建筑基礎(chǔ)施工虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的研究

王文震

摘要：建筑基礎(chǔ)施工是建筑工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生要掌握的核心知識(shí)，在學(xué)生職業(yè)能力的養(yǎng)成中具有重要的意義。傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)學(xué)習(xí)方法受時(shí)間和費(fèi)用等多方面因素的影響，難以滿(mǎn)足實(shí)際學(xué)習(xí)的需要。開(kāi)發(fā)一套相關(guān)的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)能夠模擬施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，使學(xué)生能夠感受到類(lèi)似實(shí)際操作的體驗(yàn)，使得教學(xué)更加直觀化，提高學(xué)習(xí)的興趣并加深對(duì)相關(guān)知識(shí)的掌握。

關(guān)鍵詞：建筑基礎(chǔ)施工；虛擬仿真；實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

一、前言

虛擬仿真是進(jìn)入20世紀(jì)80年代后發(fā)展起來(lái)的一種新技術(shù)，它通過(guò)軟件編程形成三維數(shù)字的圖形化模型，生成一種人造的虛擬環(huán)境。它涉及到人工智能、傳感技術(shù)、人機(jī)交互和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等學(xué)科。虛擬仿真技術(shù)在教育教學(xué)方面的應(yīng)用，不僅可以更直觀的呈現(xiàn)所學(xué)的知識(shí)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，還能夠改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，提高了學(xué)生的實(shí)踐能力。

建筑基礎(chǔ)施工是土建類(lèi)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的核心教學(xué)內(nèi)容，具有實(shí)踐性很強(qiáng)的特點(diǎn)，特別是其中的主體工程即鋼筋混凝土工程的施工，對(duì)于施工現(xiàn)場(chǎng)的一線(xiàn)人員來(lái)說(shuō)，掌握其工藝和方法，也是應(yīng)具有的基本素質(zhì)。目前建筑基礎(chǔ)施工教學(xué)存在的主要問(wèn)題有：

第一、實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)難以滿(mǎn)足實(shí)際教學(xué)需要：由于建筑專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)，教學(xué)計(jì)劃難以和企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)時(shí)間相對(duì)應(yīng)；基礎(chǔ)設(shè)施施工的周期長(zhǎng)，工程量大，短時(shí)間的實(shí)訓(xùn)不能真實(shí)的全面了解其施工過(guò)程。

第二、第二學(xué)生難以實(shí)際動(dòng)手操作，學(xué)習(xí)效果不佳：在校外建筑工地的實(shí)習(xí)，由于時(shí)間和費(fèi)用的限制，以及施工單位出于人身安全等方面的考慮，學(xué)生往往不能實(shí)際動(dòng)手完成施工操作，難以達(dá)到預(yù)期的學(xué)習(xí)效果。

第三、學(xué)習(xí)成績(jī)的評(píng)定不夠合理：基礎(chǔ)設(shè)施施工內(nèi)容的學(xué)習(xí)一般是通過(guò)校外實(shí)踐，學(xué)習(xí)成績(jī)一般是根據(jù)學(xué)生的考勤情況和見(jiàn)習(xí)單位出具的相關(guān)報(bào)告和總結(jié)材料等進(jìn)行打分，具有較大的主觀性，不利于學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的發(fā)揮。

建筑基礎(chǔ)施工仿真教學(xué)軟件的開(kāi)發(fā)，能夠利用當(dāng)前的先進(jìn)的虛擬仿真技術(shù)，將三維可視化技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)中，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中能夠先仿真后實(shí)訓(xùn)，可以全面的了解建筑基礎(chǔ)施工的全過(guò)程。通過(guò)本虛擬仿真軟件的建設(shè)，可以結(jié)合工程施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際，把實(shí)踐和理論進(jìn)行結(jié)合，把真實(shí)的工作環(huán)境利用軟件進(jìn)行模擬開(kāi)發(fā)，使學(xué)生能夠真正體驗(yàn)到施工現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)和技能，從而減少學(xué)生對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的不熟悉感，使得教學(xué)更加直觀化。

