空間網(wǎng)格結構虛擬實驗教學平臺研發(fā)
前言：想要寫出一篇引人入勝的文章？我們特意為您整理了空間網(wǎng)格結構虛擬實驗教學平臺研發(fā)范文，希望能給你帶來靈感和參考，敬請閱讀。
摘要：文章針對空間網(wǎng)格結構形式多樣、施工過程復雜、現(xiàn)場實踐教學困難等問題，基于Unity3D虛擬現(xiàn)實開發(fā)引擎，融合BIM信息技術，設計并研發(fā)了一套裝配式空間網(wǎng)格結構虛擬實驗教學平臺，涵蓋結構形式、節(jié)點構造和施工方法三大實驗模塊。完成了典型空間網(wǎng)格結構建模、節(jié)點制作拼裝、高空散裝等多種施工方法的動態(tài)虛擬仿真、人機交互、知識點講解等實驗內(nèi)容?；谠撈脚_的實驗教學彌補了現(xiàn)場實踐教學的不足，提升了學生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力。
關鍵詞：空間網(wǎng)格結構；虛擬實驗；教學平臺；BIM
引言
我國空間結構的研究和實踐自20世紀50年代開始，進入21世紀，空間結構的設計和建造已躋身于世界先進行列，建成了一大批重大工程項目[1]。近年來，隨著裝配式建筑在我國的大力推廣，作為其典型代表，空間網(wǎng)格結構憑借其輕型、堅固、形式豐富、裝配化程度高、施工便捷等優(yōu)點得到了廣泛應用，尤其適用于體育場館、會展建筑、機場航站樓等大空間公共建筑?？臻g網(wǎng)格結構的典型結構形式包括平板型的網(wǎng)架結構和曲面型的網(wǎng)殼結構，節(jié)點構造以螺栓球和焊接球最為常用[2]。雖然空間網(wǎng)格結構在我國得到了廣泛應用，但由于其結構形狀多樣、受力分析復雜、應用理論前沿，我國高校土木工程專業(yè)開設此門課程較少，尤其在本科階段，學生對網(wǎng)格結構的了解非常有限。這一方面是因為課時的限制，另一方面更是由于實踐教學平臺的缺乏。此外，現(xiàn)有的空間網(wǎng)格結構軟件平臺主要面向工程設計，很少有面向教學的空間網(wǎng)格結構虛擬實驗教學平臺。近十年來，隨著信息技術的快速發(fā)展，BIM（BuildingInformationModeling，建筑信息模型）技術逐步被引入建筑學和土木工程專業(yè)的實踐教學中[3]。例如，深圳大學建立了土木工程BIM實驗室并開展了相關實踐教學[4]；東南大學開發(fā)了混凝土結構破壞虛擬仿真實驗平臺[5]；戴曉燕和劉超建立了基于BIM技術的建筑工程虛擬仿真實訓中心，并開設了虛擬仿真實訓課程[6]；劉驁等探討了基于BIM體系的建筑學專業(yè)教學體系建設問題[7]。綜上，雖然國內(nèi)高校已有一些土木工程虛擬仿真實驗教學平臺，并開展了一些實踐教學改革研究，但尚未見面向空間網(wǎng)格結構的虛擬實驗教學平臺。鑒于此，本文設計了一套裝配式空間網(wǎng)格結構虛擬實驗教學平臺，對典型空間網(wǎng)格結構的結構形式、節(jié)點構造、施工方法等進行虛擬仿真實驗，旨在通過此教學平臺使得空間結構的入門者能夠高效率、高質(zhì)量地對該類結構的基礎知識進行學習，為后續(xù)的研究和工作奠定基礎。
1空間網(wǎng)格結構虛擬實驗教學平臺搭建的必要性
作為一種典型的裝配式鋼結構體系，空間網(wǎng)格結構的實踐教學是土木工程專業(yè)的重要內(nèi)容之一，但傳統(tǒng)的現(xiàn)場實踐教學方式存在明顯的不足：一方面，空間網(wǎng)格結構的建設周期長、施工方法多樣，短時間的校外實訓只能看到完整工程的某個局部或工序，無法達到培養(yǎng)目標的要求；另一方面，由于安全等原因，施工現(xiàn)場往往不允許學生動手操作，實習效果不佳；此外，由于經(jīng)費和時間的限制，學校很難滿足所有學生針對空間網(wǎng)格結構的校外實習。鑒于以上不足，本文通過研制空間網(wǎng)格結構虛擬實驗教學平臺，使學生直觀形象地掌握其結構形式、基本組成、節(jié)點構造、建造過程及傳力路徑等，培養(yǎng)學生對三維空間結構的形象思維能力，增強感性認識，拓展學生的專業(yè)知識，在實驗教學方面具有重要作用和實際意義，具體如下：（1）通過現(xiàn)場施工過程的動態(tài)虛擬展現(xiàn)，使學生對實際工程有直觀感受，對空間結構的建造過程建立起形象而完整的認識；（2）通過將實際工程施工虛擬仿真化，實現(xiàn)沉浸式、體驗式學習，可提高學生的興趣和動力，激發(fā)學生的學習熱情；（3）通過施工過程的人機交互，可以實現(xiàn)多方案的自主選擇，培養(yǎng)學生從理論到實踐、理論和實踐交叉融合的綜合能力。
