桥渡设计虚拟仿真教学平台建设方案研究

摘 要：桥渡设计是典型的交叉型学科，内容丰富、实践性强，适合采用虚拟仿真技术辅助开展教学。通过详细梳理课程教学内容、重难点和适宜教学方法，并基于文献分析开展学科发展趋势调研，结合平台服务于教学、科研和工程的目标需求，设计虚拟仿真教学平台架构。进一步根据学科特色，总结虚拟仿真场景应达到的主要效果，并对平台中拟开设的三个仿真实验的内容、目标和逻辑体系进行详细设计。

关键词：桥渡设计;虚拟仿真;教学平台;实践教学;交叉学科

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2024）27-0084-04

Abstract： Hydraulic design of bridges is a typical interdisciplinary subject with rich content and strong practicality， which is suitable for teaching with the aid of virtual simulation technology. Through detailed sorting out the teaching content， key and difficult points and suitable teaching methods， and based on literature analysis， the virtual simulation teaching platform architecture was designed by considering the object of the platform to serve teaching， research and engineering practices. Further， the main effects that virtual simulation scenarios should achieve are summarized， and the content， goal， and logical system of the three experiments offered in the platform are designed in detail.

Keywords： hydraulic design of bridges; virtual simulation; teaching platform; practice teaching; interdisciplinary subject

桥渡设计是土木工程专业桥梁工程方向的专业基础课，以水文学、水力学、河流动力学等水利学科基础课程和桥梁工程基本概念为基础，具有典型的多学科交叉属性。由于大多数土木类院校未开设水利学科基础课程，加之任课教师缺乏水利学科教育背景，桥渡设计课程不得不采用通识教育为主的授课方式[1]，再加上课程内容经验性强等原因，学生难以深入理解课程知识，学习兴趣不浓、教学效果不佳[2]。

虚拟仿真技术应用于教育领域后热度持续走高[3]，但据李澜等[4]的调研发现，在国家虚拟仿真实验平台中，土木类虚拟仿真实验课程在所有专业类目中占比仅约8.28%，且目前尚未见有桥渡设计相关的虚拟仿真实验项目。与传统教师授课型教育方式相比，虚拟仿真技术能显著调动学生学习积极性、增加学生的互动从而加深对课程内容的理解[5-6]。此外，虚拟仿真技术的应用能有效解决桥渡设计实践教学环节受实验场地和现场安全因素制约等问题，让学生能身临其境，克服理论与实践脱节的矛盾[7-9]。因此，虚拟仿真技术是持续提升桥渡设计等课程教学效果的重要发展方向[10]。

本文基于对桥渡设计教学内容和学科发展趋势的梳理，针对课程中的教学重难点，开展虚拟仿真教学内容和平台架构设计，并对拟设置的主要实验项目进行详细设计，为相关虚拟仿真教学平台的建设提供参考和依据。

一 课程内容及发展趋势分析

（一） 课程主要教学内容

桥渡设计课程以服务跨江、跨海桥梁的设计为目标，采用水文分析、水力计算和经验总结相结合的方法，研究涉水桥涵结构物与水沙运动之间的相互作用，推求结构物的设计水流条件，确定涉水结构的布置方式和主要尺寸。课程主要的教学内容一般包括桥位选择、设计洪水分析与计算、桥孔设计、墩台冲刷与基础埋深设计、调治构造物设计五个专题，其中调治构造物在现代跨河桥梁工程中使用相对较少，一般不作为重点教学内容。根据已有教学经验和前期调研成果，各专题主要教学内容、重难点及教学方法汇总于表1。

