土木工程类非破坏性实验虚拟仿真项目建设——以简支钢桁架梁静载实验为例

占玉林，岳凡凡，叶华文，冯 岚，徐腾飞，邓开来

（西南交通大学 土木工程学院，土木工程国家级实验示范教学中心，四川 成都 610031）

虚拟仿真实验教学顺应了教育信息化的发展趋势和现实需要，必将对高等教育质量的提升和实验教学改革的深化，产生积极而重要的影响[1-2]。目前，国外很多大学均开设有交互式虚拟仿真实验，根据各实验的特点和要求，构建结构化的虚拟实验室，为学生开展实践性学习提供实验条件，很多大学也早已实现基于互联网的远程虚拟教学；在国内，教育部于2013年 3 月颁布的《教育信息化十年发展规划（2011—2020 年）》提出了建立具有中国特色的教育信息化体系，对高等教育信息化建设提出了发展目标与基本要求，国内高校也逐渐重视教育信息化建设，而具有代表性的虚拟仿真实验教学建设也正处在初步发展阶段，未来仍要面临很多的挑战[3-5]。

实验课程作为培养创新型人才的重要环节，实验教学在这一过程中起到重要的作用，对于学生的创新和创业能力培养尤为重要。结合土木工程类专业的实践能力培养要求，相关的实验教学有理论性强、实操性高、动手频繁等特征[6]。在土木工程大类培养方案中，“土木工程试验与量测技术”课程是一门重要的实验教学课程，而“简支钢桁架静载非破坏实验”又是极其重要的一个环节，同时该环节又是“钢结构设计原理”“钢桥”等课程的实践环节。然而，由于简支钢桁架静载非破坏性实体荷载实验具有体量大、实验准备时间长、危险性高及测试内容多等特点，限制了学生对实验的参与度，导致学生在实体实验中缺失了对结构荷载实验很多重要环节的了解和认识[7-13]。同时，该实体实验服务对象众多，师资相对缺乏，且实验对象较为固定单一，而“简支钢桁架静载非破坏性虚拟仿真实验平台建设”可以有效地解决这一矛盾，与实体实验形成良好的互补。因此，有必要构建简支钢桁架静载非破坏性虚拟仿真实验平台，使学生能够运用所学课本知识在平台上独立进行虚拟仿真实验，之后再进行典型或者分组实体实验，以“虚实结合、能实不虚”为总目标开展虚拟仿真实验，从而大大提高实验教学的伸缩性和扩展性，加快了高校土木工程类专业虚拟仿真实验教学的改革与创新。

1 虚拟仿真实验教学平台的建设内容

1.1 虚拟仿真实验教学平台的构建原理

该实验系统的基本原理主要是依托土木工程专业的两门重要课程——“钢结构设计原理”中的桁架计算理论和“土木工程试验与量测技术”中的静载试验理论，同时还涉及 “建筑材料”“钢桥”及“桥梁建造技术”等课程的相关知识。基于课程的理论知识，运用多媒体技术，利用计算机对多媒体信息进行处理从而构建逼真的二维和三维场景，运用可视化技术将大量数据以图形或图像的形式在屏幕上展现出来，运用虚拟仿真技术和增强现实技术构建“虚拟现场”和“虚拟环境”，为学生提供一种身临其境的感受。虚拟仿真实验平台从原理上真正落实了“虚实结合、能实不虚”的中心思想，增强学生的实验体验，加深学生对实体实验的认识和理解，进一步推动土木工程类大型不易操作的实体实验的开展。虚拟仿真实验教学平台的构架总体思路如图1 所示。

图1 虚拟仿真实验平台的构架总体思路

1.2 虚拟仿真实验教学平台的内容

结合土木工程培养方案和课程大纲，简支钢桁架静载非破坏性虚拟仿真实验平台建设的主要内容框架如图2 所示。该实验系统主要包括：

（1）构件理论计算。根据“钢结构设计原理”“钢桥”课程中所学的计算理论知识完成桁架特征计算，包括构件的弦杆荷载、腹杆荷载、控制断面的应变和挠度计算及变形形态分析等。

（2）实验方案设计环节。根据计算的桁架特征值，并按照“土木工程试验与量测技术”课程中的相关理论知识设计实验加载方案和量测方案。加载方案的设计需要考虑确定桁架的正常使用极限荷载，量测方案应包括弦杆及腹杆的应变测点布置、节点区附近的杆件应变测点布置以及挠度测点布置等。

