建筑工程虚拟仿真实训室建设探索与实践*

2023-03-10张同钰咸阳职业技术学院建筑学院陕西咸阳712000

砖瓦 2023年1期

张同钰（咸阳职业技术学院建筑学院，陕西咸阳 712000）

《建筑施工技术》课程是中、高职院校建筑工程类专业主干课程之一，面向土建类建筑工程技术相关专业学生及行业学习者开设的，是一门理论面广、实践性强、技术发展迅速的综合性课程，以土建工程施工流程为主线，主要培养学习者对认知、分析和解决工程常见问题的能力，为从事建筑工程技术与管理工作奠定基础。随着计算机建模、云课堂、虚拟仿真等技术的普及和发展，在建筑工程施工中采用智能方法极大地促进了施工技术和管理水平的提高，通过虚拟仿真技术对建筑工程施工进行教学和研究，将创造极大的经济效益，促进技术的进一步发展。

1 建筑工程虚拟仿真实训室建设的基本原则

基于虚拟仿真技术开发的各种建筑类专业实训系统为高职院校建筑类专业实践教学中面临的问题给出了解决方案。通过虚拟仿真技术可以真实还原施工现场，使得学生或直接在虚拟现场中进行漫游，或俯瞰现场整体布置，或洞察详细工艺流程，或模拟事故发生瞬间，或体验整个工程从无到有的建造过程。学生在新颖多样的实训互动模式下，以主动方式对施工技术进行深刻认识、详尽了解、充分体会，既可提升教学效果，亦可增强人才培养质量。

1.1 重视技能培养，注重素质提升

高职院校人才培养与企业需求相适应，在实践过程中注重技能培养，将企业岗位规范嵌入其中，让学生明晰企业岗位需求，缓解人才供需不对称问题。因此，建筑工程虚拟仿真实训室建设应该追求灵活的教学方法及全面的知识覆盖，具备“教”“学”“训”“考”全方位、一体化属性，另辅之以虚拟场景、动画、视频等灵活的现代化教学手段，极大丰富教学内容，增强学生学习趣味。

1.2 规范真实原型，做好顶层设计

建筑工程虚拟仿真实训室建设要以建筑企业真实工程为设计原型，以实际生产过程为开发依据，以企业标准生产工艺流程、岗位分工、安全规范、典型异常工况为研发基础，结合一线工程师和技术专家的工作经验，用目前流行的交互式虚拟仿真技术手段，完全1∶1地将生产一线搬到教室。同时，还应该做好系统定位，是作为教学辅助理论工具还是开展课程操作实训，又或者是为了学生参加相应的比赛。根据想要其发挥的作用，选择各类系统的功能模块。

1.3 明确教学思路，深度结合实际

建筑工程虚拟仿真实训室建设要以学校专业化的教学力量为依托，以企业成熟技术与先进技术应用为基础，直击教学难点，实训系统以融入学校教、学、管、控的教学实践运行模式为指导方针，实现多维仿真和真实场景模拟操作虚拟任务，在虚拟施工场景中的人机交互教学和漫游体验，消除因环境、设备等条件不足引起无法直观教学等教学难题。

2 建筑工程虚拟仿真实训室建设内容及特色

2.1 建筑施工工艺仿真平台

建筑施工工艺仿真平台是基于建筑施工工艺流程和虚拟仿真技术开发的建筑施工工艺虚拟实训系统，利用虚拟仿真技术强大的三维渲染功能，逼真再现了建筑施工场景及其工艺，展现土方工程、基础工程、钢筋混凝土工程、砌体工程、钢结构工程、防水工程、装饰装修工程和节能工程等分部分项工程的施工流程。这部分主要用于建筑施工技术类及相关课程的授课、课内实践和综合实训。建筑工程施工工艺仿真实训平台由工艺视频、工艺实训、工艺规范三部分组成。

（1）施工工艺视频

施工工艺视频主要通过三维动画的形式展现施工工艺的操作细节，教师可以以施工节点为单位，结合工艺视频对施工工艺进行讲解，同学也可以通过反复观看施工视频加强理论知识学习。

（2）施工工艺实训

施工工艺实训是通过虚拟仿真技术展现施工工艺，教师和学生根据施工流程进行操作来完成工艺。一般将完整施工工艺拆分成多个工艺节点，完成当前节点流程才能解锁下一工艺节点，每个工艺节点都会对具体工艺步骤和工艺要求进行详细说明，通过逐一完成所有工艺节点任务提高整体施工工艺技术水平。

（3）施工工艺规范

系统内置施工工艺规范，对工艺操作过程中的技术要求进行辅助说明，也可以由教师将知识点和规范内容相结合，强化施工规范意识。

施工工艺仿真实训系统重点展示各建筑施工过程中施工工艺技术，以单一的施工构件为展示目标，进行施工工艺技术的教学。同时，这个系统还可将完整的施工工艺根据知识点合理拆分成多个施工节点，教师在授课过程中以施工节点为单位进行知识点的讲解。施工工艺仿真实训系统操作包括以下内容：

