桥梁动静载虚拟仿真实验教学平台的建设及应用

张 吉，陈建兵，张鹏飞，翟慕赛

(苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州 215011)

0 引言

在土木工程专业道桥方向课程教学体系中，“道路与桥梁工程检测技术”是一门重要的实验教学课程，而“桥梁动静载试验”(也称“桥梁荷载试验”)是课程涉及的重要教学环节之一。桥梁荷载试验通过加载试验，记录桥梁结构在荷载作用下的反应，是评估桥梁结构技术状态及承载能力的必要手段，同时也为日后养护、维修、加固等决策提供科学依据和支持[1]。荷载试验各流程中，测试系统组建及试验流程控制是“道路与桥梁工程检测技术”“测量学”等课程重要的实践拓展，而方案编制和结果分析评定又综合涵盖了“材料力学”“结构力学”“桥梁工程”等课程的理论知识。因此开展“桥梁动静载试验”的教学不仅可以使学生掌握相关专业知识，更能有效促进学生多课程知识点的融会贯通，强化能力的塑造，为学生今后从事桥梁工程相关工作打下坚实基础[2]。

桥梁动静载试验规模大、投入成本高，对实验室条件要求极高，难以在实验室完整重现整个试验过程，通常采用观看视频的方式替代，但是学生的参与度及体验感均较差。同时，实践教学面临危险性高、试验周期长、工序复杂等困难[2]。一方面，试验现场环境复杂，且由于测试内容和对象的特殊性，必须关闭正常交通，荷载试验大多在夜间完成，与课时设置存在冲突。另一方面，即使部分学生能观摩或参与现场试验，也只能接触部分试验内容。学生很难通过视频、参观等传统方式全面掌握桥梁动静载试验涉及的所有工程技能。

为解决上述问题，本文将虚拟仿真技术应用到桥梁动静载试验教学中，利用Unity 3D仿真技术，开发了桥梁动静载虚拟仿真教学平台。将桥梁动静载试验移植到虚拟环境中[3]，使不易完整展现的复杂试验过程变得可重复、可分析、可探索，使学生对桥梁动静载试验各重要环节有更完整的认知和理解。虚拟仿真教学平台通过提供具有良好沉浸感、临场感、交互感的虚拟仿真场景，创造真实的学习体验，激发学生的学习兴趣。同时，教师可以通过系统后台的操作数据和反馈信息，及时了解学生的掌握程度，对教学效果进行实时评估。

1 虚拟仿真实验教学平台建设内容

1.1 虚拟仿真实验教学平台的设计

桥梁动静载虚拟仿真实验平台以连续梁桥为对象，基于真实工程项目中积累的设计资料及实测数据，通过对真实桥梁动静载试验流程及技术环节的虚拟仿真，辅以大量交互练习及操作，强化学生对动静载试验相关知识点的理解和认知，包括试验方案设计原理、测试设备布设原则、加载组织实施流程及结果评定准则等。

利用Unity 3D仿真技术建立包括桥梁及周边环境、加载车辆、测试仪器、现场实施人员等在内的三维模型，将现实中的桥梁动静载试验进行全流程仿真模拟。在过程中对学生操作进行实时引导、评价和打分，将所有步骤进行记录，得出试验结论，并结合桥梁缩尺模型、测试系统等硬件设备，最终完成桥梁动静载试验各阶段的学习。具有“能实不虚、虚实结合”的鲜明特色，让学生能够“身临其境”地参与到桥梁动静载试验的各个核心流程。

静载试验中，加载车辆的数量及位置由静载试验效率系数η控制，η为试验施加荷载产生的作用效应和设计荷载作用效应(考虑冲击)的比值[4]，对于验证性试验η宜介于0.85～1.05[1]。本虚拟仿真平台中，所有桥梁模型均依据商用有限元软件Midas Civil计算的影响线进行合理加载方案的车队布设。

1.2 虚拟仿真实验教学平台的组成

结合土木工程专业培养方案和课程大纲，桥梁动静载虚拟仿真平台的框架结构如图1所示。本虚拟仿真教学平台在使用中设置了“试验准备”“漫游模式”“自学模式”“自测模式”4种模式，各自的功能如下。

图1 虚拟仿真实验平台系统架构

(1)试验准备。该模式主要服务于教师对桥梁荷载试验原理的讲解。结合文字及图表，详细介绍“桥梁工程”“道路与桥梁工程检测技术”等课程中与桥梁荷载试验相关的理论知识，包括试验的目的及内容、预应力混凝土连续梁桥力学特点、构造特点和适用范围等。