（3）实验准备环节。实验准备环节涉及了“建筑材料”“钢桥”及“桥梁建造技术”课程中的施工知识和材料强度试验知识以及“土木工程试验与量测技术”等课程的结构变形测试的相关知识。首先，通过视频及图片演示桁架制作流程，包括对设计图纸的解析、型材下料加工、桁架焊接、实测材料强度等过程。构件制作演示视频结束后，学生在交互式的操作系统下完成安装构件及加载设备（包括支墩、支座、构件、分载梁、千斤顶、荷载传感器等）、粘贴电阻应变计、连接应变量测仪器、布置安装挠度测点及测试仪器等任务。

（4）实验加载测量环节。在交互式操作环境下，按照既定的实验加载方案以虚拟仿真方式操作千斤顶加载系统对桁架施加荷载，并测量和记录应变、挠度等数据。

（5）数据分析处理及评定。根据“土木工程试验与量测技术”课程中相关的数据处理分析及工作性能评定等理论知识对测试的数据进行分析处理，得到能够评定结构性能的相关参数，并通过计算数据对构件的安全性等指标进行评定。

图2 虚拟仿真实验平台主要内容

2 虚拟仿真实验教学平台的功能

图3 桁架设计

简支钢桁架静载非破坏性虚拟仿真实验平台能够体现大型结构实验的所有环节，涵盖了从实验方案设计到实验构件安装和实验加载及数据采集，直至最后的实验数据处理分析及工作性能评定的全过程。该实验系统为综合设计型，最大的特点是高真实度地再现了实验场景，学生可以在实验系统中体验到身临其境的感觉。而且，在交互式实验操作过程中，学生通过操作键盘及鼠标等，真实模拟安装构件及加载设备过程，模拟应变、挠度等测试仪器的安装、调试、测试过程，并模拟加载及数据采集过程。通过虚拟仿真实验，学生能够全面了解和掌握大型结构实验的全过程，充分体会结构实验各个环节在整个实验中所起的重要作用，将“钢结构设计原理”“建筑材料”及“土木工程试验与量测技术”等课程与虚拟仿真实验有机地结合在一起，实现“虚实结合”，完成从理论认知到创新应用的质变。学生实验前预习整个实验流程，并对实验对象进行理论计算，完成预习报告；上机后首先完成实验的规划：桁架尺寸的确定、构件的选择、材料强度选择和加载方式的设计。然后，学生进入实验的安装及操作环节：安装支座、防冲击保护装置、桁架、加荷装置千斤顶、挠度测试仪器、应变测试传感器和连接设备。最后，学生进入测试环节：按设计的加载程序加载、读取挠度值和应变值，循环加载过程，直到实验完成。学生完成虚拟仿真实验后，再进行实体实验，通过虚实结合，相辅相成地系统掌握结构静载实验全过程。最后，结合实体实验获得的真实的静载测试数据，并对其进行分析计算，评定结构的工作性能及安全性能，完成完整的实验报告，提交教师审核并综合评分。

2.1 学生交互性操作步骤说明

（1）进入实验系统，登录个人用户；

（2）进入实验设计环节，设计桁架（不同尺寸、不同型材），确定实测材料强度，如图3 所示；

（3）设计加载程序，如图4 所示；

（4）选择自己的实验分组号；

（5）实验方案完成后进入实验教学环节。

2.2 实验准备及实施环节

实验环节的操作界面是真实实验环境的虚拟界面，如图5 所示。该界面可实现人机交互，通过使用鼠标、键盘控制虚拟场景中的“自己”，如图6 所示，完成一系列的人物动作，包括行走、转向、抬头、低头、拿起、搬运、放下、校位、按钮、粘贴、连线、加载、读数等，学生通过交互式操作系统自行完成整个实验流程。该环节为整个实验的中心环节，包含的操作步骤多达数十个。

图4 材质确定及设计加载程序

2.3 实验主要步骤

（1）观看构件制作视频。

（2）构件及加载设备安装，安装顺序为支墩、支座、构件、分配梁支座、分配梁，其中包括支墩及分配梁支座的定位，如图7 所示。

（3）测量仪器的布置与连接（步骤顺序不分前后，可交叉进行）：①应变测试的测点布置及仪器连接，主要包括布置应变测点、布置补偿测点，测点布置完成后连接应变仪等，如图8 所示；②挠度测量仪器的安装，主要包括百分表支架及百分表的安装。

图5 实验整体操作环境

图6 操作控制方式

图7 实验加载设备安装

图8 位移传感器布置及应变仪的连接

（4）打开压力传感器及应变仪开关。

（5）按照加载程序进行加载并测读应变、挠度，主要包括：①点击加载千斤顶，按设定的加载程序进行加载，如图9 所示；②对于应变、挠度的观测（顺序不分前后），点击应变测试主机屏幕，读取应变数据并记录，点击所有百分表，读取数据并记录，如图10所示；③重复以上两个步骤直至完成所有级别加载。