（1）施工工艺实训系统在操作时可以对界面进行缩放和移动，从而展现工艺细节。

（2）在工艺实训操作过程中增加知识点试题互动，题目内容可针对工艺施工标准中需要学生掌握的知识点展开。

（3）系统中施工工艺操作过程中所用到的材料设备与实际工艺施工所用材料设备保持一致，材料设备均按照实际尺寸进行设计，真实再现工艺操作流程。

（4）工艺施工中各个工艺节点完成以后，学生可以通过重置功能对掌握程度较低的工艺节点进行重置，反复进行工艺练习，熟练工艺技能。

2.2 VR沉浸式安全体验馆

建筑工程是事故高发行业之一，抓好施工建设安全培训工作至关重要。安全体验实训采用蛋椅＋VR眼镜的外界设备进行，主要包括安全事故体验、消防演示、安全防护装备培训、安全帽撞击、安全带使用、安全栏杆推倒、基坑坍塌、脚手架倾倒体验、物体打击体验、高空坠落体验等，基本覆盖现场常见的大部分安全隐患。以实景模拟、图片展示、案例警示、亲身体验等直观方式，将施工现场常见的危险源、危险行为与事故类型具体化、实物化；使受训人员通过视觉、听觉、触觉来体验施工现场危险的发生过程和后果，感受事故发生瞬间的惊险，从而提高安全意识，增强自我保护意识，避免事故的发生，使学生达到自觉加强安全操作的学习目的。学生在体验过程中既可感受现实施工环境，又可以了解到安全知识、应急方案措施、安全防护等。VR 沉浸安全体验馆项目的设立，对于培养、纠正施工管理人员安全管理意识有着非常重要的作用及意义。

2.3 装配式建筑生产施工仿真室

装配式建筑发展日益成熟，建设快而省时且绿色节能，目前已应用于社会各个领域，因而得到了长足的推广。装配式建筑虚拟仿真案例实训平台以实际案例为依托，用虚拟仿真的技术手段将工厂操作搬到实训室，以三维虚拟仿真的表现形式展现给学生，并结合真实的指令操作台来实现完整的操作过程，使学生能够体验到一线操作人员的生产装配过程。

装配式建筑虚拟仿真实训在设计上突破了原有的建筑识图、构造、施工和管理相互独立的教学模式，以装配式建筑一体化建造为主线，设置四大功能模块：构件设计、构件生产、现场装配和安全管理。学生通过体验式、交互式的学习方式，有效地解决装配式建筑施工的实训场地缺乏、危险系数高、资源利用率低、受众面窄等问题。通过实训，可以锻炼学生对装配式建筑的识图能力、构造解析能力、施工组织与管理能力，以及安全事故预防与控制能力，使学生走出校门就能适应装配式建筑生产与装配施工的多个岗位工作，快速成为行业熟手。

3 虚拟仿真实训室的管理系统建设

在虚拟仿真的真实工程建设项目中，学生以个人或者团队的形式扮演建筑八大员中的主要岗位角色，分工协作共同执行各个岗位工作内容，决策不同而决定项目的虚拟施工结果不同，体验真实建筑工程项目施工管理全过程，学生在虚拟仿真系统中通过接近真实的人机交互界面完成实训，同时，提供虚拟实训教学的一体化管理功能，最终能够使学生熟悉掌握施工管理业务流程、岗位工作内容及方法，提高学生综合职业能力。

与虚拟仿真实训室同时建设的还有软件相匹配的相关资源，包括搭建实训指引、实训课件、录播视频、互动教材、3D交互动画、互动教材等阅读、评价、推送、共建共享环境，这些资料一般要基于统一资源标准建模，提供对外开放资源接口，如资源管理系统、著录系统、资源转换与在线阅读等工具，充分利用网络通信技术开放共享，学生可以24h 随时访问虚拟仿真实训室，满足更多学生在平台下自主学习、探究学习、协作学习的学习需求。

从实训室管理角度来说，如果所设专业较多，学校资源建设有余力的情况下建议在应用虚拟化核心技术基础之上，搭建校园面向各专业领域以及各类型实训的网上虚拟实训室，提供一整套虚拟实训教学环境。该系统属于实训教学管理系统，其功能在于向教师提供终端，可进行在线的实训计划、实训安排、实训预约、实训审批、实训执行、结果评价全流程，通过相关软硬件结合实现对实训过程监控、录播、互动交流，同时，兼容实体实训室管理与教学流程。

为了建成合格的建筑工程虚拟仿真实训室，还需要对人员进行足够时长的培训，如实训室管理员、实训教师、实训学生，还有主管实训的相关领导和其他负有监督检查的人员，培训的内容包括设备的操作、软件的注册和使用、仪器的保养和维护、实训的监管条例、场所的安全检查等，以便于教学过程中正确引导和出现问题及时解决。