面向智能建造的虚拟仿真教学改革*——以《土木工程施工》为例

孙 宁（商丘师范学院建筑工程学院，河南 商丘 476000）

随着新一轮产业技术革命持续深入，在数字技术不断更新和行业技术高度融合的背景下，建筑行业面临着巨大的竞争和转型压力，迫切需要从传统建造向智能建造转型，为实现建筑行业的智能制造，开展以面向建筑数字化、工业化的“新工科”土木工程教育势在必行，本文以《土木工程施工》教学为例，充分利用虚拟仿真技术，优化课程内容，重塑教学环节，提高学生学习的自主性和主动性，改善土木工程人才的培养质量。

1 新形势下人才培养的新要求

《土木工程施工》作为土木工程专业主干核心课程，包括施工技术和施工组织管理两部分内容，传统课堂讲授的教学方法和“蜻蜓点水”式实习、实训模式，已经不能满足“新工科+智能建造”要求，为应对新兴产业的发展，实现施工技术和工艺的创新，从而提升工程质量，教学内容必须引入云计算、大数据、人工智能等智能建造技术，体现智能时代建筑业随着新时代的不断变革。

新的经济形势下，随着人口红利逐渐消失，用工成本不断增加，各行各业将在“新常态”下，不断适应市场的发展和需求的变化，进一步加快工业化、信息化转型，加深对数字化、智能化技术的运用，推进“机器换人”，推动技术红利替代人口红利，实现减员、增效、提质。建筑行业也迫切需要从手工+机械的半自动生产方式朝着智能制造方向升级，融入互联网、物联网、VR等数字技术，实现施工技术和工艺的改进与创新，由传统建造进入智能建造，由原有的粗放发展模式转变为信息化和智能化的高质量发展模式。企业要解决以上问题，急需“新工科+智能建造”的工程师加入土木工程建设队伍，根据用人单位反馈的信息来看，新毕业的学生往往不能马上适应智能建造的要求，需要进行长时间的培养，从而增加企业成本，造成人才培养与市场不协调。而要培养适应企业生产需求的毕业生，就必须对土木工程施工类课程教学进行改革，需要通过大量的工程实践对其进行实习、实训。但在教学实践中受到实习实训设备复杂、操作难度大、费用高等不可逾越的问题影响，不利于组织学生进行多次、大规模数实习、实训，造成学生接触工程实际项目的机会很少，不利用于学生对课程知识的理解、吸收和应用。学生在学习过程中无法了解和体验各施工工艺及工程施工组织的全过程，导致教学和学习的破网断链，教学效果不佳。因此，有必要对土木工程施工传统授课方式和实践教学环节进行改革，强调建立以智能建造为基础的实践能力培养。

土木工程施工实习、实训的安全问题十分突出。由于施工现场工序繁杂、人员密集，而学生又缺乏施工安全知识和对危险源的判断能力，这使得很多施工单位担心实习学生的安全，在安排学生实习时存在畏难情绪，不愿意接收到学生到施工现场实习，学生很难得到身临其境的实习、实训机会。在有限的实习、实训时间内，学生无法了解具体的施工环节，对完整的施工过程更是一知半解，很难将实习内容与理论教学内容融会贯通。再者现在学生大多数为00 后的独生子女，怕脏怕累，在实训中学生自我能动性不强，不愿意深入施工现场进行实习、实训。利用VR全景、BIM技术、物联网技术，以智能算法为载体，对施工现场人员、机械、材料、施工方法、施工环境等要素进行分析，揭示、总结数据中隐含的规律，进而实现对真实的施工现场进行仿真模拟，“再现”施工全过程，让学生在虚拟场景中进行人机交互，理解施工建造技术和施工组织流程，这样既可减少理论或实践知识掌握不足造成的设备损坏和安全事故，又可增强对学生的施工操作技能的训练。

考核评价难以反映真实情况。《土木工程施工》课程具有较强的实践性，特别是随着新材料、新技术、新工艺的不断出现，仅凭一张试卷的成绩无法真实反映学生对知识的掌握程度。过去土木工程教学普遍存在的现象是“重理论、轻实践”，对实践教学不够重视，普遍存在的现象是“重参与、少评价”，由于学生人数较多，实习指导教师往往忽略实践教学的过程评价，教师仅根据实习、实训报告对实习、实训结果进行分析和成绩评价，无法判定学生在实践教学过程中的学习情况是否真正完成的实习、实训任务。学生因此也会因实习、实训成绩和评价，错误地估计自身的能力，从而错误地选择学习方式，难以培养高素质工程技术人才。虚拟仿真实习、实训教学可有效解决这一难题，做到实习、实训的过程评价。

