虛擬仿真技術 在建筑施工技術實訓教學中的實踐

鮑立平 劉繼焜

【摘要】本文論述虛擬仿真技術在建筑施工技術實訓教學中的應用，指出該技術的特點，探究該技術與建筑施工技術實訓課程的結合點，提出虛擬仿真技術與現(xiàn)場實訓教學結合、與BIM課程體系相融合、與安全教育相融合的策略，以此解決《建筑施工技術》課程及實訓教學的痛點、難點。

【關鍵詞】虛擬仿真 建筑施工技術 實訓教學 信息化

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2022）15-0165-04

建筑施工技術課程是職業(yè)院校建筑工程技術專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，該門課程所涉及的大量知識點皆有很強的實踐性，而建筑施工技術實訓教學是建筑施工技術課程的重要組成部分，是教學活動中的重要一環(huán)，可以檢驗學生的學習收獲，也是培養(yǎng)學生實踐能力和創(chuàng)新能力的重要手段，對培養(yǎng)學生分析和解決問題能力、動手和實踐能力、技術創(chuàng)新以及工程素養(yǎng)具有重要的意義，還能幫助學生更好掌握課程的知識點和專業(yè)技能。因此，如何有效提升實訓教學的教學成效是廣大教師關注與研究的焦點。本文以廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術大學建筑工程技術專業(yè)在建筑施工技術課程實訓教學中虛擬仿真技術的應用為例，進行探討和研究。

一、虛擬仿真技術及其應用概況

（一）虛擬仿真技術概述

虛擬仿真技術又叫作Virtual Reality（VR），是一種建立在仿真技術之上，通過計算機建立起的系統(tǒng)，而后對另一個真實系統(tǒng)或假想系統(tǒng)進行動態(tài)試驗，從而實現(xiàn)對其的仿真與模擬還原的技術。虛擬仿真技術具有經(jīng)濟性、高效性、動態(tài)性等多種特點，甚至只需一臺計算機即可完成全部仿真模擬操作。除了成本非常低廉，虛擬仿真技術可以對靜態(tài)、平面信息和數(shù)據(jù)內容進行轉化，利用相關程序和命令將其轉化成直觀立體的三維模型，進而可以有效實現(xiàn)抽象和現(xiàn)實的完美結合。與此同時，虛擬仿真技術具有極高的容錯功能，且較少受時空的約束限制。

（二）虛擬仿真技術在建筑行業(yè)的應用廣泛

虛擬仿技術最早應用于軍事領域，如洲際導彈的研制、阿波羅登月計劃、核電站運行等方面。直至20世紀70年代中期，虛擬仿真技術開始向民用領域擴展，并從1980年代開始，依托計算機技術的發(fā)展大規(guī)模地應用于儀器儀表、虛擬制造、電子產(chǎn)品設計、仿真訓練等生產(chǎn)、生活各個方面。

目前，虛擬仿真技術在建筑行業(yè)應用廣泛，尤其是在施工過程中。與其他行業(yè)相比，建筑工程施工工序繁多、施工技術復雜、露天和危險作業(yè)多，而且建筑的生產(chǎn)往往無法重復進行，能夠安全高效地竣工是生產(chǎn)參與者所期望的。這都給建筑行業(yè)的教學帶來了很大的技術困難。而隨著近幾年虛擬仿真技術的發(fā)展，其在建筑行業(yè)應用越來越多，并拓展到教學方面，主要包括下列幾個方面。

首先，在建筑工程設計過程中，一般涉及相關專業(yè)較多，如果是大型公共建筑則涉及的專業(yè)更多。在傳統(tǒng)的建筑工程設計中各專業(yè)分開進行，最終將各自專業(yè)的設計圖紙匯總成為整體項目，因此在此過程中經(jīng)常出現(xiàn)各專業(yè)之間的矛盾現(xiàn)象，不但增加施工中統(tǒng)籌的難度還可能造成不必要的浪費。現(xiàn)在很多設計公司或者施工單位施工前引入虛擬仿真技術，提前根據(jù)各專業(yè)圖紙?zhí)摂M整個建筑工程，進行各專業(yè)的模擬碰撞監(jiān)測，提前發(fā)現(xiàn)其中的不足并及時調整，可以很大程度減少上述問題的發(fā)生。

