土木學科

1.1學科背景

土木工程具有十分鮮明的行業背景和特點，隨著社會的發展和技術進步，工程結構越來越大型化、復雜化，超高層建筑、特大型橋梁、巨型大壩、復雜的地鐵系統不斷涌現，隨著國內建筑行業的快速發展，對土木類人才的需求日益增加，土木類專業辦學規模日益擴大。專業擴招以及建筑企業安全管理等因素造成土木類專業在開展實踐教學環節過程中遇到了很多技術難題，主要包括：

（1）實驗構件體量大、高成本：土木類專業實驗綜合性強，設備體量大，實驗環境惡劣，資源消耗大，成本較高，特別是高危險、大型復雜但與實際工程結合緊密的實驗無法在實驗室內讓本科生直接深入參與；

（2）實驗危險性高、難度大、消耗大：土木工程專業的實驗教學一般是要進行結構構件的破壞性實驗，實驗過程中的安全問題備受關注，特別是工程結構抗震、抗火、抗爆等實體實驗項目，其危險性更高，加之實驗均為一次性破壞實驗，每次均要制作模型結構構件，造成實驗成本資源消耗較大；

（3）施工周期長，缺乏系統動態體驗：受到場地和實習時間的限制。

隨著計算機技術和信息技術的發展，結合高等教育信息化建設開展土木類專業實踐教學改革是克服實踐教學環節技術困難的一個重要途徑。

1.2解決方案

北京潤尼爾有豐富的土木類虛擬仿真實驗項目建設經驗，合作客戶遍布全國各大高校。合作的院校包括：同濟大學（985院校）、浙江大學（985院校）、山東大學（985院校）、北京交通大學（211院校）、西北大學（211院校，合作到二期）、廣西大學（211院校）、青島理工大學（合作到三期）、揚州大學、浙江工業大學、臺州學院、成都理工大學、西華大學、云南農業大學、昆明理工大學等。

北京潤尼爾土木類虛擬仿真實驗項目資源涵蓋：施工工程、土力學、材料力學、巖體力學、古建筑、地下與巖土工程、建筑設計、建筑構造、工程材料及材料力學、鋼結構、鋼筋混凝土結構、防災減災與防護、裝飾工程、腳手架工程、防水工程、地基基礎工程等16個方面，總計100多個實驗。

除了上述案例，北京潤尼爾將虛擬仿真和有限元軟件Ansys進行集成，并可根據用戶輸入的參數獲取到計算出的實驗結果，進一步實現虛實結合。

1.3典型案例

1.3.1 北京交通大學-隧道典型施工法虛擬仿真實驗

本項目采用三維仿真技術，再現我國具有世界領先水平的鉆爆法高鐵隧道建造場景。通過交互操作任務、設計差異化輸入和試錯反饋機制，學生完成鉆爆法隧道修建的26道關鍵施工步序，深刻理解圍堰穩定性、支護-圍巖相互作用、變形安全性控制等隧道工程的核心基礎知識。本項目突破了隧道工地現場的時空限制，可提高學生分析和解決鉆爆法隧道地層加固、開挖、支護、等復雜施工問題的能力。

該項目被認定為2019年度國家虛擬仿真教學一流課程。

1.3.2 天津大學-梁式構件受力全過程虛擬仿真實驗

梁式構件受力全過程實驗是土木教學中最基礎的實驗，同時也是專業核心課《混凝土結構原理》和《鋼結構設計原理》的核心內容。本項目利用3D仿真和虛擬現實技術，真實再現了混凝土梁和鋼梁構件的受彎破壞全過程。通過設計鋼筋混凝土梁及鋼構件的實驗參數，獲得鋼筋混凝土梁及鋼梁構件的不同破壞模式，使學生深刻理解梁氏構件的受彎特性和破壞特性。

該項目被認定為2019年度國家虛擬仿真教學一流課程。 

1.3.3 長沙理工大學-間歇式瀝青混合料攪拌站構造原理與生產控制虛擬仿真實驗

間歇式瀝青混合料攪拌站作為瀝青路面施工的核心設備，是道路橋梁與渡河工程專業學生的重要知識點，受理論與實踐隔離、實習效果差、教師機械原理及工程經受限等影響，學生學習效果難以達到預期目的。本項目利用虛擬現實技術，構建  高度仿真的實驗環境和實驗對象，包括整套瀝青混合料攪拌站和混合料配合比設計環境，項目建設有效填補本科教學中攪拌站實驗的空白，開發共享性好，教學方式靈活，評價體系完善，適用性和市場需求好。

該項目被認定為2019年度國家虛擬仿真教學一流課程。

1.3.4 長安大學-斜拉橋設計建造與受力性能虛擬仿真實驗

本實驗以兩塔三跨斜拉橋為例，高度仿真了多種體系、塔形、索形與梁型；仿真了全站儀、水準儀等實驗設備。學生可在虛擬環境中完成斜拉橋的設計建造；并按照真實實驗的過程與要求進行所設計建造橋梁的靜動載實驗，實驗后臺數據庫將對應輸出該橋的實驗結果。本實驗貫穿斜拉橋設計與試驗全過程，幫助學生理解不同構件組合下的斜拉橋性能特征及實驗方法。輸入式設計與輸出式實驗結果可形成學習反饋閉環，提升學生的綜合能力與創新能力。