2空間網(wǎng)格結構虛擬實驗教學平臺的功能設計
本實驗教學平臺包括結構形式、節(jié)點構造和施工方法三大功能模塊（圖1）。其中，結構形式包括典型的四角錐網(wǎng)架、平行弦網(wǎng)架、單層網(wǎng)殼和雙層網(wǎng)殼等；節(jié)點構造包括常用的螺栓球節(jié)點和焊接球節(jié)點；施工安裝方法包括高空散裝法、高空滑移法、分條分塊法和整體提升法等。每個功能模塊均包含認識實驗和考核實驗兩種模式。認識實驗：建立典型空間網(wǎng)格結構的虛擬場景、整體模型、螺栓球和焊接球節(jié)點模型等，在模型查看窗口中可以通過自由切換視角、旋轉、縮放、平移等來觀察結構整體模型和節(jié)點配件組成，學生可以通過人機交互輸入、虛擬操作等方式自主學習結構組成、傳力路徑、建造方法等相關知識?？己藢嶒灒喝蠊δ苣K均有對應的考核答題區(qū)?？己祟}目分為定位、選擇、填空三大類。定位類題目要求按答題區(qū)提示找出一個給定名稱的對象，在模型查看窗口中點擊完成定位回答。選擇類題目讓學生在參考模型的情況下予以選擇回答。填空類題目與模型對應，如模型查看區(qū)的一個對象被亮顯，要求填寫對象的屬性信息等。
3空間網(wǎng)格結構虛擬實驗教學平臺的功能實現(xiàn)
Unity3D是目前主流的虛擬現(xiàn)實開發(fā)引擎，是一個可以創(chuàng)建三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等互動內(nèi)容的多平臺、綜合型游戲開發(fā)工具，在虛擬仿真教學領域也有廣泛應用。鑒于空間網(wǎng)格結構類型眾多、空間形式復雜，難以采用AutoCAD或Revit等軟件直接建模，本平臺借助于同濟大學空間結構團隊開發(fā)的鋼結構設計軟件——3D3S[8]，參數(shù)化生成各種類型的空間網(wǎng)格結構。平臺的具體研發(fā)步驟為：首先基于3D3S軟件生成各種類型的網(wǎng)格結構模型，然后用3Dmax等圖像專業(yè)軟件進行處理，最后以fbx文件形式導入Unity3D開發(fā)引擎，編程實現(xiàn)三維模型的虛擬建造和人機交互操作等功能。圖2為平臺主界面，涵蓋了典型空間網(wǎng)格結構形式、節(jié)點構造和施工方法三大功能模塊。
3.1結構形式模塊
空間網(wǎng)格結構的結構形式多達數(shù)十種，既有平板型的網(wǎng)架結構，又有曲面型的網(wǎng)殼結構，但考慮到很多形式具有相似的構成規(guī)律，平臺內(nèi)置了四種典型的結構類型：正放四角錐網(wǎng)架、正交斜放四角錐網(wǎng)架、單層凱威特型球面網(wǎng)殼和雙層正放四角錐圓柱面網(wǎng)殼。由于平臺能無縫讀取3D3S軟件生成的各種空間網(wǎng)格結構，模型庫的后期擴展非常方便。圖3為正放四角錐網(wǎng)架結構認識實驗的界面。學生通過選擇結構形式讀取加載結構模型，左側界面顯示模型參數(shù)、幾何特點、力學特征、類似形式和適用情況等信息。通過切換視角、旋轉、縮放、移動等操作可以直觀地觀察該網(wǎng)架結構的基本組成單元、排列方式等信息，點擊某根構件將顯示其詳細信息。
3.2節(jié)點構造模塊
空間網(wǎng)格結構的重要特征是配件標準化程度高，節(jié)點和桿件裝配便捷。平臺選取兩類最常用的網(wǎng)格結構節(jié)點進行裝配實驗：螺栓球節(jié)點和焊接球節(jié)點。其中，由于受力大小的不同，螺栓球節(jié)點又分為封板式和錐頭式兩類。節(jié)點構造模塊包括認識、演示和互動三個子模塊。認識子模塊介紹了節(jié)點的配件組成、構造原理和傳力路徑，在模型中點擊配件將顯示其名稱等信息。演示子模塊展示了節(jié)點的裝配過程，以螺栓球節(jié)點為例，安裝步驟為：組合錐頭或封板、焊接鋼管、連接套筒、安裝緊固螺釘、擰入球體、安裝其他鋼管，最終形成節(jié)點，如圖4為螺栓球節(jié)點的主要裝配過程圖。互動子模塊要求學生依照裝配順序點擊相應的配件完成節(jié)點安裝，若點擊順序錯誤將給出提示并要求重新安裝。通過可視化節(jié)點構造學習和交互式拼裝練習，使學生掌握網(wǎng)格節(jié)點的配件組成、構造原理、傳力路徑和裝配過程等知識點。