其次，在建筑工程施工過程中，虛擬仿真技術可以整體模擬施工現(xiàn)場包括周圍的環(huán)境，做到高度和形狀都與實際一樣，并生成具有聲音和動作的仿真特效，場景信度高，可以讓施工管理人員在整體規(guī)劃上提前考慮，全面做好規(guī)劃，比如場地布置、施工組織設計等。另外虛擬仿真技術可以借助三維動畫展示施工中的技術重、難點，可以用于制訂施工方案，還可以輔助施工人員培訓和學習。而且與真實的生產(chǎn)相比，這部分技術屬于難度較低的技術應用，可以用較少的資金實現(xiàn)很好的效果，因此這方面應用已經(jīng)較為廣泛。

最后，在施工安全方面，建筑施工安全是永恒的話題，保證施工人員的人身安全永遠放在第一位。目前，多在鋼結構施工環(huán)節(jié)中應用虛擬仿真技術輔助。大型鋼結構結構受力復雜，對不同施工方案進行模擬可以保證施工的安全。能對不同施工方案進行模擬，排查消除各種安全隱患，還可以對安全事故進行仿真模擬，讓施工人員了解施工之中的危險點并提前做好應急預案。

（三）虛擬仿真技術與建筑施工技術實訓課程的結合點

建筑施工技術的實訓教學主要包括幾方面內容：①砌筑工程。包括砌筑砂漿的制作和檢測、砌磚的操作。②鋼筋工程。包括鋼筋的識別、加工和連接。③混凝土工程。包括混凝土配置、養(yǎng)護和檢測。④模板工程。包括模板的安裝和拆卸。⑤腳手架工程。包括腳手架的安裝和拆除。⑥抹灰工程。包括抹灰砂漿的配置和抹灰施工。另外還有土石方工程、防水工程、其他裝飾裝修工程等內容。教師通常根據(jù)課時安排實訓課程內容。要求學生掌握各分部的施工工藝、施工方法、質量標準、安全措施、并能依據(jù)規(guī)范要求進行質量檢驗和驗收。

上述建筑施工過程中存在不少難點、重點，以及危險的操作，往往都無法在常規(guī)的實訓室實現(xiàn)。上述教學內容，均可借助虛擬仿真技術輔助開展教學，幫助學生從理論到實踐均得到收獲。并且可以在節(jié)省財力、物力、人力并且保證安全的基礎上，讓學生更加直觀地掌握知識，激發(fā)學習興趣，讓學校更好地完成教學任務并取得不錯的教學成效。

二、虛擬仿真技術在實訓教學中的應用策略

（一）VR技術與現(xiàn)場實訓教學結合

一般開設有建筑工程相關專業(yè)或者開設建筑工程技術課程的院校會配套建設建筑工程實訓中心，規(guī)模大小不一涵蓋內容不盡相同。以廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術大學為例。學校配置建筑工程實訓室，比較常規(guī)的實訓比如砂漿制作、檢測砂漿相應強度和指標、混凝土配置和相應檢測實驗、砌筑施工、鋼筋綁扎等實訓內容都可以在實訓室內完成?？擅鎸θ缡┕霾?、鋼結構施工、預應力構件制作施工、剪力墻等大型復雜煩瑣的施工工藝的教學，以及不斷迭代的施工技術，學校的實訓條件難以滿足學生實訓要求。

廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術大學根據(jù)《建筑施工技術》實訓教學的要求，建設建筑工程虛擬仿真實訓室。該虛擬仿真實訓室主要利用虛擬仿真技術的三維動畫技術進行專業(yè)技術教學，并根據(jù)建筑施工的主要內容購置相應模塊，如基礎開挖、樁基礎施工、模板安裝、地下室防水施工、鋼筋綁扎、模板安裝、混凝土及大體積混凝土澆筑、二次結構施工等內容。這部分虛擬仿真動畫教學主要與傳統(tǒng)PPT教學、實訓室教學相結合，教授專業(yè)技術知識點。

