空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)虛擬實驗教學(xué)平臺研發(fā)
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摘要：文章針對空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)形式多樣、施工過程復(fù)雜、現(xiàn)場實踐教學(xué)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(shù)，設(shè)計并研發(fā)了一套裝配式空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)虛擬實驗教學(xué)平臺，涵蓋結(jié)構(gòu)形式、節(jié)點構(gòu)造和施工方法三大實驗?zāi)K。完成了典型空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)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(xué)彌補了現(xiàn)場實踐教學(xué)的不足，提升了學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力。
關(guān)鍵詞：空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)；虛擬實驗；教學(xué)平臺；BIM
引言
我國空間結(jié)構(gòu)的研究和實踐自20世紀(jì)50年代開始，進(jìn)入21世紀(jì)，空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計和建造已躋身于世界先進(jìn)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(jié)構(gòu)的典型結(jié)構(gòu)形式包括平板型的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和曲面型的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，節(jié)點構(gòu)造以螺栓球和焊接球最為常用[2]。雖然空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在我國得到了廣泛應(yīng)用，但由于其結(jié)構(gòu)形狀多樣、受力分析復(fù)雜、應(yīng)用理論前沿，我國高校土木工程專業(yè)開設(shè)此門課程較少，尤其在本科階段，學(xué)生對網(wǎng)格結(jié)構(gòu)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(xué)平臺的缺乏。此外，現(xiàn)有的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)軟件平臺主要面向工程設(shè)計，很少有面向教學(xué)的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)虛擬實驗教學(xué)平臺。近十年來，隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，BIM（BuildingInformationModeling，建筑信息模型）技術(shù)逐步被引入建筑學(xué)和土木工程專業(yè)的實踐教學(xué)中[3]。例如，深圳大學(xué)建立了土木工程BIM實驗室并開展了相關(guān)實踐教學(xué)[4]；東南大學(xué)開發(fā)了混凝土結(jié)構(gòu)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(shù)的建筑工程虛擬仿真實訓(xùn)中心，并開設(shè)了虛擬仿真實訓(xùn)課程[6]；劉驁等探討了基于BIM體系的建筑學(xué)專業(yè)教學(xué)體系建設(shè)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(xué)平臺，并開展了一些實踐教學(xué)改革研究，但尚未見面向空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的虛擬實驗教學(xué)平臺。鑒于此，本文設(shè)計了一套裝配式空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)虛擬實驗教學(xué)平臺，對典型空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式、節(jié)點構(gòu)造、施工方法等進(jìn)行虛擬仿真實驗，旨在通過此教學(xué)平臺使得空間結(jié)構(gòu)的入門者能夠高效率、高質(zhì)量地對該類結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識進(jìn)行學(xué)習(xí)，為后續(xù)的研究和工作奠定基礎(chǔ)。
1空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)虛擬實驗教學(xué)平臺搭建的必要性
作為一種典型的裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系，空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的實踐教學(xué)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(xué)方式存在明顯的不足：一方面，空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的建設(shè)周期長、施工方法多樣，短時間的校外實訓(xùn)只能看到完整工程的某個局部或工序，無法達(dá)到培養(yǎng)目標(biāo)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(xué)生動手操作，實習(xí)效果不佳；此外，由于經(jīng)費和時間的限制，學(xué)校很難滿足所有學(xué)生針對空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的校外實習(xí)。鑒于以上不足，本文通過研制空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)虛擬實驗教學(xué)平臺，使學(xué)生直觀形象地掌握其結(jié)構(gòu)形式、基本組成、節(jié)點構(gòu)造、建造過程及傳力路徑等，培養(yǎng)學(xué)生對三維空間結(jié)構(gòu)的形象思維能力，增強感性認(rèn)識，拓展學(xué)生的專業(yè)知識，在實驗教學(xué)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(xué)生對實際工程有直觀感受，對空間結(jié)構(gòu)的建造過程建立起形象而完整的認(rèn)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(xué)習(xí)，可提高學(xué)生的興趣和動力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)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(xué)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(jié)構(gòu)虛擬實驗教學(xué)平臺的功能設(shè)計
