装配式钢结构在虚拟仿真技术应用过程中的实践与探索

康超

摘要：文章在阐述装配式钢结构与传统钢结构区别的基础上，分析装配式钢结构的教学现状，以及虚拟仿真技术在装配式钢结构教学中的内容，并探讨装配式钢结构在虚拟仿真技术应用过程中的具体实践。

关键词：装配式钢结构；虚拟仿真技术；建筑行业

随着建筑行业的迅速发展，建设项目的建造为周边环境带来了一定的负担，所以建设项目的可持续发展成为当前建筑业的研究热点。在建设项目建造过程中引入装配式钢结构，可以有效缓解资源的消耗和环境碳排放問题。

与常规的建筑形式相比，装配式钢结构的型钢构件可以按照工程建设的要求，优化前期设计方案，通过精密的构件设计和连接节点的合理选择，将构件运输至工地，按照既定的工程计划，拼装并装配构件。这样一来，从设计到完工，工程建设可以充分利用设计、加工、施工、管理等方面的人力和物力，大大减少施工工人的劳动强度，达到节约工程造价的目的。

因为装配式钢结构建筑是预先设计、流程化制作的构件，所以能按照建筑的总体功能和客户的个性化需求，从结构、维护、管线、暖通、防火、装修等方面进行协调和整合，形成一个高质量的建筑结构系统。然而，在当前在装配式钢结构施工管理过程中，仍有许多亟待解决的问题，如构件数量大、种类多，施工场地的管理，施工过程的协调和组织等。同时，装配式钢结构施工还涉及一些特殊问题，不仅包括结构部件的组装，还包括暖通、机电等方面的协调，是一项综合性的系统工程。

一、装配式钢结构与传统钢结构的区别

装配式钢结构施工与传统钢结构施工存在根本不同，其技术关键在于是否通过装配化程度高的方式，将工程的各个部件装配到一起，从而构成钢结构工程的整体。因此，两者在多个方面具有明显的差异。

（一）资源供应端不同

从原材料的购买和分配到加工成钢构件，装配式钢结构工程打破了以往的材料管理方式，向标准工艺流程的工厂化生产转变。因此，在生产过程中，如何选择合适的材料，匹配合适的加工方法，保证钢结构构件的高精度，控制建筑部品的质量，降低构件和材料在组装过程中的耗损，成为装配式钢结构建造新技术需要注意的问题。

（二）施工组织模式不同

针对文明工地管理要求，装配式钢结构的建造需要采用新的施工组织方式进行施工管理，明确工作界面，制订作业方案，合理安排作业流程。与此同时，针对装配式钢结构连接方式与其他结构有所区别的特性，研究钢结构部品之间的连接方式成为装配技术的关键。对装配式钢结构的其他技术性问题，如大型钢构件或者部品的进场问题，构件装配前的存储问题，塔吊的运输问题等，也是现场管理过程中需要调度的。

（三）质量控制、运营维护方式不同

由于建造过程的差异，装配式钢结构工程在质量控制和运营维护上明显区别于常规的工程。装配式钢结构建筑虽然改变了现有的施工方式，能克服常规的施工方式所带来的工期、安全、质量、施工和环境方面的问题，但是无法避免建筑在建造过程中出现的老化、防水、保温、耐久等常规问题，这些问题仍需要持续关注。

二、装配式钢结构教学现状

当前，装配式钢结构的讲授仍然沿用了常规的教学方式，教师先利用多媒体讲授专业知识，以理论结合图像、录像的方式，讲解结构的装配方式，施工过程和现场验收情况等，然后由学生结合学习内容，理解装配式建筑的相关知识点。这样的教学模式可以将理论和实际相联系，但是教学成效并不理想。

高校装配式钢结构相关课程缺乏以实用为主的培养模式的融入，造成高校的装配式钢结构课程理论教学内容丰富，但缺乏实务。这是因为在传统的课堂教学中，教师对学生知识掌握情况的了解比较片面，缺乏个性化的指导。在师生答疑互动阶段，学生对装配式钢结构专业问题的理解相对较少，导致缺乏参与活动的积极性，无法充分发挥学习主动性。此外，受场地、设备等客观因素的制约，在讲解装配式钢结构时，许多教师很难将其内部构造和连接方式通过描述讲明白，缺少系统性的实训操作。

而网络技术与软件技术相结合的虚拟仿真技术，以工程的全寿命为研究对象，能精确地控制装配式钢结构工程生命周期中的每一个阶段，达到节约资源、降低成本、提高效率、绿色环保的目的。高校通过建立虚拟仿真平台，能帮助学生归类和集成各种复杂构件的参量建模与数据，并在项目规划、设计、施工、运营等方面实现信息的交流和传输，打破传统的设计、施工、管理的单一模式，有助于实现业主、设计方、施工方之间的数据互联，提高施工效率，从而大大缩短项目的建设周期，节约建设费用。

三、装配式钢结构在虚拟仿真技术中的应用

与常规教学方式相比，装配式钢结构在虚拟仿真技术中的应用，解决了课上时间利用不足，教材落后于最新行业讯息，理论课时所占比例较大，实训场地不足，实训设备不先进，专业课实训流于形式，安全监管难度大，缺乏创造性的训练等问题。虚拟仿真技术可以让学生借助游戏体验的方式，在实践中感受真实的工作，通过操作掌握专业知识，从而更好地理解和记忆知识点。与此同时，学生可以不受时间和空间的限制，自行阅览资料，反复模拟练习。通过虚拟仿真技术，教师能为学生搭建一个互动的、独立的学习环境，让学生通过语音提示的方式完成作业，并借助数字化平台完成实际操作，使学生可以实时获得操作成绩和作业效果的回馈，从而及时了解未掌握的知识点，并针对性地展开训练。