為了充分利用教學時間提高教學成效，根據(jù)現(xiàn)有的實訓條件和虛擬仿真實訓室條件，學校多以“四節(jié)連上”的方式，讓學生在課堂上能夠集中精力學習。排課時，學校常采用如下3種方式：①一節(jié)課課堂教學+兩節(jié)課實訓室操作+一節(jié)課虛擬仿真補充;②一節(jié)課課堂教學+一節(jié)課虛擬仿真教學+兩節(jié)課實訓室操作;③兩節(jié)課虛擬仿真教學+兩節(jié)課實訓室操作。在實際教學中多根據(jù)教學實際，進行相應的靈活處理，以學習效果為重。

通過引入虛擬仿真三維動畫實訓室教學，教學出現(xiàn)了如下的改觀。

首先，學生的學習積極性有極大的提高。第一表現(xiàn)在出勤率上，學校建筑工程技術專業(yè)班學生人數(shù)約為45人/班，之前能夠達到全勤上課占整個課時量80%左右。加入虛擬仿真三維動畫實訓教學后，全勤率達90%或以上，很明顯學生樂于參與這樣的課堂。其次是學生的參與度更高。引進虛擬仿真技術后，純理論教學的時間減少了。當單純靠聽吸取知識的時間被壓縮后，動手的時間相應增加，無論是實訓室還是虛擬仿真實訓室，學生的參與度更高，更能積極回應老師提出的問題，學生玩手機睡覺的情況明顯減少。

其次，利用VR系統(tǒng)的考評結合功能，提升教學評價效果。學校課程的成績通常包括出勤成績、平時成績、實訓成績和最終考試成績。教師在以往教學中科學評價平時成績和實訓成績有較大難度。而借助虛擬仿真技術系統(tǒng)配置的考評體系，可以有效解決這個問題，即通過參考每名學生的學習時間、學習次數(shù)來幫助教師評估學生的平時成績。而系統(tǒng)內也可以直接出學生的平時練習題成績，幫助教師客觀給出學生的實訓成績。

通過引入虛擬仿真技術，廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術大學的教學成效得到很大提高，最直觀的表現(xiàn)就是學生期末考試的及格率和優(yōu)秀率都有了很大的提升。

（二）VR技術與BIM課程體系相融合

2017年4月住房和城鄉(xiāng)建設部印發(fā)《建筑業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，持續(xù)推進BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）技術的普及，推進其快速應用發(fā)展。廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術大學組建了BIM實訓室用于BIM課程建設，建筑工程BIM課程包括如下模塊：BIM建模及應用、BIM造價管理、BIM施工組織設計、BIM5D施工管理、BIM裝配式建筑，BIM智能建造等。涉及的軟件類型有：Revit建模軟件、計量軟件、計價軟件，模板和腳手架設計軟件、場地布置軟件、進度計劃軟件、漫游及碰撞軟件等。BIM課程體系同時服務于建筑工程技術專業(yè)和工程造價專業(yè)等專業(yè)，不同專業(yè)根據(jù)專業(yè)側重點學習掌握BIM課程的不同模塊。該課程體系更加側重于整體，結合虛擬仿真技術可以實現(xiàn)從設計到施工再到使用維護階段的全過程模擬。

目前，廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術大學根據(jù)建筑施工技術課程實訓教學要求，主要采取開設BIM相應課程或者在相關課程中植入BIM模塊以實現(xiàn)VR技術與BIM課程體系相結合。開設《BIM技術與應用》專業(yè)必修課，主要學習Revit建模軟件，實現(xiàn)整體工程項目的三維建模，與虛擬仿真的局部三維動畫相呼應。同時在建筑施工技術課程中加入BIM施工組織設計、BIM5D施工管理模塊，在虛擬仿真技術模塊中直接進行場布和施工組織設計，并完善了BIM造價管理、施工技術管理體系。

