BIM 技術(shù)在巖土三軸測試技術(shù)教學(xué)與科研中的應(yīng)用

李春紅，孔綱強(qiáng),2，張鑫蕊，劉漢龍，王 睿，許俊奎

（1. 河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210024；2. 三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002；3. 江蘇鐘潤智能科技有限公司，江蘇 南京 211300；4. 南京土壤儀器廠有限公司，江蘇 南京 210014）

巖土工程測試技術(shù)是研究巖土工程問題的基礎(chǔ)。社會(huì)的發(fā)展促進(jìn)了土木行業(yè)新需求的產(chǎn)生，傳統(tǒng)的巖土工程也因此正在面臨更多新問題的挑戰(zhàn)，例如能源地下結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，使得巖土工程需要極大地考慮溫度影響等問題[1-4]。與之對應(yīng)的，巖土工程的測試技術(shù)也需要考慮這些新因素的影響[5-6]。這就要求土木工程類高等教育教學(xué)中不僅要注重學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)的培養(yǎng)，還需要適當(dāng)考慮引入與工程有關(guān)的新興課題的教學(xué)與實(shí)踐，聯(lián)結(jié)專業(yè)教學(xué)與社會(huì)生產(chǎn)，以擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備，培養(yǎng)出符合時(shí)代和社會(huì)需求的學(xué)生。

近年來，建筑信息模型（building information modeling，BIM）技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)、建造以及管理等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[7-9]。在政府有關(guān)部門的推動(dòng)下，工業(yè)設(shè)計(jì)及施工領(lǐng)域逐漸應(yīng)用該技術(shù)，相關(guān)高等院校以及科研機(jī)構(gòu)也對BIM 技術(shù)展開了積極探索?；诮ㄖこ绦畔⒒˙IM）建設(shè)一體化的虛擬實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室，將有利于學(xué)生盡早熟悉相關(guān)的操作方法和實(shí)踐步驟，以便在面對復(fù)雜及疑難問題時(shí)，能有效降低實(shí)際操作中的出錯(cuò)率，提高安全保障性[10-11]。新型的BIM 技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，突破實(shí)驗(yàn)場地和測試時(shí)間的限制，可以幫助學(xué)生反復(fù)系統(tǒng)地學(xué)習(xí)，學(xué)校則能夠在保證學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量的前提下降低綜合成本。這也是土木工程及相關(guān)專業(yè)教育發(fā)展的重要趨勢[12-13]。對承擔(dān)科研創(chuàng)新任務(wù)的研究人員來說，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室還可以根據(jù)測試需求修改傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器模型，通過反復(fù)推敲確定合理的設(shè)計(jì)及操作方案，研究出符合科研需求且易于加工實(shí)現(xiàn)的新型儀器設(shè)備。這有利于降低科研人員的時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成本，避免不必要的資源浪費(fèi)。

本文將 BIM 技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)與傳統(tǒng)的巖土三軸測試相結(jié)合，構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室，并應(yīng)用于土力學(xué)及巖土工程測試技術(shù)的教學(xué)與科研中，有利于促進(jìn)高校專業(yè)課程教學(xué)改革以及新型實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，有利于增加高校實(shí)驗(yàn)室教學(xué)的創(chuàng)新性、多樣性，有利于拓展學(xué)生知識(shí)面及提升實(shí)驗(yàn)人員隊(duì)伍的整體素質(zhì)。

1 建設(shè)BIM 實(shí)驗(yàn)室的必要性

1.1 巖土三軸測試技術(shù)

巖土工程測試技術(shù)是研究巖土工程問題的重要基礎(chǔ)，土力學(xué)范疇內(nèi)的各種土體參數(shù)的確定都離不開巖土工程測試技術(shù)的應(yīng)用。三軸試驗(yàn)是巖土工程測試中基礎(chǔ)而又極為重要的實(shí)驗(yàn)，土體黏聚力和摩擦角參數(shù)的確定即是基于該實(shí)驗(yàn)的[14]。三軸試驗(yàn)結(jié)果還是土體應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系的基礎(chǔ)，是各類理論計(jì)算、數(shù)值模擬的依據(jù)，更是巖土工程設(shè)計(jì)的重要參考。可以說，涉及到土體力學(xué)參數(shù)的工程均離不開土體三軸測試。圖 1為傳統(tǒng)應(yīng)變控制式三軸測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖以及BIM效果圖。盡管三軸試驗(yàn)如此重要，其基本的土力學(xué)基礎(chǔ)理論在所有的土力學(xué)教學(xué)中均有涉及，但是并非每所土木工程類高等院校都能為學(xué)生提供真正的三軸試驗(yàn)教學(xué)與實(shí)踐。為了改變這種狀況，基于BIM 技術(shù)構(gòu)建巖土三軸測試技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室十分必要。

