指导能力、现场施工质量检查与验收能力，最终体现了对学生实践动手能力的培养。

在编制施工动画模块的过程中，学生一方面先要弄懂施工流程，相当于提前预习实训内容，有利于掌握实践课程知识点；另一方面，在自己制作动画的过程中，会不断对现有施工工艺流程进行思考，对不合理或可以完善的地方提出自己的建议，有利于自身创新能力的培养。

因此，桩基施工动画的制作实际上对学生提出了更高的实训要求，不仅对实践课程知识点要求掌握得更全面细致，对学生的动手能力、创新意识的锻炼均有较好效果。

4.4 与在线课程的契合

当前诸多高校对在线课程的建设均提出了更高的要求，桩基工程本身也是理论与实践相互并重的专业课程。采用虚拟施工实践教学的手段可以进一步促进课程在线建设的水平，避免了传统在线课程只重视理论环节建设的缺点，使得在线课程的内容体系更丰富和全面。

5 结语

桩基虚拟施工是桩基工程课程实践教学的有效手段，也是今后在线课程建设的重点。该方法利用虚拟仿真技术以施工进度为实训主线，三维模拟施工工艺全过程。学生通过三维交互游戏式体验，在施工场景中虚拟实际工艺，达到课程实训教学的目标。在实训环节中，借助BIM-FILM施工动画制作工具的应用，不仅可以完善桩基虚拟施工系统云库中的教学资源，还可以对学生的动手及创新能力起到锻炼作用。