建筑施工技術教學BIM課程體系融合VR技術后，學校教學資源利用實現(xiàn)了最大化，同時，學生利用Revit三維建模建筑施工技術課程實訓教學中項目整體管理部分的內容，對整個項目進行了虛擬三維仿真，可以實現(xiàn)各專業(yè)的碰撞檢查，這在以后的施工管理中意義重大。而場布和施工組織設計都是建筑施工技術的重要組成部分，盡管最后以三維動畫展示的形式呈現(xiàn)，但是BIM課程體系的場布和施工組織設計均由學生自主完成，提高了學生對專業(yè)知識的掌握程度，增加了學生的學習的探索欲從而提升學習效率。BIM技術與虛擬仿真技術相融合，同時分散到不同課程或者模塊中，激發(fā)學生的探索欲，進而提升了知識學習掌握的效率。

（三）VR技術與安全教育相融合

建筑施工安全在現(xiàn)場施工中是非常重要的，很多建筑工程施工現(xiàn)場都在醒目位置布置有“安全第一”的宣傳標語，但是注意安全不僅是一句簡單的口號，更是需要所有在施工現(xiàn)場的人時刻繃緊安全的弦，任何有安全隱患的事情都不能做，所有安全隱患要盡可能地消除和預防。安全事故一旦發(fā)生，后果往往不堪設想，同時會帶來巨大的經(jīng)濟損失。而安全相關的內容大多數(shù)不可能依托現(xiàn)場實訓教學實現(xiàn)，在以往教學中主要通過教師的教授，包括口頭講述、照片觀察、工地參看等方式。但是沒有切身的體會，很難引起學生的特別重視，如在工地現(xiàn)場時仍然存在學生不按規(guī)范戴安全帽、無視安全警示標志操作的情況。

引入虛擬仿真技術安全體驗到建筑施工技術課程實訓教學中，可以讓學生身臨其境地體驗建筑施工安全事故的嚴峻性，并通過仿真互動對生產(chǎn)安全產(chǎn)生敬畏之心。教學過程中，首先讓學生戴好頭戴設備、握住手柄，引導其進入虛擬仿真里的工地現(xiàn)場，在虛擬工地里，除了展示完備的生產(chǎn)實景，還設置滅火器、沙土堆等安全生產(chǎn)設施。該系統(tǒng)同時也模擬了洞口墜落、土方坍塌、高空墜落等環(huán)節(jié)，通過語音提示，讓學生學習建筑安全生產(chǎn)知識，并即時指導學生在工地事故發(fā)生時做出正確反應，讓學生在保證安全的情況下感受到安全事故的嚴峻性，產(chǎn)生敬畏之心。

通過VR安全體驗，學生紛紛表示印象深刻，甚至一部分學生表示感受非常真實，例如洞口墜落等項目不愿意體驗第二次。這樣，安全警示教育的目的已經(jīng)基本達到了。同時，學生還依托虛擬仿真技術模擬演練發(fā)生安全事故發(fā)生時的正確反應，這個體驗式教育比單純地開展純理論教授效果顯著，最重要的就是學生感知施工安全的重要性，對安全生產(chǎn)有敬畏之心。體驗過虛擬仿真技術安全體驗后的學生再次到工地現(xiàn)場都能夠做到遵守施工安全規(guī)范要求，這也是施工安全教育的終極目標實現(xiàn)。

綜上所述，職業(yè)教育承擔著培養(yǎng)專業(yè)技術人才的重大責任，尤其注重培養(yǎng)學生動手能力和實際操作能力，充分利用虛擬仿真技術可以幫助學生將理論知識與實踐操作結合，提高學習興趣。虛擬仿真教學推動著職業(yè)教育的進一步發(fā)展，通過沉浸式的體驗與學習，學生仿佛身臨其境，增加了課堂環(huán)境的真實感，可極大提升學生的課堂參與度和學習成效，教學實施效果很顯著。但是虛擬仿真技術的引進通常需要較大的資金投入，具體引進的種類和數(shù)量還需要決策者多方論證后根據(jù)實際情況確定。

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注：本文系虛擬仿真技術在《建筑施工技術》實訓教學中的研究與實踐（YJJ1912）的研究成果之一。

作者簡介：鮑立平，廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術大學審計室副主任，高級工程師，主要從事工程審計、工程造價、工程管理等研究;劉繼焜，通訊作者，廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術大學園林與建設工程系建筑工程技術專業(yè)負責人，工程師，主要從事建筑工程技術專業(yè)教學研究。

（責編 羅異豐）