图9 加载控制界面

图10 应变测试挠度观测示意

（6）在用户完成了整个加载程序，或者直接终止了实验后，系统会跳转至实验结果界面。该界面主要由系统通过智能分析操作数据、读取结果等得出，如图11所示。至此，已完成实验的主要步骤，如图12 所示。

图11 实验结果界面示意

2.4 实体实验及成绩评定

完成虚拟仿真实验后进行实体实验，学生对实测数据进行分析计算，评定结构工作性能，完成并上传实验报告。简支钢桁架非破坏性实验的最终成绩组成及考核标准见表 1。教师根据学生的实验出勤、课堂测试、虚拟仿真实验、实体实验及提交的实验报告进行综合评分。

图12 实验主要步骤

表1 简支钢桁架非破坏性实验成绩组成及考核标准

3 虚拟仿真实验教学项目的应用效果

通过虚拟仿真实验系统，学生能够了解和掌握“土木工程试验与量测技术”课程中所涉及的实验与检测理论知识和仪器设备的使用方法，全面认识结构荷载实验的全过程，并通过实验中的构件进行计算分析，以及实验方案设计，从感性上更深刻地掌握“钢结构设计原理”中所涉及的理论知识，最后结合实体实验获得真实的静载测试数据（特别是在虚拟仿真系统下无法真实模拟的节点区附近对杆件应变的影响的观测结果），并对其进行分析计算，评定结构的工作性能及安全性能，完成完整的实验报告。简支钢桁架静载非破坏性虚拟仿真实验平台按照规划的实验教学建设框架，面向土木工程学院土木大类专业3 年级及以上学生，注重理论结合实践和师生之间的互动，实现高危、无法进行的实验和生产实习。2018 年，本项目成果获批国家级虚拟仿真项目，初期受益学生约1 500 人，随后逐年递增。该实验系统应用中体现虚拟仿真教学的优势有以下几点：

（1）实验方案设计思路。依托虚拟仿真技术，打通大型工程结构实验全路径教学过程。原型工程结构尺度数十米，传统实物缩尺模型实验存在体量大、周期长、风险高、单次实验服务对象有限、对指导教师依赖严重等缺点。虚拟仿真平台的建设立足二十余年教学积累，依托虚拟现实技术，实现了在有限课时内让学生参与到实际大型工程结构模型实验的“方案设计、构件制备、设备安装、测点准备、加载实施、数据测试、实验复位、分析评价、报告编制”全过程。

（2）教学方法。采用交互式技术，实现多任务、可重复式操作，提升学生实验参与度。传统实物模型实验准备周期长、大型设备动用多、学生组建团队及自行指挥整个实验流程难度大。以我校每年级600 名土木学生的规模为例，学生真正动手参与的环节受限。本项目中全过程使用人机交互技术，学生可完成装配、贴片、加载、读数等多任务操作，并能多次反复使用程序训练结构试验技能，在虚拟环境中实现了“人人动手、全面参与”的教学目标。

（3）评价体系。构建层次化模块结构，多方位训练土木工程核心实践能力。在我校土木人才的培养中，专业核心能力的训练已从“测、绘、算”拓展为“测、绘、算、研、管”5 大核心能力。本项目中设置有“实验设计、实验准备、加载测试及分析评定”4 大模块，除基本的挠度测试、应变测试外，对实验方案研究、实验方案绘制、实验实施组织管理、实验加载参数计算和实验结果分析、实验现象分析和研究、结构性能评定等能力均实现了有效训练，全面对接培养创新型土木人才的目标要求。

（4）传统教学的延伸与拓展。贯彻“能实不虚”，突出“虚实结合”，有力引导学生培养创新思维。学生借助虚拟仿真项目开展实验的“预习、实操、复习”过程，并有多维度实验评分作参考。结合课内4 学时实物实验，在虚实结合模式中提升了学生对结构设计原理、结构测试知识的理解。4 年多的教学应用效果反馈，学生实现了从单纯“完成实验学分”到更深入“思考实验现象”“创新实验方案”的转变。本项目依托国家级虚拟仿真实验教学中心教学平台实现了开放运行，促进了学生实践创新能力的培养。

4 结语

虚拟仿真实验教学项目具有实验条件便利、安全性高和实验成本低的优势，在高校实验教学中具有越来越重要的地位。虚拟仿真教学系统以“虚实结合、能实不虚”为总目标，具有开发灵活、摆脱时间与空间的各种限制等优点，在高校经费投入有限的条件下，通过虚拟仿真实验教学平台实现实验资源共享、人尽其才、财尽其力、物尽其用，不仅是推动高校实验教学改革与创新的重要方向、优化实验教学资源结构的重要途径，也是高等学校实验教学发展的趋势。