地铁车站防水虚拟仿真实验实践与探索

赵菊梅，蒋雅君，占玉林，何 畏，郭 春

（西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031）

随着城市轨道交通的快速发展，地铁作为城市轨道交通的典型代表，在城市公共交通运输中所发挥的骨干和主体的作用越来越凸显[1]，但明挖地铁车站的渗漏水现象却屡见不鲜[2]。地铁车站渗漏水不仅影响旅客安全出行和车站正常运营，也会降低结构耐久性[3-5]。相关专业人才培养过程中的教学实践与现实中的防水设计与防水施工客观情况存在诸多矛盾，如工程周期长与实践学时短、工程隐蔽性高与实践难度大等之间的矛盾。

目前，随着信息技术的飞速发展对教育现代化的推进[6]，教育部相关文件[7-8]提出建设信息化时代下的虚拟仿真实验教学项目，以提高学生实践和创新能力[9-10]。为解决明挖法地铁车站工程防水设计与施工周期长、隐蔽性高、教学实践难度大的问题，“地铁车站防水虚拟仿真实验项目”综合利用信息化技术、人机交互技术、UNITY3D等，建设了一个综合性强、交互性好、情景感知强、集设计与施工一体化的虚拟仿真实验系统，实现学生自主设计并通过虚拟环境体验如何将设计方案在施工中具体实现。该虚拟仿真实验系统通过全面模拟明挖地铁车站的防水体系设计、防水施工的全过程，让学生和用户形成身临其境的良好体验[11]。

1 虚拟仿真实验系统架构

1.1 虚拟仿真实验系统的架构

地铁车站防水虚拟仿真实验系统建设依据实验教学内容、教学环节、教学目标、教学实施分为应用层、仿真层、考核层、互动层和管理层。详见图1。

图1 虚拟仿真实验系统架构

1.2 虚拟仿真实验系统的功能

该系统可以为学习者提供理论学习、实践操作、人机交互、自动考核与成绩评定、在线互动与交流等。从人才培养的角度实现学生学习自主化、个性化，在线学习让学生可以灵活安排学习不受时间和地点的局限。

1.3 虚拟仿真实验系统的操作流程

虚拟仿真实验的操作流程如图2所示。学生或社会学习者通过在线远程登录该虚拟仿真实验系统，首先熟悉平台组成，然后开始仿真实验学习，进行仿真实践操作，最后对学习或操作过程以及平台的使用相关疑问和相关话题进行在线互动。

图2 虚拟仿真实验的操作流程

在线开展教师—学生、学生—学生以及师生—专家之间的交流答疑，可以在“操作”完成之后进行，也可以在“学习”之前进行。

2 虚拟仿真实验系统的模块

在熟悉系统操作流程之后，即可开展各模块的学习和操作。该虚拟仿真实验系统主要包括以下模块：设计模块、施工模块、考核模块、交互模块和管理模块。

2.1 设计模块

设计模块主要包括防水体系设计、地铁车站防水等级设计、具体结构防水措施和细部节点防水方法。参考《地下工程防水规范》[12]和《地铁设计规范》[13]，拟定“车站防水等级为一级”。地铁车站防水原则坚持“以防为主，刚柔结合，多道设防，因地制宜，综合治理”。

设计操作开始之前，虚拟仿真实验从俯瞰到平视，全方位地展示了该地铁车站和周边建筑与环境的关系，特别是明挖地铁车站防水施工环境，如图3所示。

图3 地铁车站虚拟环境

地铁车站结构的防水设计是在系统出现的实际地铁工程案例结构图上进行的。该结构是明挖法地铁车站典型的两层矩形结构。每次进入实验，系统会根据国内明挖法地铁车站的埋深范围，随机拟定地铁车站埋深。学生根据上述规范要求，首先进行地铁车站结构防水体系设计，从整体到局部，包括刚性防水和柔性防水以及附近防水层设计。刚性防水即混凝土结构抗渗等级，依据埋深和上述规范确定。柔性防水即防水卷材和部分防水涂料措施。防水体系设计和细部构造防水设计[14-15]均在结构图中完成。

该虚拟仿真实验防水层施工包括了目前的地铁车站工程中出现的卷材防水和喷涂防水两大类，两类措施分别出现在结构的底板、侧墙和顶板部位。细部构造防水设计主要体现在底板和侧墙交接处的倒角、局部加强层、侧墙施工缝的止水钢板[16]和各局部加强层。当学生在虚拟仿真实验防水施工中遇到困难或者忘记具体操作时，可以重新学习“提示”后继续进行。底板、侧墙结构及细部防水设计画面如图4所示，其中字体较大部分项目是通过人机交互完成相应的防水设计。

图4 车站结构底板及细部防水设计画面图

2.2 施工模块

地铁车站防水设计完成之后，在系统判断设计方案无误的情况下，方可进行防水施工操作。施工模块的主要内容包括防水施工环境的仿真模拟、防水施工的实践操作以及防水施工异常问题的处置操作。

虚拟仿真实验中防水施工从地铁车站基坑底部开始，如图5所示。在防水施工虚拟仿真实验人机交互环节，学生首先根据地铁车站的施工过程，对照自己设计的防水方案，根据地铁车站防水施工顺序，在虚拟仿真实验 UI界面右边“设备材料”栏选择相应的防水施工措施或者工具。