該項目被認定為2019年度國家虛擬仿真教學一流課程。

1.3.5 福建工程學院-近海腐蝕環境下高層建筑剪力墻抗震性能評估虛擬仿真實驗

受海洋腐蝕影響，近海高層建筑剪力墻容易產生抗震性能劣化。由于構件腐蝕和擬靜力周期實驗長、成本高、危險大、成為本科生“做不了“的實驗。通過混凝土強度檢測、剪力墻制作、腐蝕、擬靜力加載、抗震性能評估，引導學生循序漸進解決復雜工程問題，培養學生團隊意識、創新能力，建立防震減災的社會責任感。

該項目被認定為2019年度國家虛擬仿真教學一流課程。

1.3.6 華南理工大學-鋼筋混凝土板的設計性能虛擬仿真耐火實驗

在科研成果與教學實踐總結凝練基礎上，開發的《鋼筋混凝土板的設計性能虛擬仿真耐火實驗》項目，通過在線交互實驗模式，最大引導學生獨立自主參與鋼筋混凝土板的耐火性能分析設計和明火實驗。項目將“虛實結合”、“線上線下”等教學模式有機融合，最大程度解決了實體實驗成本高、過程不可逆、周期長、危險大的局限性，保障了實驗“安全、高效、綠色、環保‘的實施，實現專業知識能力、實踐能力鍛煉和創新能力培養三個不同層次的教學目的。

該項目被認定為2019年度國家虛擬仿真教學一流課程。

1.3.7 浙江工業大學-鋼筋混凝土樓蓋承載破壞過程虛擬仿真

鋼筋混凝土樓蓋承載破壞實驗受結構體量、實驗成本和空間限制，在實驗教學中難以實現。本項目采用unity3d建模并結合有限元計算等手段，虛擬仿真實體實驗不可能實現的鋼筋混凝土樓蓋模型建造和承載破壞過程，直觀展示鋼筋混凝土樓蓋的應力、應變和變形動態響應等過程，使得實體實驗中測試復雜的裂隙和變形、看不見的鋼筋和混凝土的應力、應變，以彩色云圖的形式生動得呈現在學生面前，從而促進理論教學，提高學生的創新能力。

該項目被認定為2019年度國家虛擬仿真教學一流課程。

1.3.8 三峽大學-高地應力深埋軟巖洞室開挖及支護虛擬仿真實驗教學項目

高地應力深埋軟巖洞室開挖涉及高危復雜環境，屬于隱蔽性工程，不可反復展示施工過程，難以開展實踐教學。為響應國家戰略，填補教學空白，本項目基于仿真平臺再現了高地應力深埋軟巖洞室開挖、支護及監測的14道主要步驟，86道工序，涵蓋了施工準備、開挖支護、前沿探索三大模塊，100余交互操作。項目手段多樣，實現了動態直觀教學，核心技術高效互動。再運營和管理模式上實現了科教創新融合，校企共建共享。

該項目被認定為2019年度國家虛擬仿真教學一流課程。

1.3.9 北京工業大學-空調系統管網設計與調試虛擬仿真互動式實驗項目

“空調風系統管網設計和調試”是建環新工科專業人才培養的重要知識點和專業技能。但由于空調風系統面框量大、工程隱蔽、操作耗時，使得學生“做不到”相應知識點與技能。本項目采用三維虛擬仿真技術，復現大量復雜空調風系統真實運行場景，營造互動式實驗環境，通過線上線下混合式培訓，結合角色扮演與輪換，實現由過程設計到運行調試全鏈條的工程實踐訓練，幫助學生掌握大型復雜空調風系統管網設計與調試功能。

該項目被認定為2019年度國家虛擬仿真教學一流課程。

1.3.10 青島理工大學土木工程學院 

本項目借助虛擬現實技術高度仿真中子成像、海水侵蝕或凍融、火災爐高溫等先進的科研實驗裝置，虛擬再現多種環境下混凝土劣化實驗過程，使學生掌握多種實驗方法，并準確分析不同環境下混凝土材料的劣化機理，培養學生分析問題、解決問題能力以及科技創新能力，切實提高教學實效，為土木工程行業培養高素質專業技術后備人才。本項目主要適用于土木工程專業、材料科學與工程專業，還適用于工程管理、建筑學、城市地下空間工程等專業。

該項目被認定為2018年度國家虛擬仿真實驗教學項目。

1.3.11 河北大學建筑工程學院

2018年，我公司為河北大學建筑工程學院量身定制開發了盾構隧道結構設計與施工綜合仿真實驗，該實驗結合盾構隧道設計和施工的實際案例，通過三維仿真技術，還原了盾構隧道洞身結構設計的過程、施工過程、盾構機操作及災害預防措施，用虛擬仿真的方式直觀地呈現給學生，使他們真正學習到地下工程的設計和施工，掌握設計和施工中可能遇到的問題，同時通過虛擬仿真可實現學生交互式設計參數，包括土體厚度、地下水位埋深、隧道直徑大小與隧道埋深等參數，設計關鍵土體和結構參數；根據設計結構和施工實時監測曲線，觀察并分析產生災害的原因。