(2)漫游模式。为了便于学生快速认知试验场景、对象及设备，漫游模式提供了“地图导航”和“漫游观察”两种查看方式，并给出了切换视角的快捷操作指南。学生可通过“地图导航”查看关键局部位置，通过“漫游观察”自由鸟瞰完整场景。

(3)自学模式。桥梁荷载试验步骤繁多、涉及多门课程知识，自学模式下将利用知识要点、考题测试和系统提示，协助学生完成全过程的交互式操作。帮助学生形成对分级加载流程、安全控制措施及数据采集过程的认知，整体掌握方案设计阶段所涉及的理论知识。

(4)自测模式。该模式用于考核及评价学生对桥梁荷载试验全流程的掌握程度。学生可自主选择测试仪器种类、布设位置，判断加载车辆数量、位置及车速，主导整个测试过程。通过动态监控和实时评判机制，后台自动记录学生的所有互动操作并评定成绩。仿真实验结束时，系统可自动生成详细的成绩分析报告，便于教师实时分析教学效果、调整授课重点。

2 虚拟仿真实验教学平台使用流程

本虚拟仿真系统包括“试验知识准备-试验方案设计-测试设备布设-加载组织实施-试验数据整理”的全流程模拟，并尝试变换结构关键设计参数、测量仪器类型、加载方式等30个操作步骤(静载20个，动载10个)来强化学生对各关键流程的认知。

2.1 静载试验主要步骤

2.1.1 静载试验理论知识准备

桥梁静载试验的加载方案会随着待测桥梁设计参数的变化而变化。为了帮助学生更熟练地掌握荷载试验，平台基于真实桥梁设计参数，针对变截面和等截面连续梁桥分别设置了3种跨径布置、9种截面形式，共18座桥梁模型以供选择。

首先，学生选定待测桥梁参数。其次，通过图文表述及三维模型，认知静载试验工况及测试截面的选定原则、试验车辆轴重及轴距，掌握桥梁设计荷载取值及基于内力影响线的布载原则。最后，学生须完成相应知识点的考核。考核内容的设定基于方案设计阶段的实际流程，包括设计荷载作用效应有限元计算结果分析、基于影响线的加载车辆位置确定、静载试验效率计算等。考核结束后，系统会针对学生的错误选择给予自动反馈说明，引导学生自主发现和解决问题，并确保学生能够完整掌握静载试验方案设计阶段所需的理论知识。

完成上述交互性操作后，学生可点击“过程演示”按钮，激活桥梁静载试验实拍视频，并同步展示在本虚拟仿真系统中与之对应的操作流程录屏，如图2所示。

图2 实拍视频及操作录屏同步过程演示

2.1.2 测试设备布设

完成对试验流程的认知及理论知识的掌握后，学生根据提示在试验设备窗口选择合适的应变测试仪器(包括：电阻应变计、光纤应变计、振弦式应变计)以及挠度测试仪器(包括：全站仪、光学挠度仪、电子水准仪)。学生选取每种测试仪器，均会有弹窗说明相应仪器的原理，应变测试仪器还会展示测点布置图示；学生点击“安装”后，会在桥上相应位置激活三维安装动画，界面右侧也会同步展示实物操作视频。

2.1.3 加载方案设计

本系统共设置了4个加载测试截面，包括：S1(边跨正弯矩最大)，S2(全桥负弯矩最大)，S3(中跨正弯矩最大)，S4(全桥剪力最大)。以S1截面为例，学生点击“S1加载设计”，场景中桥梁相应位置出现光标动画；学生点击光标动画，弹出该测试截面影响线，学生参考影响线设计该测试截面的加载方案，并用鼠标点选合适的加载位置，同时激活车辆加载动画。若选择错误，系统会引导学生重新选择。

2.1.4 加载组织实施及试验数据整理

完成所有截面的加载位置设计后，系统会引导学生进入“加载测试”模块。首先，进行S1(边跨正弯矩最大)截面测试。学生根据提示在弹窗中选择加载车辆数目，车辆按顺序逐个行驶至指定位置；车辆到位后，学生须在弹窗内输入加载稳定时间，输入值在合理范围内才可进行下一步；倒计时完毕，车辆开始卸载，卸载到位后同样要输入稳定时间。加/卸载过程中的三维动画可帮助学生直观认知在桥上布置多排多列加载车辆时，其合理的加/卸载顺序；也可点击“跳过加载内容”按钮，车辆直接加/卸载到位。卸载结束，得到S1截面的荷载效率η。对于验证性试验η宜介于0.85～1.05，若因车辆数目选择错误导致η不在合理范围内，系统会给予警示。点击“记录”跳转至“试验结果处理”界面，引导学生掌握包括校验系数在内的核心参数的意义。系统会引导学生按顺序完成所有测试截面的加载测试及数据处理。