圖1 應(yīng)變控制式三軸測試系統(tǒng)

1.2 傳統(tǒng)的巖土三軸測試教學(xué)與科研的不足

傳統(tǒng)的巖土三軸測試技術(shù)教學(xué)往往采用實(shí)驗(yàn)室課上先由教師當(dāng)堂講授原理、進(jìn)行示范操作，再由學(xué)生自行實(shí)驗(yàn)的方式。這種方式存在如下不足。

（1）注重實(shí)驗(yàn)操作，忽視實(shí)驗(yàn)效果。由于實(shí)驗(yàn)課上講授原理的時(shí)間有限，學(xué)生往往在沒有充分理解實(shí)驗(yàn)原理的情況下就盲目按照教師的示范草草進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果是雖然完成了實(shí)驗(yàn)過程，但實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不理想。

（2）巖土三軸測試技術(shù)教學(xué)是基于土力學(xué)[15]等專業(yè)課程的，但是二者在時(shí)間安排上前后脫節(jié)。學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)課時(shí)缺乏實(shí)驗(yàn)方面的實(shí)踐，使得對專業(yè)課內(nèi)容理解困難；在學(xué)習(xí)巖土工程測試技術(shù)時(shí)，早先學(xué)過的土力學(xué)課程中的測試原理等內(nèi)容也忘得差不多了，大大影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（3）巖土三軸測試技術(shù)的實(shí)驗(yàn)儀器配套軟硬件配置不足。一是由于學(xué)科建設(shè)經(jīng)費(fèi)等原因使實(shí)驗(yàn)儀器配套不完善，種類缺乏或者數(shù)量較少，不能滿足學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)需求；二是更新?lián)Q代不及時(shí)，版本較低的老舊產(chǎn)品往往使測量結(jié)果存在較大誤差。

（4）實(shí)驗(yàn)課程的考核形式單一。實(shí)驗(yàn)課上學(xué)生僅仿照教師的示范進(jìn)行操作、記錄數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)，如果據(jù)此對學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程考核，不足以考核學(xué)生分析問題的能力，更不足以考核學(xué)生的創(chuàng)新能力。

傳統(tǒng)的巖土三軸測試技術(shù)在科研上也存在一些不足。

（1）以研究生為主的科研實(shí)驗(yàn)者實(shí)驗(yàn)操作不夠規(guī)范?；趥鹘y(tǒng)儀器，要進(jìn)行滿足科研創(chuàng)新要求的巖土三軸測試實(shí)驗(yàn)，往往操作復(fù)雜，涉及的專業(yè)知識(shí)較深，研究生們往往參照規(guī)范進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但當(dāng)部分創(chuàng)新型內(nèi)容在規(guī)范中未有涉及，同時(shí)又缺乏專業(yè)人員的指導(dǎo)時(shí)，則實(shí)驗(yàn)操作容易出現(xiàn)偏差，影響科研類實(shí)驗(yàn)的效果。

（2）科研實(shí)驗(yàn)經(jīng)常涉及國外引進(jìn)的巖土三軸測試儀器及技術(shù)，由于實(shí)驗(yàn)規(guī)范及語言的差異，使得他們學(xué)習(xí)和使用這些儀器的效率較低，出錯(cuò)率較高，溝通和解決問題的速度較慢，影響科研成果產(chǎn)出。

（3）自主研發(fā)科研所需的巖土三軸測試儀器周期長，難度大。根據(jù)科研需要，可能需要與廠商合作自主研發(fā)滿足特殊需求的巖土三軸測試儀器。這時(shí)首先需要自行進(jìn)行粗略設(shè)計(jì)，確定可行性，修改設(shè)計(jì)方案，然后再聯(lián)系廠家定制。但由于研究者對儀器結(jié)構(gòu)不十分熟悉，其間需要反復(fù)溝通、協(xié)調(diào)和調(diào)試，所需時(shí)間較長。

與傳統(tǒng)的巖土三軸測試相比，構(gòu)建巖土三軸測試虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，以虛擬測試任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)，以BIM平臺(tái)作為輔助，結(jié)合巖土三軸測試技術(shù)教學(xué)演示模型，能夠及時(shí)補(bǔ)充和完善土力學(xué)課程中與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)，通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)開放實(shí)驗(yàn)虛擬操作平臺(tái)，能夠滿足學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課前、課后進(jìn)行自主學(xué)習(xí)的需求。此外，增設(shè)科研類虛擬平臺(tái)，可以為科研實(shí)驗(yàn)人員提供更豐富的實(shí)驗(yàn)教程和操作平臺(tái)，有助于他們的規(guī)范操作，有助于提高科研效率。借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的儀器模型，還可使科研人員更方便地了解儀器結(jié)構(gòu)，更好地自主設(shè)計(jì)滿足自身科研需求的儀器，提高與儀器生產(chǎn)商的溝通效率，節(jié)省時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成本，提高儀器自主研發(fā)的成功率。