图5 地铁车站防水施工（底板部分防水施工画面）

虚拟仿真实验防水施工操作是从基坑底部开始，如图6所示。

图6 防水施工流程图

2.3 考核模块

考核模块包括两部分，即实验操作和测试部分。

第一部分即虚拟环境下的实验操作，包括设计模块和施工模块操作，是对地铁车站防水设计方案和防水施工操作的全面考核。其中：防水设计部分包括防水体系设计、合理的抗渗等级以及整体到局部的防水措施；施工部分包括全部施工过程的每一步具体操作，即车站结构底板、侧墙、顶板的混凝土抗渗等级的确定，防水层的选择、施工缝的防水措施以及局部构造防水施工模拟。

第二部分是学生的实验测试部分。为了考查学生对该地铁车站防水虚拟仿真实验的理解和掌握，该系统在完成防水设计与防水施工操作之后设置了测试环节。测试题目涵盖了理论知识、防水设计、防水施工3大板块内容。该测试以防水施工虚拟环境为背景画面进行。测试完成即可看到系统自动评定的成果，包括评定内容的具体题目及其得分。

系统自动生成的评定报告详细记录了学生的操作并给予相应的说明，包括是否完成、是否正确以及具体得分。

2.4 交互模块

交互模块不仅体现在具体的防水设计和防水施工操作环节，还包括考核、测试和互动交流部分。在设计模块和施工模块，每一步操作如果正确系统会自动允许学生进入下一环节，如果错误会提示参考“学习帮助”，直到完全正确为止。

在施工操作环节，伴随地铁车站防水虚拟仿真实验防水施工的进程，系统智能机器人始终同步播放语音提示，并在UI界面右下方呈现对应的文字说明，帮助学生明确此时的防水施工操作步骤及其具体内容。学生也可以选择屏蔽语音提示，仅阅读文字帮助。界面左下方同时有文字提示，说明防水施工虚拟环境下，如何在UI界面“设备材料”栏进行选择和具体操作。

在考核模块的测试部分，每一道测试题目完成后系统会立即反馈学生“回答正确”或者“回答错误”。

2.5 管理模块

该模块主要分为学习管理和技术管理。管理者分别为教师和开发者。

学习管理主要是教师对学生或教学班的信息、学生成绩以及学习资源的管理。对于学生的各种登录信息和学习痕迹，教师在后台可以进行各类统计和分析。教师可以及时查看学生的学习次数、登录时间和完成情况，发现异常及时反馈和沟通，实施个性化教学及人才培养。学习管理模块也为教师期末进行高效、全面、准确的成绩分析提供便利。学习资源的管理便于教师及时更新和丰富在线学习资源。

技术管理主要是虚拟仿真系统开发者对该系统的日常维护与后续升级改造。开发者是从技术的角度负责系统的运行，及时解决系统使用过程中出现的各种问题，如前期考虑不周的设置、师生使用中呼吁较多的问题，也包括系统的运行速度和相关技术问题等。

3 虚拟仿真实验的教学实践

3.1 学生成绩

经过一学期地铁车站防水虚拟仿真教学实践之后，在线统计学生的实验成绩如图7所示，结果表明，54%学生的成绩为满分100，60%学生的得分在90分及以上，73%学生的成绩在 80分以上。上述数据表明，虚拟仿真教学实践的效果远远好于传统的教学实践效果。

3.2 问卷调查

在地铁车站虚拟仿真实验实践教学实施一学期之后，进行了问卷设计与调查。问卷设计采用“李克特（Likert）五点量表法”[17-20]，即非常赞同、赞同、一般、不赞同、反对。调查内容主要包括学习效果、基本理论知识、实验操作技能、新知识学习、相关课程满意度、对传统实验的有益补充以及学习兴趣等[20]。问卷调查结果如图8所示。因无人选择反对，所以统计图暂未列入该项。

图7 学生虚拟仿真实验成绩统计图

图8 问卷结果统计图

3.3 结果分析

根据虚拟仿真实验的学生成绩，满分学生占比超过一半，说明学生通过该虚拟仿真实验进行学习对知识的掌握较好；而且满分学生中有1/4的同学反复学习的次数为3次或4次，说明虚拟仿真实验增加了学生的兴趣，而且学生兴趣度越高，取得的成绩越好。

绝大部分学生对该虚拟仿真实验系统作出了较高的评价，有超过90%（包括非常赞同和赞同）的同学认为虚拟仿真实验有助于提高对相关课程的学习。

与平台现有其他两个基础型仿真实验比较，75%的学生认为地铁车站防水虚拟仿真实验操作给自己留下了深刻的印象。这说明学生对综合型虚拟仿真实验的兴趣度更高，主要因为该类综合型虚拟仿真实验实现了从设计图到施工实践模拟的全过程，并且施工虚拟仿真实验是学生将个人设计成果应用到虚拟仿真实践中，所以学生对实验的兴趣和关注度更高。

4 结语

明挖法地铁车站防水虚拟仿真实验实现了从地铁车站防水体系设计到防水施工的综合性实验教学，跨越了时空的限制，有效地解决了在实践教学中难以将防水设计与防水施工完全对应和紧密联系在一起的局限。采用该虚拟仿真实验的教学实践结果表明：一方面学生利用该虚拟仿真实验系统灵活地开展自主和交互学习，体现了以学生为中心的学习理念；另一方面，基于人工智能、信息化人机交互和 UNITY3D等技术的虚拟仿真实验实现了虚实结合的实验环境，拓展了学生实验的深度和广度，体现了知识性与趣味性的有机结合、学生个性化学习和自主学习的统一，在培养学生创新精神、实践能力和解决工程实际问题方面效果明显，提升了实践教学的质量和水平。未来将进一步丰富系统内部的资源，并使考核测试题目形式多样化，以更好地实现创新人才的培养。