（二） 学科发展趋势分析

采用文献分析法对桥渡设计领域近期发展趋势进行调研。在中国知网以“桥梁与水流”及“桥梁与洪水”为检索词，收集到2012—2022年发表的中文核心以上期刊论文共194篇，并以这些文献为数据源进行分析。图1显示了每年在重点中文期刊上发表的与桥渡设计相关的论文数量，可见其有逐年略微增加的趋势，表明桥渡设计仍然是工程实践和科学研究中较为关注的重要内容。图2进一步总结了上述论文中出现频率最高的10个关键词，其中“局部冲刷”“冲刷深度”“桥墩局部冲刷”及“冲刷坑”均属于“墩台冲刷与基础埋深设计”研究范畴，“壅水”和“阻水”属于“桥孔设计”研究范畴，“数值模拟”和“模型试验”高频出现表明现有设计方法还存在不足。此外，与桥位设计有关的“河势”“河道行洪”等关键词也分别出现了6次和7次。可见，墩台冲刷与基础埋深设计、桥孔布设和桥位设计等内容是工程实践和科学研究中的热点内容。

二 虚拟仿真教学平台体系设计

（一） 平台架构设计

为满足不同层次的运用需求，虚拟仿真实验教学内容的设计应按照“与课堂教学相结合、与工程实践相结合、与科学研究相结合”的思路，重点关注桥位选择、设计洪水分析与计算、桥孔设计、墩台冲刷与基础埋深设计等内容。根据需要进行仿真的教学内容，桥渡设计虚拟仿真教学平台共设置“桥位河段洪水与自然演变仿真实验”“桥位选择与桥孔设计仿真实验”和“墩台基底设计仿真实验”。为了便于学生掌握桥渡设计的完整过程，对每个学生而言，三个实验围绕同一个工程案例展开，实验内容之间层层递进，前一个实验结果为后一个实验的开展提供基础数据，整个虚拟仿真实验项目的体系架构如图3所示。

（二） 仿真效果构想

根据本门课程的特点，仿真场景中主要包括河道地形、水流和桥梁。其中，桥梁和河道地形应具有直观的三维属性，可以反映现实中主要的地形和地物特征。水流仿真应包括水体和水面。水体采用半透明阴影空间进行仿真，以便于观察水下地形特征，水面应能体现洪水淹没范围，并通过彩色云图和箭头相结合的方式表示洪水流动特征。在桥梁墩台基底埋深设计仿真实验中，其虚拟仿真场景除具备上述特征外，还应加强对桥下局部地形和墩台及基础的局部精细化仿真能力，并具备透视墩台水下结构及覆盖土层情况的能力。

三 虚拟仿真实验项目设计

（一） 桥位河段洪水与自然演变仿真实验

实验借助三维仿真技术直观展示天然河流中发生特大洪水时的场景，使学生直观认识洪水流量、水位、流速之间的相互关系，理解不同类型河流在洪水作用下的自然演变规律。同时，实验提供经验公式法、一维水沙数学模型和二维水沙数学模型等实际工程中常用的水力计算方法供学生使用，使学生掌握不同方法在效率、精度和能力方面的异同，帮助学生认识河流水沙运动求解的复杂性，以及在重大工程中使用先进分析方法的必要性。

实验过程逻辑导图如图4所示。首先是进入实验项目的登录界面，为保证每个学生实验数据的连续性和独立性，需要为每人指定一个独立的账户。实验过程中，学生通过虚拟仿真系统，依次在同一河段上利用经验公式、一维水沙数学模型和二维水沙数学模型求解水流变量和河床变形量，根据求解结果观察洪水流量、水位和流速之间的一般关系，并总结不同计算方法的优缺点和适用条件。实验完成后，撰写实验报告，并将本次分析的工程案例数据保存到系统数据库，以便后续实验中继续依托本工程开展实验。

（二） 桥位选择与桥孔设计仿真实验

本实验在初步认识桥位河段自然演变规律的基础上，通过人机交互自主设计桥位及桥孔布置方案。在此基础上开展设计洪水条件下的洪水运动与河床演变仿真分析，观察洪水与桥梁之间的相互影响和作用，验算桥孔布置方案是否满足规范要求，分析不同桥位方案之间的优缺点。最后，从安全、经济、环境影响等多个角度对比分析不同桥位设计方案的特点，并推荐最优设计方案。