學生在操作虛擬實驗過程中可根據自主設計的土體和結構參數完成實驗，調動學生學習的興趣和積極性，提高學生學習地下工程設計和施工的興趣。使學生依據虛擬現實技術的真實還原場景，彌補現實實驗無法完成的設計和施工展示；調動學生實驗的積極性和主動性，使學生自主進行實驗設計、操作及其驗證，從而幫助學生深入理解和領會課堂教學所學的理論知識，加強學生實踐能力和創新意識培養。

該項目被認定為2018年國家虛擬仿真實驗教學項目。

1.3.12 浙江大學-建筑工程學院

2017年，我公司為浙江大學建筑工程學院量身定制開發了一套橋梁施工、監測過程虛擬仿真實驗教學資源，實驗資源包括五大模塊：基礎知識、施工模擬、施工監控、健康監測、災害仿真，其中施工模擬模塊又包含了具體的施工流程：鉆孔灌注樁、施工準備、場地布置、放樣等19個步驟。

通過三維仿真技術，系統再現了橋梁的施工過程，解決了實際工程施工因工期長、步驟多、施工工藝復雜導致學生無法完全掌握整個施工過程的問題，系統還提供了橋梁災害仿真模擬，通過虛擬的方式，展現了橋梁的破壞結果，學生能夠將理論知識和實際操作進行結合，提高了學生的創造力，促進了教學改革。

1.3.13 北京交通大學-土木建筑工程學院

2017年，我公司為北京交通大學土木建筑工程學院量身定制開發了一系列土木類虛擬仿真實驗教學資源，實驗資源包括：常規土力學試驗、非飽和土力學試驗、建筑材料類試驗、混凝土構件受力性能試驗、混凝土框架結構受力性能試驗、大跨度屋蓋結構與超高層結構繞流風場模擬試驗、龍卷風場與建筑物的響應試驗、車輛過橋及橋梁沖擊試驗動力仿真試驗、隧道+地鐵典型施工工法試驗、鐵路地基處理和路基施工試驗、道路鐵道工程實習現場（青龍橋人字形鐵路）。

通過三維仿真技術，系統模擬了常規的實驗室實驗，實驗場景和工具完全還原北京交通大學的實驗室場景，通過一步步操作引導學生學習實驗；系統模擬了常見混凝土構件：梁和柱的受力性能以及細微的破壞狀態展示；系統模擬了風洞實驗室，不同結構的建筑物在風洞實驗室的效果。通過該系統學生不僅能夠學習到常規實驗，還能夠結合學校特色，掌握很多實習內容，使學生能夠將理論知識和實際操作進行結合，提高了學生的創造力，促進了教學改革。

1.3.14 西華大學-建筑與土木工程學院

2016年，我公司為西華大學建筑與土木工程學院量身定制開發了一系列土木類虛擬仿真實驗教學資源，實驗資源包括：單樁豎向抗壓靜載虛擬仿真實驗、數字化風洞虛擬仿真實驗、地鐵車站施工虛擬仿真實驗、建筑構件隔聲性能虛擬仿真實驗、剛構橋施工靜力響應虛擬仿真實驗、數字化抗震虛擬仿真實驗、雙肢剪力墻推覆虛擬仿真實驗等。

圍繞防災減災，通過三維仿真技術，系統再現了風洞試驗和振動臺實驗，并詳細展示了框架結構的破壞效果，很好地解決了現實實驗中的諸多問題，譬如大型設備受限于場地，實物實驗學生無法觀察到建筑的破壞形式等。

1.3.15 揚州大學-建筑科學與工程學院

2016年，我公司為揚州大學建筑科學與工程學院量身定制開發了一系列土木類虛擬仿真實驗教學資源，實驗資源包括：裝配式建筑構造模擬實驗、SBS改性瀝青顯微形態與宏觀性能模擬實驗、八層鋼筋混凝土框架結構地震反應分析實驗、城市街道對歷史文化街區微經營空間活力影響的評價系統、復合地基承載實驗、鋼筋混凝土柱偏心受壓承載力模擬實驗、瀝青路面車轍變形細觀結構虛擬仿真實驗、瀝青路面溫度分布場實驗、橋梁-土-樁基系統近斷層彈塑性地震響應分析實驗、生命線工程地震災害及二次災害實驗、新型混凝土梁受彎性能實驗、型鋼混凝土梁-鋼管混凝土柱組合框架節點受力性能模擬試驗、型鋼混凝土梁-角鋼混凝土核心柱組合框架節點受力性能模擬試驗等。

這一系列實驗都是圍繞著建筑材料和構件的受力性能展開的，從混凝土、瀝青再到框架結構，通過三維仿真技術，系統還原了不同構件的受力分布，將三維模型和真實結果相對應，使學生能夠更好地將理論知識和實際實驗相結合。

附錄：土木學科虛擬仿真實驗產品目錄