二、國(guó)內(nèi)外研究概況和發(fā)展趨勢(shì)

國(guó)內(nèi)外對(duì)虛擬仿真技術(shù)在建筑方面的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下兩方面：

第一、建筑施工仿真理論方面的研究

1991年美國(guó)學(xué)者提出了虛擬企業(yè)的定義，清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等在此方面有學(xué)者進(jìn)行了大師的研究，到1997年，國(guó)內(nèi)對(duì)虛擬企業(yè)的研究得到了各方面的關(guān)注，目前相關(guān)理論框架已形成，虛擬企業(yè)也開(kāi)始了從制造行業(yè)到其他行業(yè)的擴(kuò)展。在虛擬建設(shè)方面，從1996年美國(guó)發(fā)明者協(xié)會(huì)首次提出概念，到2000年TFV（Transformation-Flow-Value）理論的出現(xiàn)，論證了虛擬企業(yè)理論在建筑行業(yè)應(yīng)用的可能性。國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)虛擬建設(shè)研究多在組織管理層面，較少研究具體技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。

第二、建筑施工仿真方法的研究

建筑施工仿真技術(shù)是虛擬建設(shè)中的具體應(yīng)用，主要通過(guò)虛擬仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。虛擬仿真技術(shù)一般是通過(guò)建立模型來(lái)描述整個(gè)系統(tǒng)，再通過(guò)一些重復(fù)試驗(yàn)得到一些有規(guī)律的數(shù)據(jù)。國(guó)內(nèi)研究者高興夫研究了超高層建筑施工的動(dòng)態(tài)仿真、張正峰則應(yīng)用可視化仿真中的圖形技術(shù)，對(duì)復(fù)雜群建筑施工過(guò)程進(jìn)行了研究。虛擬現(xiàn)實(shí)則是在虛擬建設(shè)中將枯燥的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為直觀的圖像，方便進(jìn)行操作和對(duì)比分析，能夠研究數(shù)據(jù)中深層次的內(nèi)容。趙凌軍對(duì)建筑物的辨識(shí)和幾何尺寸的提取進(jìn)行了研究、王辰輝仿真了液壓挖掘機(jī)的工作場(chǎng)景，鐘登華等人對(duì)水電工程的可視化仿真進(jìn)行了分析，其研究成果得到了成功的應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在建筑施工中的應(yīng)用較多，其發(fā)展方向目前主要是事件驅(qū)動(dòng)的沉浸和時(shí)間驅(qū)動(dòng)的沉浸。

三、建筑基礎(chǔ)施工實(shí)訓(xùn)教學(xué)的現(xiàn)狀研究和分析

《建筑工程施工技術(shù)》是土建類(lèi)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的核心課程，其中主體工程即鋼筋混凝土工程的施工就顯得更加重要，對(duì)于該部分工程的施工，對(duì)于施工現(xiàn)場(chǎng)的一線(xiàn)人員來(lái)說(shuō)，掌握其工藝和方法，是應(yīng)具有的基本素質(zhì)，特別是對(duì)于培養(yǎng)的施工員來(lái)說(shuō)，就更加重要。在學(xué)生的培養(yǎng)中其教學(xué)時(shí)數(shù)和學(xué)分、教學(xué)設(shè)備和實(shí)訓(xùn)場(chǎng)所以及從教教師數(shù)均居各課程之首，該課程也是其他土建類(lèi)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)必修課，在學(xué)生職業(yè)能力的形成中起著決定性意義，在建筑行業(yè)對(duì)人才技能的要求越來(lái)越高的今天，其地位和作用日益凸顯，因此如何讓學(xué)生更準(zhǔn)確的掌握建筑基礎(chǔ)方面的技能就尤為重要。

四、建筑基礎(chǔ)施工虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)構(gòu)建與開(kāi)發(fā)