2.2 动载试验主要步骤

完成静载试验后，系统会提示用户“是否进入动载试验”，点击“是”进入动载试验三维虚拟环境。学生可在“试验概况”模块了解动载试验的测试截面及工况。点击“加载工况”，根据提示在弹窗中选择跑车/刹车/跳车试验，并选择车速(10/20/30/40 km/h)，确认“开始”，激活相应三维动画；车辆加载过程中同步出现真实工程项目中获取的实测数据动态图；点击记录，数据将保存至平台。

2.3 成绩评定

学生在“自测模式”下完成虚拟仿真实验的所有互动操作后，基于后台记录数据自动生成虚拟仿真实验报告，包括：理论测试得分与解析、测试设备布设操作得分、组织实施操作步骤得分。

整体成绩评定采用多层次考核模式，将出勤情况、实验预习、虚拟仿真实验操作和主观性实验报告“四位一体”，全面评价学生的学习成效及知识掌握水平。具体考核要求、评分细则和比例如表1所示。

表1 考核要求以及评分细则

3 虚拟仿真实验平台的应用效果

桥梁动静载虚拟仿真实验教学平台于2018年10月上线，目前已实现开放共享，并已成功运用到苏州科技大学土木工程专业道路与桥梁工程方向4年级本科生及桥梁与隧道工程专业研究生的教学中，取得了较好的教学效果。集中课堂教学在虚拟仿真实验室展开，学生也可通过网络远程登录平台进行预习及复习。平台还被道桥检测单位用于人员技术培训，截至2022年12月，服务对象已达1 800余人次。与传统教学方式相比，虚拟仿真实验平台在应用中的优势主要体现在以下几个方面。

(1)实验方案设计思路。虚拟仿真实验平台基于研发团队多年教学与工程项目的积累，整合了大量实测数据、设计资料与多媒体素材，仿真度高、内容全面。系统架构及操作步骤经过精心设计，依据桥梁动静载试验实际流程凝练出适合大学生操作实践的若干子任务。采用交互式技术，实现多任务、可重复式操作，在设备布设时能够尝试多种测试仪器，在加载方案设计时能够试错并分析结果，满足了学生“深度参与”的学习需求。

(2)教学方法。教学中利用搭建的虚拟仿真实验教学平台，将基于网络的远程教学和基于翻转课堂的引导式、开放式教学相结合，极大地拓展了学生的学习资源和空间，丰富了学习模式，有效促进了以学生为中心的研究性和创新性实践教学。平台融合多种媒体表现形式，将文字、图像、动画以及人机交互融合一体，能够充分调动学生的积极性和主动性，发掘学生的学习兴趣和创造潜能。

(3)评价体系。平台能对学生的全过程参与进行记录，对于学生理论学习效果及操作步骤都具备完善的评价标准与反馈机制，为指导教师改进和优化教学方案提供参考。

(4)传统教学的延伸与拓展。平台可完整模拟现场情况复杂、测试内容繁多的桥梁荷载试验，弥补了传统教学方式的不足。学生借助虚拟仿真平台进行动静载试验全流程的预习、操作及复习，同时结合桥梁缩尺模型、测试系统等硬件设备对测试系统组建有更直观、细致的理解。通过“虚实结合”的教学模式，既系统教授了学生课程知识，又充分锻炼了其解决工程实践问题的基本技能，增强学生创新创造能力和工程实践能力，有效提升了土木工程实验教学的质量和水平。

4 结语

桥梁动静载虚拟仿真平台以大、中跨径桥梁中常见的连续梁为对象，基于真实桥梁设计参数和测试数据，依托Unity 3D仿真、多媒体、人机交互等技术，构建沉浸式的桥梁动静载试验现场环境和高度仿真的加载测试设备，将现实中很难在实验室完整重现的桥梁动静载试验进行仿真模拟。实现了“以虚补实、理实融合、深度参与”的教学效果，弥补了传统实验及实践教学中整体性不强、无法完整参与的缺陷，解决了荷载试验夜间进行与课时设置之间的矛盾，克服了荷载试验所需加载测试设备昂贵、现场情况复杂的困难，消除了试验实施中的各项安全隐患。为培养具有扎实专业基础知识、较强实践能力和创新精神的高素质工程应用型人才提供有效保障。