虚拟仿真技术 在建筑施工技术实训教学中的实践

鲍立平 刘继焜

【摘要】本文论述虚拟仿真技术在建筑施工技术实训教学中的应用，指出该技术的特点，探究该技术与建筑施工技术实训课程的结合点，提出虚拟仿真技术与现场实训教学结合、与BIM课程体系相融合、与安全教育相融合的策略，以此解决《建筑施工技术》课程及实训教学的痛点、难点。

【关键词】虚拟仿真 建筑施工技术 实训教学 信息化

【中图分类号】G64 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2022）15-0165-04

建筑施工技术课程是职业院校建筑工程技术专业的一门专业核心课程，该门课程所涉及的大量知识点皆有很强的实践性，而建筑施工技术实训教学是建筑施工技术课程的重要组成部分，是教学活动中的重要一环，可以检验学生的学习收获，也是培养学生实践能力和创新能力的重要手段，对培养学生分析和解决问题能力、动手和实践能力、技术创新以及工程素养具有重要的意义，还能帮助学生更好掌握课程的知识点和专业技能。因此，如何有效提升实训教学的教学成效是广大教师关注与研究的焦点。本文以广西农业职业技术大学建筑工程技术专业在建筑施工技术课程实训教学中虚拟仿真技术的应用为例，进行探讨和研究。

一、虛拟仿真技术及其应用概况

（一）虚拟仿真技术概述

虚拟仿真技术又叫作Virtual Reality（VR），是一种建立在仿真技术之上，通过计算机建立起的系统，而后对另一个真实系统或假想系统进行动态试验，从而实现对其的仿真与模拟还原的技术。虚拟仿真技术具有经济性、高效性、动态性等多种特点，甚至只需一台计算机即可完成全部仿真模拟操作。除了成本非常低廉，虚拟仿真技术可以对静态、平面信息和数据内容进行转化，利用相关程序和命令将其转化成直观立体的三维模型，进而可以有效实现抽象和现实的完美结合。与此同时，虚拟仿真技术具有极高的容错功能，且较少受时空的约束限制。

（二）虚拟仿真技术在建筑行业的应用广泛

虚拟仿技术最早应用于军事领域，如洲际导弹的研制、阿波罗登月计划、核电站运行等方面。直至20世纪70年代中期，虚拟仿真技术开始向民用领域扩展，并从1980年代开始，依托计算机技术的发展大规模地应用于仪器仪表、虚拟制造、电子产品设计、仿真训练等生产、生活各个方面。

目前，虚拟仿真技术在建筑行业应用广泛，尤其是在施工过程中。与其他行业相比，建筑工程施工工序繁多、施工技术复杂、露天和危险作业多，而且建筑的生产往往无法重复进行，能够安全高效地竣工是生产参与者所期望的。这都给建筑行业的教学带来了很大的技术困难。而随着近几年虚拟仿真技术的发展，其在建筑行业应用越来越多，并拓展到教学方面，主要包括下列几个方面。

首先，在建筑工程设计过程中，一般涉及相关专业较多，如果是大型公共建筑则涉及的专业更多。在传统的建筑工程设计中各专业分开进行，最终将各自专业的设计图纸汇总成为整体项目，因此在此过程中经常出现各专业之间的矛盾现象，不但增加施工中统筹的难度还可能造成不必要的浪费。现在很多设计公司或者施工单位施工前引入虚拟仿真技术，提前根据各专业图纸虚拟整个建筑工程，进行各专业的模拟碰撞监测，提前发现其中的不足并及时调整，可以很大程度减少上述问题的发生。

其次，在建筑工程施工过程中，虚拟仿真技术可以整体模拟施工现场包括周围的环境，做到高度和形状都与实际一样，并生成具有声音和动作的仿真特效，场景信度高，可以让施工管理人员在整体规划上提前考虑，全面做好规划，比如场地布置、施工组织设计等。另外虚拟仿真技术可以借助三维动画展示施工中的技术重、难点，可以用于制订施工方案，还可以辅助施工人员培训和学习。而且与真实的生产相比，这部分技术属于难度较低的技术应用，可以用较少的资金实现很好的效果，因此这方面应用已经较为广泛。

最后，在施工安全方面，建筑施工安全是永恒的话题，保证施工人员的人身安全永远放在第一位。目前，多在钢结构施工环节中应用虚拟仿真技术辅助。大型钢结构结构受力复杂，对不同施工方案进行模拟可以保证施工的安全。能对不同施工方案进行模拟，排查消除各种安全隐患，还可以对安全事故进行仿真模拟，让施工人员了解施工之中的危险点并提前做好应急预案。

