浅谈土木工程仿真模拟实践教学平台建设

李楠

摘 要：土木工程仿真模拟平台具有仿真、交互、低成本、资源共享等优点，不仅可以很好地满足人才培养的需求还可以在一定程度上缓解实验教学资源配置不足的问题，对提升土木工程应用型人才培养质量，具有先进性、针对性和可行性。

关键词：土木工程 仿真模拟 实践教学平台 建设

中图分类号：G71 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）03（c）-0200-01

土木工程专业具有实践性强、与工程实际联系紧密等特点，而工程实践能力的培养不仅是工科教育的重要内容，也是检验素质教育成效的关键性指标。开展以计算机仿真模拟技术为平台的土木工程类专业实验教学改革，不仅可以很好地满足土木类人才培养的需求，克服传统实验教学中的教学方法单一、知识学习和实验动手操作相互分离的缺点，还可以在一定程度上缓解教学资源的不足。国内土木类相关院校工程仿真模拟实验教学改革的研究较少，本课题研究具有一定的先进性和前瞻性。

1 研究思路

本课题选择土木类专业课程中最具代表性的房屋建筑学、钢筋混凝土结构、建筑施工、工程造价等相关实验进行仿真模拟。在深入研究土木专业培养目标和主干课程实验教学大纲基础上，深入到建筑工程现场收集工程质量检测图片、录像素材，购买各类工程微缩模型，再通过文本、图形、图像、音频、视频等媒体手段和现代媒体技术构建土木工程仿真模拟实践教学平台，以形象、直观、生动的形式引导学生理论联系生产实际，提高综合分析问题的能力，满足建筑土木专业应用型人才培养的要求。

2 研究成果

2.1 房屋建筑学模拟实验单元

通过该单元的设计使学生能获得直观的学习效果。设计程序可根据不同的工程类别（民用、公共、工业建筑）对结构构件进行分解，并能显示各构件名称，学生能非常直观的掌握某一构件在实际结构中的确切位置，系统还可按照不同部位提供各构件的三维模型，学生能更好的掌握各类构件的受力特点和使用条件。程序可提供绘图功能，学生能根据教师布置的作业要求，完成相应的作业或课程设计，并能网上提交，减少图版绘图的工作量，培养学生使用现代管理工具的能力。同时，为解决学生现场实习难的问题，购买各类建筑结构构造的实体微缩模型，包括从组成上分类的基础、墙体、屋面、节点、变形缝等构造，同时也包括了按结构类型划分的钢结构、混凝土结构、砖混结构、高层建筑等，从而建立比较完善的建筑结构构造模型室，学生可以不到施工现场便能了解各类结构构件的构造原理及实物，大大提高学生实践认知能力。

2.2 钢筋混凝土模拟实验单元

钢筋混凝土结构实验模拟教学系统研究结构实验的任务是基于结构基本原理，使用各种仪器，仪表和实验设备，对结构物受力后的性能进行观测，如变形，应变，温度，振幅，频率，裂缝宽度等。了解并掌握构件的力学性能，为验证和发展结构理论提供实验依据。钢筋混凝土构件力学仿真模拟试验以实际试验数据为依据，通过数据库及FLASH技术再现整个试验过程，随时为学生提供试验环境，克服了以往提前预制试验构件的困难，学生输入构件的几何尺寸和混凝土标号以及钢筋的布置，系统便可进行仿真试验，并显示裂缝的变化和挠度的变化，使得试验更直观，试验结果可以和学生在试验前的计算结果进行对比，培养学生现代科研的能力，同时也能降低学校开设传统试验课程的费用成本。

2.3 工程管理模拟实验单元

结合工程管理实践教学，突出工程造价管理、招投标管理、施工现场管理等三个方面的特色。工程造价模拟实践单元能完成工程建模、工程量计算、工程计价等教学过程，能够完成课程设计、毕业设计等实践教学环节。主要开发了以下软件：（1）图形算量软件。具有与CAD互导功能，即可以根据CAD绘制的施工图纸导入到图形算了软件完成从2D到3D的转化，从而进行算量。（2）钢筋算量软件。钢筋工程量的计算是工程量计算中最为复杂繁琐的部分，通过钢筋的计算和3D模型的实现，加强学生对钢筋混凝土结构施工图的理解，特别是101图集的应用能力。（3）清单计价软件。利用计算机模拟实际工作中的套价计价工作。（4）招标投标模拟系统。能够实现与造价软件的对接，模拟招标投标全过程即从发布招标公告到中标通知书下达全过程。使学生参与到招标投标活动中，并扮演不同的角色：招标人及评标方（招标文件编制人、评标专家等）、投标人一方（项目经理、投标文件编制人等）。同时模拟系统还提供三维现场施工布置图的设计。学生能进行施工现场的布置，并且能根据一定的要求完成有关施工现场布置说明文档的编制。学生还可以编制进度计划和成本计划，模拟合同的签订流程、执行及终结情况，并根根据假定情况模拟工程进度及成本的执行情况，进行跟踪对比，完全达到建设工程招投标的仿真教学效果。

2.4 数值仿真模拟实验单元

对高年级专业学生开放数值模拟试验。它是指利用商业通用程序，对土木类相关专业课程教学试验及课程有关重点难点内容进行数值模拟和仿真分析，对数值模拟过程及结果以多媒体形式进行演示。数值模拟和仿真技术发展非常迅速、应用极广泛。以有限元分析方法为基础的工程数值模拟技术在结构工程、力学、桥梁及抗震工程等领域的科研工作中得到普遍应用，是土木工程相关科学专业的重要研究手段，国内外目前已开发了大量的商业通用软件，如ANSYS、ABAQUS和SAP2000等软件的影响应用较为普遍。

由于本科专业课程所涉及到的问题均不属于复杂和前沿问题，所以采用数值模拟技术和数值模拟程序可以有效实现重点和难点的讲授，对专业基础课更有优势。对于力学类课程，如弹性力学和结构力学课程，所涉及到一般均线弹性问题，很少涉及非线性问题，因此，在数值模拟技术方面是较为简单和易实现的。对钢筋混凝土结构、高层建筑结构、钢结构及工程抗震设計等专业课涉及到的主要问题也较容易实现。我校目前在数值模拟试验方法教学中已能运用两种以上商用软件开展数值模拟试验的应用和二次开发，并弥补由于试验室条件限制而无法或很难开出的实验。高层建筑结构设计等课程中采用ANSYS、ADINA和ABAQUS等商用有限元程序开发重点及难点问题的多媒体课件。由这些内容制成多媒体教学课件，在课堂讲授，学生较容易掌握和理解，教学效果非常好。

3 结语

土木工程模拟仿真实践教学平台的不断建设并适时引入专业课实验教学中，改变了传统的教学手段，既可开阔学生视野、扩大学生知识面，又能提高学生学习专业课的兴趣和主动获取知识的积极性，加深对专业理论知识的理解。这项研究还的进一步探索和研究的空间，同时在土木工程验教学中将工程仿真试验和真实试验相辅相成、优势互补，能够不断提升实验教学效果，实现土木工程应用型人才培养的目标。

参考文献

[1]张利.土木工程专业仿真模拟实验教学系统研究[J].华北科技学院学报，2010.

[2]王仪.结构仿真试验在土木工程教学中的作用[J].高等建筑教育，2007.