2 面向智能建造的虚拟仿真建设

2.1 课程知识体系优化整合

结合行业前沿、市场需求、智能建造的内涵以及工程实践，梳理传统土木工程施工与智能建造的相互关系，用虚拟仿真技术将理论教学与实践教学有机结合起来。在智能建造背景下，在土木工程施工教学中融入虚拟仿真教学内容，教学理念由以说教式的二维讲解转变为真实、生动的三维动画表达，将传统的二维教学方式转变为从三维动画，借助虚拟数字模型，选择科学合理、有效的施工方法和组织。

根据“新工科+智能建造”人才培养的新要求，结合施工企业对智能制造工程师的知识目标、能力目标和态度目标的要求，采用虚拟仿真技术，通过BIM技术和Untiy3D编程开发工具，具象地实现土木工程施工教学中的重点和难点。将土木工程施工分解成施工技术和组织管理两部分，将施工技术构建成地下工程、主体结构、装配式结构、装饰装修等虚拟仿真实训项目。地下工程方面包括土方开挖、土方调配、基坑支护、土方机械化施工、施工降排水、土方填筑、锤击沉桩、静力沉桩、泥浆护壁成孔灌注桩、沉管灌注桩、地下连续墙的施工工艺及注意事项等；主体结构方面包含了钢筋混凝土结构的梁柱模板设计、支设、拆除；钢筋加工、安装；混凝土制备、浇筑完整施工工艺，并且还包含了爬模、滑模、大体积混凝土浇筑的施工工艺；装配式结构方面包含了预制叠合梁、板，预制剪力墙、预制楼梯生产中钢筋绑扎、置模、混凝土浇筑、养护、运输吊装、灌浆等施工工艺；装饰装修包含水电安装工程、室内防水工程、楼地面工程、隔断工程、墙面工程、涂裱工程、吊顶工程、细部构造等施工工艺。在技术虚拟项目里，学生可通过VR眼镜、鼠标既可在虚拟施工场景中查看完整的工程施工工艺，还可点击工程细部构造详细了解构造内容，也可以切换三维操作模式，对场景进行360°旋转、放大缩小和拖动，查看任一个工艺工程的细节，同时配有专业的老师讲解语音和文本，并将文本制作学生们喜闻乐见的二维码，随时随地通过手机终端扫一扫进行学习，还可将施工危险系数较高且难以见到的工程施工工艺流程设计成游戏的形式，并设置成层层关卡，诱导学生深入学习施工工艺相关的施工规范和规程、标准图集等学习资料，使学生掌握实训项目中对应的全部知识内容，使学习不再枯燥。

施工组织管理部分主要以智能建造为主，不仅考虑专业的知识性，还要具有适当的趣味性和挑战性，将传统的课堂讲授转变为VR情景再现，将课堂无法语言表达的安全隐患和伤害引入虚拟现实中，通过高清画面展示、最新语言技术交互，使教学过程更清晰，使得理论教学变得更加真实、形象。同时，对土木工程施工课程设计内容进行重构，除传统的施工组织设计和结构吊装课程设计外，增加BIM、物联网、大数据、云计算、3D 打印等高新技术在建筑领域应用的选题，利用虚拟仿真技术模拟各种工况下施工场景，构建施工虚拟资源，增强学生的时空参与度，增强理论知识与工程实践的融合度，同时有效解决土木工程施工实习、实训场地和时间信息不对称的现实问题。

2.2 虚拟仿真系统构建

顺应智能建造背景，针对土木工程施工教学存在的主要问题，以培养高素质智能建造人才的工程素养和创新实践能力为核心，采用资源共享、校企合作、产教融合等多渠道构建土木工程施工虚拟仿真系统，将智能建造以虚拟仿真形式融入日常课堂教学中，利用学校现有资源和云服务开发施工虚拟仿真系统，结合工程建设全过程，可设置建筑物各结构部分的施工组织节点，融入不同类型的数字仿真内容，结合BIM模型和VR技术的操作演示，使学生真实感受工程全生命周期过程。施工虚拟仿真系统不但可以播放微课及互动教学，还可用于学生实训、练习，进行各种知识点的交互互动。学生可以无时限登陆学习，体会各工序的施工操作要领。同时，学生还可随时向老师留言、提问，形成师生互动。

施工虚拟仿真系统依托云平台提供的丰富素材，通过课程任务将BIM 教学和施工工艺动画（Revit、Flash）融入各知识点，并配有语音详细讲解。教师利用施工现场照片、视频等资源通过三维模型、5D微课的形式360°还原施工场景及操作细节；如在讲授钢筋工程内容时，让学生用国产PKPM、YJK 等软件建立钢筋混凝土框架BIM 结构模型，绘制梁、板、柱及基础结构施工图，通过三维显示、模型旋转、视图切换等方式讲解和练习钢筋识读，并与《混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图(现浇混凝土框架、剪力墙、梁、板)》(22G101系列)进行对照，这样就直观、清晰地想象到钢筋的位置、形状、尺寸、作用及构造要求。同样，在讲授土方工程和基础工程内容时，让学生通过基坑支护、桩基工程Flash动画和VR技术直观了解沉桩、接桩、送桩、截桩等隐蔽工程的施工全过程，让平常施工实习难以见到的隐蔽内容完整地展现在同学们面前。利用虚拟仿真实训，建立土方开挖的BIM模型，通过3D互动，模拟还原土方开挖施工场景，可完成整个施工工艺流程；并形成该基坑的平面、剖面图及土方工程算量，使学生既可以对工程识图部分进行回顾与总结，又可以为后期的施工工艺标准和质量要求提供基础。