1.3 巖土三軸測試技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)目的

利用BIM 技術(shù)、虛實(shí)結(jié)合和仿真訓(xùn)練平臺(tái)，建立巖土三軸測試技術(shù)教學(xué)、科研、自主創(chuàng)新一體化的教育系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信息共享；結(jié)合行業(yè)發(fā)展需求，培養(yǎng)理論與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)扎實(shí)的學(xué)生，并為科研實(shí)驗(yàn)人員提供輔助科研的良好平臺(tái)，提升傳統(tǒng)巖土三軸測試技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果及科研創(chuàng)新能力。

2 巖土三軸測試技術(shù)BIM 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)內(nèi)容

2.1 建立仿真模擬模型

利用 BIM 技術(shù)建立實(shí)驗(yàn)儀器BIM 模型，并進(jìn)行可視化的實(shí)驗(yàn)操作過程模擬。

首先，以巖土三軸測試儀器實(shí)物或 CAD 設(shè)計(jì)圖為基礎(chǔ)，使用 Revit 等軟件分別建立與實(shí)驗(yàn)儀器相對應(yīng)的包含元件信息的構(gòu)件族庫，修改各組件的平面坐標(biāo)或空間坐標(biāo)參數(shù)，然后拼裝組合形成巖土三軸測試儀器的核心部件BIM 模型。圖2 為巖土三軸測試儀器核心部件三軸壓力室各元件的BIM 示意圖。

然后依據(jù)規(guī)范確定三軸試驗(yàn)的操作過程和操作步驟，以及每一步驟可能產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，例如土體變形或者孔隙水流動(dòng)等，方便后續(xù)對實(shí)驗(yàn)過程的解釋和模擬。

最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的全過程動(dòng)態(tài)模擬。在Navisworks軟件中導(dǎo)入已建好的BIM 模型，根據(jù)Timeliner 與視點(diǎn)命令，關(guān)聯(lián)BIM 模型相關(guān)構(gòu)件和時(shí)間維度以及空間視點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)巖土三軸試驗(yàn)的4D 全測試過程模擬。

2.2 建設(shè)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真模擬實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室是基于虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，主要包括：實(shí)驗(yàn)室環(huán)境、測試儀器、實(shí)驗(yàn)對象和材料、實(shí)驗(yàn)信息資源等。利用該技術(shù)，建立巖土三軸測試虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，不斷為本科生學(xué)習(xí)三軸測試技術(shù)提供條件，為進(jìn)行復(fù)雜實(shí)驗(yàn)的科研人員提供學(xué)習(xí)資源，為科研工作和科研創(chuàng)新提供良好支撐。

圖2 三軸壓力室各元件BIM 示意圖

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的功能主要包括以下方面。

（1）學(xué)習(xí)目標(biāo)明確，能夠及時(shí)配合土力學(xué)教學(xué)需要，契合教育改革方案。

（2）以課本理論知識(shí)為基礎(chǔ)，以工程問題為研究背景，結(jié)合實(shí)際工程需要對巖土三軸測試技術(shù)進(jìn)行講解，包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、對?yīng)工程應(yīng)用、實(shí)驗(yàn)規(guī)范、操作步驟、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等。

（3）對實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行模型化，提取各部分組件，展示設(shè)備或者材料的性能參數(shù)，幫助學(xué)習(xí)者深入了解儀器相關(guān)知識(shí)或?qū)嶒?yàn)相關(guān)要求。

（4）對國外常用的三軸測試儀器進(jìn)行補(bǔ)充介紹，擴(kuò)展巖土三軸測試范疇，為科研實(shí)驗(yàn)者提供重要學(xué)習(xí)資源。

（5）與虛擬仿真技術(shù)結(jié)合，在虛擬實(shí)驗(yàn)室中展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室操作注意事項(xiàng)，特別是誤操作及可能產(chǎn)生的后果，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)室安全意識(shí)，保障實(shí)驗(yàn)人員的人身安全。

傳統(tǒng)巖土三軸測試實(shí)驗(yàn)室往往無法及時(shí)更新實(shí)驗(yàn)儀器產(chǎn)品，淘汰老舊的實(shí)驗(yàn)設(shè)施，一定程度上影響傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，且由于場地等原因限制新技術(shù)的教學(xué)與傳播?；贐IM 技術(shù)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室則可以通過軟件更新、模型更新彌補(bǔ)這一缺陷，在節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本和時(shí)間成本的同時(shí)，確保學(xué)生能夠及時(shí)學(xué)習(xí)到最新的知識(shí)和技能。虛擬實(shí)驗(yàn)室同時(shí)設(shè)置建議和意見反饋系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)人員可以根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)對系統(tǒng)提出建議和意見，以便系統(tǒng)后臺(tái)對虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整更新，使其更貼近實(shí)驗(yàn)者的需求。