实验过程逻辑导图如图5所示。实验过程中，学生需要根据桥梁基础信息，按照相关规范确定设计洪水频率。在桥位设计仿真实验环节，学生根据本河段的自然演变特点，在河段上依次选择三个比选桥位方案，桥位设计内容包括桥址断面选择和桥轴线方向指定。在每个桥位确定后，通过指定桥梁在桥位断面的相对位置完成桥孔布置。最后，系统调用水沙二维数值模型进行洪水和河床演变分析，学生根据分析结果判断桥梁和河流之间是否存在较为不利的相互影响，完成桥长和净空验算，若桥孔验证不通过，则返回进行方案调整，直至验算满足要求。实验完成后，撰写实验报告，并将本次分析的工程案例数据保存到系统数据库，以便后续实验中继续依托本工程开展实验。

（三） 桥梁墩台基础埋深设计仿真实验

本实验在对桥位河段流场特征和演变规律有初步认识的基础上，通过开展桥梁墩台基础冲刷深度的计算，完成各墩台基础埋深设计。实验过程：首先根据自然演变冲刷深度的确定原则和方法，确定本桥自然演变冲刷深度。其次，分别按照中国规范公式、美国规范公式和新西兰规范公式等依次完成一般冲刷深度和局部冲刷深度的计算，并判断计算结果的合理性。最后，从各方法体系计算结果中选择作为基础埋深设计的冲刷计算结果，再根据冲刷线和各墩台实际情况得到各墩台的设计冲刷线，按照相关规范确定各墩台的最小基底埋深。

四 结束语

本文开展桥渡设计虚拟仿真教学平台建设方案专题研究，得到的主要结论和认识如下。

1）虚拟仿真教学内容的设置应紧密围绕课程教学内容和学科发展方向，以切实提高学生学习兴趣和实践能力为目标。

2）通过对仿真教学内容关系的梳理，初步构建了桥渡设计虚拟仿真教学平台架构的设计，并结合课程特点提出了仿真效果构想。

3）凝练了桥位河段洪水与自然演变仿真实验、桥位选择与桥孔设计仿真实验和墩台基底设计仿真实验三个具体的仿真教学实验，并完成了实验内容、目标和逻辑体系的详细设计。

参考文献：

[1] 陈启刚，卢文良，解会兵，等.桥渡设计课程发展趋势与教学改革研究[J].高教学刊，2022，8（2）：145-149，153.

[2] 王英，项长生，李喜梅，等.基于“专创融合+项目式教学”的桥涵水文课程教学改革初探[J].中国现代教育装备，2022（17）：125-127.

[3] 孙琦.国内外虚拟仿真教学研究进展与比较分析[J].江苏科技大学学报（社会科学版），2022，22（4）：96-104.

[4] 李澜，王吉.高等学校虚拟仿真实验教学现状及趋势研究[J].中国教育技术装备，2022（19）：18-21，25.

[5] 韩娜娜，王仰仁，周青云，等.多元化水文测验实践教学研究与应用[J].教育教学论坛，2018（8）：199-200.

[6] 程聪，吕康乐，丁耀斌，等.新工科建设背景下环境工程实训与虚拟仿真的教学融合研究[J].云南化工，2022，49（6）：113-115.

[7] 田婧，罗通，罗华锋，等.新建本科院校虚拟仿真实验室的建设及教学[J].实验科学与技术，2015，13（6）：219-222，228.

[8] 蒋建清，曹国辉，陈东海，等.应用型地方高校土木工程虚拟仿真实验教学中心建设探索[J].实验室研究与探索，2018，37（2）：144-149.

[9] 文锦琼，肖世维，青思含.虚拟仿真技术在高校不同学科中的应用[J].实验室科学，2020，23（2）：79-82，87.

[10] 胡思聪，黄正，胡峰强，等.虚拟仿真在桥梁抗震课程中应用的研究[J].科风，2021（31）：65-67.

基金项目：北京交通大学校级教改项目“桥渡设计虚拟仿真实践教学项目建设方案研究”（本通〔2022〕75号）;青海省重点研发与转化计划科技成果转化专项项目“柴达木盆地特殊环境公路水毁机理、防治与修复”（2021-SF-161）

第一作者简介：陈启刚（1987-），男，汉族，四川宜宾人，博士，副教授。研究方向为桥梁水动力学与水灾害。