（三）虚拟仿真技术与建筑施工技术实训课程的结合点

建筑施工技术的实训教学主要包括几方面内容：①砌筑工程。包括砌筑砂浆的制作和检测、砌砖的操作。②钢筋工程。包括钢筋的识别、加工和连接。③混凝土工程。包括混凝土配置、养护和检测。④模板工程。包括模板的安装和拆卸。⑤脚手架工程。包括脚手架的安装和拆除。⑥抹灰工程。包括抹灰砂浆的配置和抹灰施工。另外还有土石方工程、防水工程、其他装饰装修工程等内容。教师通常根据课时安排实训课程内容。要求学生掌握各分部的施工工艺、施工方法、质量标准、安全措施、并能依据规范要求进行质量检验和验收。

上述建筑施工过程中存在不少难点、重点，以及危险的操作，往往都无法在常规的实训室实现。上述教学内容，均可借助虚拟仿真技术辅助开展教学，帮助学生从理论到实践均得到收获。并且可以在节省财力、物力、人力并且保证安全的基础上，让学生更加直观地掌握知识，激发学习兴趣，让学校更好地完成教学任务并取得不错的教学成效。

二、虚拟仿真技术在实训教学中的应用策略

（一）VR技术与现场实训教学结合

一般开设有建筑工程相关专业或者开设建筑工程技术课程的院校会配套建设建筑工程实训中心，规模大小不一涵盖内容不尽相同。以广西农业职业技术大学为例。学校配置建筑工程实训室，比较常规的实训比如砂浆制作、检测砂浆相应强度和指标、混凝土配置和相应检测实验、砌筑施工、钢筋绑扎等实训内容都可以在实训室内完成。可面对如施工场布、钢结构施工、预应力构件制作施工、剪力墙等大型复杂烦琐的施工工艺的教学，以及不断迭代的施工技术，学校的实训条件难以满足学生实训要求。

广西农业职业技术大学根据《建筑施工技术》实训教学的要求，建设建筑工程虚拟仿真实训室。该虚拟仿真实训室主要利用虚拟仿真技术的三维动画技术进行专业技术教学，并根据建筑施工的主要内容购置相应模块，如基础开挖、桩基础施工、模板安装、地下室防水施工、钢筋绑扎、模板安装、混凝土及大体积混凝土浇筑、二次结构施工等内容。这部分虚拟仿真动画教学主要与传统PPT教学、实训室教学相结合，教授专业技术知识点。

为了充分利用教学时间提高教学成效，根据现有的实训条件和虚拟仿真实训室条件，学校多以“四节连上”的方式，让学生在课堂上能够集中精力学习。排课时，学校常采用如下3种方式：①一节课课堂教学+两节课实训室操作+一节课虚拟仿真补充;②一节课课堂教学+一节课虚拟仿真教学+两节课实训室操作;③两节课虚拟仿真教学+两节课实训室操作。在实际教学中多根据教学实际，进行相应的灵活处理，以学习效果为重。

通过引入虚拟仿真三维动画实训室教学，教学出现了如下的改观。

首先，学生的学习积极性有极大的提高。第一表现在出勤率上，学校建筑工程技术专业班学生人数约为45人/班，之前能够达到全勤上课占整个课时量80%左右。加入虚拟仿真三维动画实训教学后，全勤率达90%或以上，很明显学生乐于参与这样的课堂。其次是学生的参与度更高。引进虚拟仿真技术后，纯理论教学的时间减少了。当单纯靠听吸取知识的时间被压缩后，动手的时间相应增加，无论是实训室还是虚拟仿真实训室，学生的参与度更高，更能积极回应老师提出的问题，学生玩手机睡觉的情况明显减少。

其次，利用VR系统的考评结合功能，提升教学评价效果。学校课程的成绩通常包括出勤成绩、平时成绩、实训成绩和最终考试成绩。教师在以往教学中科学评价平时成绩和实训成绩有较大难度。而借助虚拟仿真技术系统配置的考评体系，可以有效解决这个问题，即通过参考每名学生的学习时间、学习次数来帮助教师评估学生的平时成绩。而系统内也可以直接出学生的平时练习题成绩，帮助教师客观给出学生的实训成绩。

通过引入虚拟仿真技术，广西农业职业技术大学的教学成效得到很大提高，最直观的表现就是学生期末考试的及格率和优秀率都有了很大的提升。

（二）VR技术与BIM课程体系相融合

2017年4月住房和城乡建设部印发《建筑业发展“十三五”规划》，持续推进BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）技术的普及，推进其快速应用发展。广西农业职业技术大学组建了BIM实训室用于BIM课程建设，建筑工程BIM课程包括如下模块：BIM建模及应用、BIM造价管理、BIM施工组织设计、BIM5D施工管理、BIM装配式建筑，BIM智能建造等。涉及的软件类型有：Revit建模软件、计量软件、计价软件，模板和脚手架设计软件、场地布置软件、进度计划软件、漫游及碰撞软件等。BIM课程体系同时服务于建筑工程技术专业和工程造价专业等专业，不同专业根据专业侧重点学习掌握BIM课程的不同模块。该课程体系更加侧重于整体，结合虚拟仿真技术可以实现从设计到施工再到使用维护阶段的全过程模拟。