2.3 建立巖土三軸測試技術(shù)BIM 實(shí)驗(yàn)基地

依托巖土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，建立了巖土三軸測試技術(shù)BIM 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ突?，供本校師生以及外來交流人員參觀學(xué)習(xí)、網(wǎng)上虛擬操作以及開發(fā)新型三軸測試類儀器?；亓⒆阌谛袠I(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合未來技術(shù)趨勢，不斷提升科技含量；結(jié)合國家戰(zhàn)略發(fā)展需求，不斷向行業(yè)和社會(huì)輸出創(chuàng)新型知識(shí)成果；積極與企業(yè)合作，深入挖掘潛力，充分利用實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢?yōu)勢，支撐教學(xué)和學(xué)術(shù)研究工作。

3 BIM 在巖土三軸測試教學(xué)和科研中的應(yīng)用

將 BIM 技術(shù)引入土力學(xué)教學(xué)和巖土三軸測試的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下方面。

3.1 完善教學(xué)形式與內(nèi)容方面

（1）設(shè)置BIM 知識(shí)理論課程，介紹BIM 的原理、理論體系、建模技術(shù)以及相關(guān)應(yīng)用。

（2）介紹巖土三軸測試技術(shù)，完善土力學(xué)理論和實(shí)踐知識(shí)教學(xué)，加深學(xué)生對土力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)和工程實(shí)踐的理解。

（3）開放巖土三軸測試技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，供學(xué)生課后參考學(xué)習(xí)，激發(fā)自主學(xué)習(xí)意識(shí)，提供網(wǎng)上交流平臺(tái)。

（4）在巖土三軸測試技術(shù)實(shí)踐教學(xué)中融入虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)。在關(guān)鍵操作上，學(xué)生可以登錄平臺(tái)邊學(xué)習(xí)邊操作，提升實(shí)驗(yàn)效果。通過實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師的適當(dāng)補(bǔ)充講解，幫助學(xué)生提高學(xué)習(xí)效率。

（5）在傳統(tǒng)考核基礎(chǔ)上，在網(wǎng)絡(luò)課堂上引入學(xué)時(shí)積分考核。要求學(xué)生的視頻學(xué)習(xí)要達(dá)到規(guī)定的學(xué)時(shí)，還要通過實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)考核及各項(xiàng)虛擬操作測試。

3.2 輔助科研創(chuàng)新方面

（1）科研人員可以進(jìn)入復(fù)雜實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，例如英國GDS 公司的三軸試驗(yàn)系統(tǒng)。學(xué)習(xí)同類先進(jìn)儀器的知識(shí)原理、操作過程、科研及工程應(yīng)用等，豐富科研人員的知識(shí)儲(chǔ)備。

（2）開放科研人員提取虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室儀器模型的權(quán)限。當(dāng)科研人員需要自主設(shè)計(jì)部分實(shí)驗(yàn)儀器時(shí)，可以借助虛擬實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的儀器模型，深入了解儀器結(jié)構(gòu)，并基于此結(jié)構(gòu)，利用BIM 相關(guān)軟件，進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，既節(jié)省了時(shí)間又有利于提高與儀器生產(chǎn)商的溝通效率，提高自主設(shè)計(jì)的成功率。利用BIM 技術(shù)設(shè)計(jì)的溫控樁-土接觸面三軸壓力室[5]如圖3 所示。

圖3 溫控樁-土接觸面三軸壓力室BIM 示意圖

3.3 完善課程教學(xué)大綱、優(yōu)化師資力量方面

通過不斷的教學(xué)探索與實(shí)踐，制定了合適的巖土三軸測試技術(shù)教學(xué)大綱以及BIM 學(xué)習(xí)指南，方便學(xué)生快速掌握巖土工程相關(guān)理論以及BIM 技術(shù)基本知識(shí)。在體現(xiàn)教學(xué)大綱標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的基礎(chǔ)上，強(qiáng)調(diào)課程的探索性、創(chuàng)新性，不僅注重學(xué)生對巖土工程測試知識(shí)的掌握，而且注重激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思維。BIM 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室設(shè)置專職的建模人員和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師，強(qiáng)調(diào)對實(shí)驗(yàn)人員的知識(shí)更新和對相關(guān)教師的培訓(xùn)和互補(bǔ)學(xué)習(xí)，提升教師隊(duì)伍的整體素質(zhì)。

4 結(jié)語

本文利用行業(yè)先進(jìn)的BIM 技術(shù)，建設(shè)了巖土三軸測試技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，開設(shè)了 BIM 相關(guān)理論課程，強(qiáng)化了巖土方向基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)和實(shí)踐。將BIM技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，有利于拓展學(xué)生的知識(shí)面，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)探索能力。