（一）装配式钢结构构件工厂生产的仿真教学

目前，装配式钢结构构件种类繁多，包括预制柱、预制梁、预制楼板、预制墙、楼梯、阳台等，还有各种形状复杂、不规则的预制构件，而虚拟仿真技术可以模拟出构件的大小、形状、尺寸，让学生获得感性的构件认知。此外。在装配式钢结构的构件制造方法的选择上，有固定工位生产方式和流水线式生产方式，二者的生产特点不同，对场地大小和工人专业技术的要求也不同，教师可以利用虚拟仿真技术模拟零件的制造过程，力求还原现场。

（二）建筑构件工地现场安装流程的仿真

目前，构件在施工现场的施工方式主要有两种。装配式钢结构主要采用型钢梁、柱或者钢桁架等预制构件，在施工现场经过螺栓连接的方式，将预制好的钢结构构件通过节点组装，主要的施工工艺如下：当钢构件进入工地之后，采用起重机械将钢柱安装就位，继而将各个钢柱之间的支撑等体系安装好后，再对预制钢梁进行起吊安装。钢梁就位后，将梁间的支撑系统补充完善，接着安装楼板体系，当楼板采用组合楼板形式时，还要考虑少量的钢筋铺设和后浇混凝土的施工。可见，装配式钢结构在虚拟仿真技术应用过程中的实践，可以通过施工模拟克服现场节点复杂多样、吊装空间狭小、施工时间短等问题，实现安全、优质和高效的建造目标。

（三）装配式钢结构安装方法仿真教学

结合工程实际可知，在装配式钢结构施工安装方法拟定优选中，研究和实践虚拟建造技术，解决施工中的普遍技术难题，极大地丰富了装配式钢结构施工方案优选的手段。在施工现场的装配式钢结构安装的施工模拟中，教师可以采用虚拟仿真技术，模拟施工的安装过程。在模拟系统软件界面的左侧，是实训过程中要使用的教学资源，有施工安装图纸，实训过程中使用的安装规范，施工中技术交底、安全交底，其他教学资源和工作记录等。在模拟系统软件界面的右侧，是工程建设工程的流程。虚拟仿真技术可以根据工程的流程，引导学生进行操作，通过模拟现场工作，使学生很好地理解真实的装配式钢结构安装过程。在模拟系统软件界面的右侧下方，是装配式钢结构的施工准备流程，主要介绍在模拟中使用的原材料和设备。

四、装配式钢结构在虚拟仿真技术应用过程中的实践

教师利用虚拟仿真技术，可以提高学生对专业知识的掌握和理解。在课前，教师公布装配式钢结构教学的内容，学生登录网站预习；在课上，学生进行虚拟仿真练习，同时开展师生互问互答；在课后，教师把课后作业上传到网上，学生也把学习成果上传到网上，通过虚拟仿真技术实现课程的全程评估。

（一）课前准备

在上课之前，教师要将课程资料、虚拟仿真微课程预习资料包上传。通过网络平台开展教学，不仅可以分享教学资料，还可以进行在线作业、考试等教学活动。同时，学生在网络平台上的操作行为会被记录下来，便于教师了解学生掌握装配式钢结构各模块的情况。

（二）课堂实施

以装配式钢结构安装部分为例，虚拟仿真技术提供了大量的三维模拟交互训练和测试，其中有钢柱安装、钢梁安装、外墙面板、钢结构屋面结构、钢结构屋面细部施工等。在3D交互式训练中，教师可以引导学生按照3D交互语音的提示，选取合适的工具箱或材料，完成各个阶段的操作，以呈现装配式钢结构的虚拟仿真全过程。

3D虚拟仿真程序需要学生按照实际训练的步骤模拟测试，这一阶段有利于教师统一管理虚拟仿真平台上的教学，汇总每个环节的分数。通过对学生在虚拟仿真平台系统中的评分结果，教师能很容易地了解学生在工种、工具、材料、机械、位置选取等实训环节中的得分情况，便于教师针对性地辅导。同时，在虚拟仿真平台中，教师可以实时观看学生模拟训练的数据，通过学生的模拟训练报告，了解他们的知识掌握情况，便于在课堂中针对性地进行点评和答疑。

（三）考核评价

在虚拟仿真平台测试结束后，系统会自动记录学生的训练情况和班级的综合得分，方便教师了解测试的结果，学生也可以随时查看自己的测试结果。在虚拟仿真平台上进行测试，既预防了装配式钢结构安装工程需要到工地实地实践的不安全性，又改善了采用真实实训场地成本高和学生不能动手操作等问题。

与此同时，传统的装配式钢结构实训因为设备、场地等条件的制约，学生的作业完成时限都很短，通常是根据课程内容草草完成。而虚拟仿真技术没有明确的操作过程，学生能按照自己掌握的内容自行构建，哪怕操作步骤错误，也不会影响最终结果，学生根据系统的提示修改，并反复操作，能更好地探索、归纳实训过程的经验，养成空间想象能力，并对装配式钢结构的整体结构形成宏观认识。

参考文献：

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[2]王鵬，王玫.虚拟仿真下装配式建筑教学改革与实践[J].实验室研究与探索，2020（4）.

[3]李元齐，杜志杰，路志浩，等.装配式钢结构体系建筑一体化建造技术研发和实践[J].建筑钢结构进展，2021（11）.

（作者单位：山西职业技术学院）