目前，广西农业职业技术大学根据建筑施工技术课程实训教学要求，主要采取开设BIM相应课程或者在相关课程中植入BIM模块以实现VR技术与BIM课程体系相结合。开设《BIM技术与应用》专业必修课，主要学习Revit建模软件，实现整体工程项目的三维建模，与虚拟仿真的局部三维动画相呼应。同时在建筑施工技术课程中加入BIM施工组织设计、BIM5D施工管理模块，在虚拟仿真技术模块中直接进行场布和施工组织设计，并完善了BIM造价管理、施工技术管理体系。

建筑施工技术教学BIM课程体系融合VR技术后，学校教学资源利用实现了最大化，同时，学生利用Revit三维建模建筑施工技术课程实训教学中项目整体管理部分的内容，对整个项目进行了虚拟三维仿真，可以实现各专业的碰撞检查，这在以后的施工管理中意义重大。而场布和施工组织设计都是建筑施工技术的重要组成部分，尽管最后以三维动画展示的形式呈现，但是BIM课程体系的场布和施工组织设计均由学生自主完成，提高了学生对专业知识的掌握程度，增加了学生的学习的探索欲从而提升学习效率。BIM技术与虚拟仿真技术相融合，同时分散到不同课程或者模块中，激发学生的探索欲，进而提升了知识学习掌握的效率。

（三）VR技术与安全教育相融合

建筑施工安全在現场施工中是非常重要的，很多建筑工程施工现场都在醒目位置布置有“安全第一”的宣传标语，但是注意安全不仅是一句简单的口号，更是需要所有在施工现场的人时刻绷紧安全的弦，任何有安全隐患的事情都不能做，所有安全隐患要尽可能地消除和预防。安全事故一旦发生，后果往往不堪设想，同时会带来巨大的经济损失。而安全相关的内容大多数不可能依托现场实训教学实现，在以往教学中主要通过教师的教授，包括口头讲述、照片观察、工地参看等方式。但是没有切身的体会，很难引起学生的特别重视，如在工地现场时仍然存在学生不按规范戴安全帽、无视安全警示标志操作的情况。

引入虚拟仿真技术安全体验到建筑施工技术课程实训教学中，可以让学生身临其境地体验建筑施工安全事故的严峻性，并通过仿真互动对生产安全产生敬畏之心。教学过程中，首先让学生戴好头戴设备、握住手柄，引导其进入虚拟仿真里的工地现场，在虚拟工地里，除了展示完备的生产实景，还设置灭火器、沙土堆等安全生产设施。该系统同时也模拟了洞口坠落、土方坍塌、高空坠落等环节，通过语音提示，让学生学习建筑安全生产知识，并即时指导学生在工地事故发生时做出正确反应，让学生在保证安全的情况下感受到安全事故的严峻性，产生敬畏之心。

通过VR安全体验，学生纷纷表示印象深刻，甚至一部分学生表示感受非常真实，例如洞口坠落等项目不愿意体验第二次。这样，安全警示教育的目的已经基本达到了。同时，学生还依托虚拟仿真技术模拟演练发生安全事故发生时的正确反应，这个体验式教育比单纯地开展纯理论教授效果显著，最重要的就是学生感知施工安全的重要性，对安全生产有敬畏之心。体验过虚拟仿真技术安全体验后的学生再次到工地现场都能够做到遵守施工安全规范要求，这也是施工安全教育的终极目标实现。

综上所述，职业教育承担着培养专业技术人才的重大责任，尤其注重培养学生动手能力和实际操作能力，充分利用虚拟仿真技术可以帮助学生将理论知识与实践操作结合，提高学习兴趣。虚拟仿真教学推动着职业教育的进一步发展，通过沉浸式的体验与学习，学生仿佛身临其境，增加了课堂环境的真实感，可极大提升学生的课堂参与度和学习成效，教学实施效果很显著。但是虚拟仿真技术的引进通常需要较大的资金投入，具体引进的种类和数量还需要决策者多方论证后根据实际情况确定。

参考文献

[1]张天娇，乜勇，万文静.虚拟仿真教学资源的开发及其在职业教育中的应用研究[J].中国教育信息化，2021（22）.

[2]陈佳，邓曦，田静.基于虚拟仿真技术的土木工程施工实践教学改革与探讨[J].现代商贸工业，2021（35）.

[3]张冰，王越.基于校企协同育人机制的土木工程BIM实践基地研究[J].建筑与预算，2021（11）.

[4]林晓星.BIM技术在建筑设备工程及课程教学中的应用研究[J].佳木斯职业学院学报，2021（12）.

注：本文系虚拟仿真技术在《建筑施工技术》实训教学中的研究与实践（YJJ1912）的研究成果之一。

作者简介：鲍立平，广西农业职业技术大学审计室副主任，高级工程师，主要从事工程审计、工程造价、工程管理等研究;刘继焜，通讯作者，广西农业职业技术大学园林与建设工程系建筑工程技术专业负责人，工程师，主要从事建筑工程技术专业教学研究。

（责编 罗异丰）