本實驗教學(xué)平臺包括結(jié)構(gòu)形式、節(jié)點構(gòu)造和施工方法三大功能模塊（圖1）。其中，結(jié)構(gòu)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(gòu)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(rèn)識實驗和考核實驗兩種模式。認(rèn)識實驗：建立典型空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)、縮放、平移等來觀察結(jié)構(gòu)整體模型和節(jié)點配件組成，學(xué)生可以通過人機交互輸入、虛擬操作等方式自主學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)組成、傳力路徑、建造方法等相關(guān)知識。考核實驗：三大功能模塊均有對應(yīng)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(xué)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(yīng)，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(jié)構(gòu)虛擬實驗教學(xué)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(xué)領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。鑒于空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)類型眾多、空間形式復(fù)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(xué)空間結(jié)構(gòu)團(tuán)隊開發(fā)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件——3D3S[8]，參數(shù)化生成各種類型的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)模型，然后用3Dmax等圖像專業(yè)軟件進(jìn)行處理，最后以fbx文件形式導(dǎo)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(jié)構(gòu)形式、節(jié)點構(gòu)造和施工方法三大功能模塊。
3.1結(jié)構(gòu)形式模塊
空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式多達(dá)數(shù)十種，既有平板型的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，又有曲面型的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，但考慮到很多形式具有相似的構(gòu)成規(guī)律，平臺內(nèi)置了四種典型的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，模型庫的后期擴展非常方便。圖3為正放四角錐網(wǎng)架結(jié)構(gòu)認(rèn)識實驗的界面。學(xué)生通過選擇結(jié)構(gòu)形式讀取加載結(jié)構(gòu)模型，左側(cè)界面顯示模型參數(shù)、幾何特點、力學(xué)特征、類似形式和適用情況等信息。通過切換視角、旋轉(zhuǎn)、縮放、移動等操作可以直觀地觀察該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的基本組成單元、排列方式等信息，點擊某根構(gòu)件將顯示其詳細(xì)信息。
3.2節(jié)點構(gòu)造模塊
空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的重要特征是配件標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)節(jié)點進(jìn)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(gòu)造模塊包括認(rèn)識、演示和互動三個子模塊。認(rèn)識子模塊介紹了節(jié)點的配件組成、構(gòu)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?；幼幽K要求學(xué)生依照裝配順序點擊相應(yīng)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(gòu)造學(xué)習(xí)和交互式拼裝練習(xí)，使學(xué)生掌握網(wǎng)格節(jié)點的配件組成、構(gòu)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(jìn)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(shè)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(jié)構(gòu)形式，全支架法采用四角錐網(wǎng)架結(jié)構(gòu)作為實驗?zāi)Ｐ?，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(shè)滿堂腳手架、安裝支座、安裝下弦桿并設(shè)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(xué)生通過模型互動完成結(jié)構(gòu)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(zhǔn)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(shè)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(rèn)識、動畫演示和互動三個模塊。學(xué)生可以選擇施工方法、施工階段進(jìn)行相應(yīng)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(jié)構(gòu)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(yīng)的考核模塊。平臺賬號分為教師和學(xué)生兩種身份，教師賬號可增加考核試題、答案和評分標(biāo)準(zhǔn)，并可以查看所有學(xué)生成績。學(xué)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(shè)定。圖6為平臺的考核模塊界面。結(jié)語針對空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)類型眾多、裝配過程復(fù)雜、現(xiàn)場實踐教學(xué)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(shù)，設(shè)計并研發(fā)了一套裝配式空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)虛擬實驗教學(xué)平臺，完成了典型空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)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(xué)生在大跨空間結(jié)構(gòu)建造方面得到了系統(tǒng)、全面和綜合的訓(xùn)練，對空間結(jié)構(gòu)的建造過程建立起形象而完整的認(rèn)識。實驗平臺已應(yīng)用于同濟大學(xué)土木工程專業(yè)的實踐教學(xué)中，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升了學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力，取得了良好的教學(xué)效果。但是，現(xiàn)有平臺尚不具備力學(xué)分析功能，有待將來進(jìn)一步的優(yōu)化和完善。
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作者：吳杰 朱大宇 單位：同濟大學(xué)土木工程學(xué)院