这种传统土木工程深度融合信息技术与工程建造，利用声音、图像、动画等多种媒体语言，构建集技术、功能、资源、运行、操作一体化的虚拟场景，与实际生产场景高度拟合。既体现了工程数据真实化、过程虚实一体化，又使纯理论的课堂教学与枯燥的实习、实训变得更加生动和形象；不仅有利于推动土木工程施工与高新专业学科的高度融合，还有利于提高学生的职业意识，提前融入企业的生产中，将来能够更快、更好地适应企业的需求，切实解决学生实践动手能力差，理论与工程实践“两张皮”的共性问题。

施工虚拟仿真系统的构建离不开企业的技术支持，在开发过程中，虚拟仿真实训系统依托工程实际案例及实际施工场景，用真实工程数据，作为模型参数，保证系统的实用性、有效性。通过产学研模式，主动对接生产企业，将企业先进的技术和工艺流程引入课堂。目前，我校与当地20多家施工单位开展校企合作，并聘请30 多位一线工程技术人员担任企业导师，教学过程中，按照企业需求制定内容，制定教学计划，编写实践教学大纲，并持续改进。与企业导师共同实施教学。学生在课前通过图片、视频、实地参观等形式进行课程的预习，课中结合相关的施工图集、规范和规程等学习资料，利用虚拟仿真系统进行线上学习，在虚拟场景中感知、理解课程知识，熟练掌握施工技能。课程后期利用虚拟仿真系统，结合实际工程案例进行施工方案设计并进行汇报答辩。

2.3 教学效果展示

装配式房屋结构安装工程施工学习依据《装配式混凝土结构技术规程》(JGJ1-2014)、《装配式混凝土建筑技术标准》(GB/T51231-2016)、《混凝土结构通用规范》(GB55008-2021)、《混凝土结构施工质量验收规范》(GB50204-2015)、《混凝土结构工程施工规范》(GB50666-2011)进行施工工艺设计。

装配式建筑与BIM 技术是目前建筑行业的热点，首先通过5D 微课学习装配式结构施工工法和工艺标准，以及构件拆分、结构装配方案；然后基于BIM技术，采用三维技术模拟仿真竖向构件吊装、套筒灌浆、现浇节点支模、现浇节点钢筋绑扎、叠合楼板吊装、楼面模板安装、楼面设备管线预埋、楼面钢筋绑扎、现浇混凝土浇筑、混凝土养护、楼梯吊装、外墙处理等20 多个操作工序，并通过人机交互技术，强化学习工艺中涉及的人、材、机等关键要素；最后，从施工技术交底、流程步骤、资源准备、作业条件、质量验收标准、成品保护方面，全面学习混凝土结构装配式结构施工工艺。

通过对2020 和2021 两学年土木工程专业进行了数据对比，结果表明，应用施工虚拟仿真实训系统2021学年教学目标达成度明显高于2020 年(传统的教学方法)，如图1所示。

图1 课程目标达成评价值

从图中数据可知，知识目标、能力目标、素质目标比传统教学的教学目标达成度分别提高了4.74%、17.28%、10.10%。在课堂中融入虚拟仿真技术，构建以学生为主体的教学模式，实现被动学习向主动学习的转变，提高学习兴趣。同时，虚拟技术还可打破时间、空间等教学边界的限制，为学生提供更加灵活、方便的学习平台，极大地提高学生的职业素养，实现学校与企业的无缝对接。

2.4 改革效果

随着数字技术的快速发展，结合智能建造的要求和目标，课程教学中融入了大量虚拟仿真技术，学生对施工的理论知识有直观、深刻的理解，又能增强学生的自主创新意识、动手操作能力、团队协作能力，激发了学生的学习兴趣和潜能，并且为日后的就业提供了热身机会，使学生的综合工程素质得以全面提升。

3 结语

智能建造利用数字技术，减少对人的依赖，达到安全建造的目的，体现了智能时代建筑业的发展新动向。利用虚拟仿真技术和信息化平台，将智能建造融入土木工程施工教学中，既解决了土木工程施工中枯燥无味的课堂讲授，又解决了危险性、可操作性的实习、实训教学难题。同时，利用仿真技术再现施工工艺的教学模式，实现了专业教学理论与实践的紧密结合。