系統(tǒng)采用Unity3D與3ds Max作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)邏輯功能與3D模型的設(shè)計(jì)制作；使用SQL Server 2008實(shí)現(xiàn)對(duì)身份信息、實(shí)訓(xùn)進(jìn)度信息的存儲(chǔ)；具體的虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)通過(guò)以上的技術(shù)支持，可在PC、移動(dòng)設(shè)備以及Web上運(yùn)行。

設(shè)計(jì)框架采用經(jīng)典的MVC設(shè)計(jì)模式，將整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)劃分為三大模塊：模型組件、視圖組件和控制器組件。模型組件是視圖組件和控制器組件之間的通信橋梁，控制器發(fā)出的具體操作信息會(huì)被傳送到模型組件中，模型組件經(jīng)過(guò)一系列的邏輯計(jì)算，將計(jì)算出的一系列相關(guān)信息發(fā)送到視圖組件，由視圖組件接收信息并最終展示給用戶(hù)。在本系統(tǒng)中，模型組件由C#功能腳本實(shí)現(xiàn)，視圖組件由UGUI界面開(kāi)發(fā)技術(shù)和3ds Max共同完成，控制器組件則由鼠標(biāo)、鍵盤(pán)等硬件設(shè)備負(fù)責(zé)。MVC設(shè)計(jì)模式合理劃分了軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程，遵守軟件開(kāi)發(fā)“低耦合、高內(nèi)聚”的原則，研發(fā)者只需依照系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)約定好的接口方式，即可并行開(kāi)發(fā)不同的系統(tǒng)組件，有效地提高了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)效率。

建筑基礎(chǔ)施工虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)由6個(gè)模塊組成，具體如下：

（1）身份認(rèn)證模塊

其主要功能有：判斷登錄用戶(hù)的身份，調(diào)出對(duì)應(yīng)的學(xué)習(xí)模塊進(jìn)度，及學(xué)習(xí)得分。

（2）公共模塊

其主要功能有：工程圖紙、技術(shù)規(guī)范、知識(shí)學(xué)習(xí)、視頻庫(kù)、測(cè)試題庫(kù)、工具箱。

（3）土方開(kāi)挖工程模塊

其主要功能有：場(chǎng)地要求、場(chǎng)地清理、放線(xiàn)定位、機(jī)械挖土、修邊及驗(yàn)槽。

（4）鋼筋工程模塊

其主要功能有：彈鋼筋線(xiàn)、放置鋼筋、綁扎鋼筋、放置墊塊、放置豎筋、鋼筋焊接、箍筋綁扎。

（5）模板工程模塊

其主要功能有：工程施工前的準(zhǔn)備工作、模板安裝、質(zhì)檢驗(yàn)收、模板拆除、工程驗(yàn)收。

（6）混凝土工程模塊

其主要功能有：混凝土制備、混凝土運(yùn)輸、澆筑與搗實(shí)、混凝土養(yǎng)護(hù)、工程驗(yàn)收。

總之，建筑基礎(chǔ)施工虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)構(gòu)建了高職建筑類(lèi)專(zhuān)業(yè)理論學(xué)習(xí)與生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合的教學(xué)平臺(tái)，彌補(bǔ)了教學(xué)手段、實(shí)訓(xùn)條件及時(shí)間、空間上的限制，在課堂上實(shí)現(xiàn)了教學(xué)項(xiàng)目與施工項(xiàng)目、教學(xué)過(guò)程與施工過(guò)程、在校學(xué)習(xí)與實(shí)際工作一致性。但這種仿真教學(xué)系統(tǒng)也存在著易引發(fā)學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)意識(shí)差和無(wú)法做到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)操等不足等問(wèn)題，應(yīng)引起重視。要通過(guò)合理設(shè)計(jì)各教學(xué)環(huán)節(jié)，把虛擬仿真實(shí)訓(xùn)與理論教學(xué)和生產(chǎn)實(shí)際有機(jī)結(jié)合，才能提高教學(xué)效率，拓寬實(shí)踐教學(xué)渠道，為高職院校提升辦學(xué)能力和發(fā)展起到了積極助推作用。

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