3.3施工建造模塊
平臺選取4種常用的安裝方法進行虛擬建造仿真實驗：高空散裝法、分條分塊吊裝法、高空滑移法和整體提升法。高空散裝法，是將網(wǎng)架或網(wǎng)殼的桿件和節(jié)點直接在高空設計位置拼成整體的施工方法，有全支架法和懸挑法兩種。實驗平臺中，針對兩種方法適用的結構形式，全支架法采用四角錐網(wǎng)架結構作為實驗模型，懸挑法則采用雙層凱威特型球面網(wǎng)殼模型。以全支架法為例，首先介紹其基本特點和適用范圍；然后，動畫演示其施工安裝過程并配備解說詞，安裝流程為：搭設滿堂腳手架、安裝支座、安裝下弦桿并設置千斤頂臨時支撐、安裝腹桿和上弦桿、連接上弦桿、拆除千斤頂、拆除腳手架；最后，學生通過模型互動完成結構的建造過程。圖5為全支架法的典型安裝步驟。分條分塊吊裝法，實驗過程分為5個主要階段：分塊地面拼裝及準備工作；起吊提升，平移就位；支撐固定；連接單元；完成安裝矯正。平臺場景中包含起重機、千斤頂?shù)瓤梢苿雍筒鹦兜陌惭b設備，可提升虛擬仿真實驗的體驗效果。虛擬實驗平臺中，各施工建造模塊均分為認識、動畫演示和互動三個模塊。學生可以選擇施工方法、施工階段進行相應演示的播放、暫停、視角自由變化等操作，也可以通過人機交互完成不同類型結構的虛擬建造。
3.4考核模塊
平臺的三大功能模塊均含有對應的考核模塊。平臺賬號分為教師和學生兩種身份，教師賬號可增加考核試題、答案和評分標準，并可以查看所有學生成績。學生只能參與考核，完成后可查看考核成績和錯誤詳情，其中是否允許參加重新考核由教師設定。圖6為平臺的考核模塊界面。結語針對空間網(wǎng)格結構類型眾多、裝配過程復雜、現(xiàn)場實踐教學困難等問題，本文基于Unity3D虛擬現(xiàn)實開發(fā)引擎，融合BIM信息技術，設計并研發(fā)了一套裝配式空間網(wǎng)格結構虛擬實驗教學平臺，完成了典型空間網(wǎng)格結構建模、節(jié)點制作拼裝、高空散裝等多種施工方法的動態(tài)虛擬仿真、人機交互、知識點講解及考查等內(nèi)容，使學生在大跨空間結構建造方面得到了系統(tǒng)、全面和綜合的訓練，對空間結構的建造過程建立起形象而完整的認識。實驗平臺已應用于同濟大學土木工程專業(yè)的實踐教學中，激發(fā)了學生的學習興趣，提升了學生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力，取得了良好的教學效果。但是，現(xiàn)有平臺尚不具備力學分析功能，有待將來進一步的優(yōu)化和完善。
參考文獻：
[1]藍天.中國空間結構七十年成就與展望[J].建筑結構,2019,49(19):5-10.
[2]翁振江,趙陽,金躍東,等.空間網(wǎng)格結構裝配式節(jié)點分類與發(fā)展需求[J].建筑結構學報,2018,39(3):32-38,47.
[3]付亞靜,楊華李,書陽.基于BIM的虛擬仿真技術在教學領域的應用與實踐[J].土木建筑工程信息技術,2019,11(6):70-75.
[4]吳凌壹,丁志坤,隋莉莉,等.土木工程BIM實驗室的建設與實踐教學實施[J].實驗技術與管理,2019,36(2):194-197,203.
[5]郭恒寧,賀志啟,劉艷,等.土木工程實驗教學的虛擬仿真平臺設計[J].實驗技術與管理,2019,36(3):143-145.
[6]戴曉燕,劉超.基于BIM技術的建筑工程虛擬仿真實訓中心的建設研究[J].實驗技術與管理,2018,35(12):237-241.
[7]劉驁,蔣山,唐瑜.基于建筑業(yè)BIM體系的建筑學專業(yè)教學建設初探[J].建筑與文化,2017,164:64-66.
[8]滿延磊,吳杰,張其林,等.基于操作的鋼結構節(jié)點參數(shù)化建模系統(tǒng)研發(fā)[J].同濟大學學報(自然科學版),2019,47(9):1225-1234.
作者：吳杰 朱大宇 單位：同濟大學土木工程學院
