橋梁動靜載虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的建設(shè)及應(yīng)用

張 吉，陳建兵，張鵬飛，翟慕賽

(蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215011)

0 引言

在土木工程專業(yè)道橋方向課程教學(xué)體系中，“道路與橋梁工程檢測技術(shù)”是一門重要的實驗教學(xué)課程，而“橋梁動靜載試驗”(也稱“橋梁荷載試驗”)是課程涉及的重要教學(xué)環(huán)節(jié)之一。橋梁荷載試驗通過加載試驗，記錄橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的反應(yīng)，是評估橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)狀態(tài)及承載能力的必要手段，同時也為日后養(yǎng)護(hù)、維修、加固等決策提供科學(xué)依據(jù)和支持[1]。荷載試驗各流程中，測試系統(tǒng)組建及試驗流程控制是“道路與橋梁工程檢測技術(shù)”“測量學(xué)”等課程重要的實踐拓展，而方案編制和結(jié)果分析評定又綜合涵蓋了“材料力學(xué)”“結(jié)構(gòu)力學(xué)”“橋梁工程”等課程的理論知識。因此開展“橋梁動靜載試驗”的教學(xué)不僅可以使學(xué)生掌握相關(guān)專業(yè)知識，更能有效促進(jìn)學(xué)生多課程知識點(diǎn)的融會貫通，強(qiáng)化能力的塑造，為學(xué)生今后從事橋梁工程相關(guān)工作打下堅實基礎(chǔ)[2]。

橋梁動靜載試驗規(guī)模大、投入成本高，對實驗室條件要求極高，難以在實驗室完整重現(xiàn)整個試驗過程，通常采用觀看視頻的方式替代，但是學(xué)生的參與度及體驗感均較差。同時，實踐教學(xué)面臨危險性高、試驗周期長、工序復(fù)雜等困難[2]。一方面，試驗現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，且由于測試內(nèi)容和對象的特殊性，必須關(guān)閉正常交通，荷載試驗大多在夜間完成，與課時設(shè)置存在沖突。另一方面，即使部分學(xué)生能觀摩或參與現(xiàn)場試驗，也只能接觸部分試驗內(nèi)容。學(xué)生很難通過視頻、參觀等傳統(tǒng)方式全面掌握橋梁動靜載試驗涉及的所有工程技能。

為解決上述問題，本文將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到橋梁動靜載試驗教學(xué)中，利用Unity 3D仿真技術(shù)，開發(fā)了橋梁動靜載虛擬仿真教學(xué)平臺。將橋梁動靜載試驗移植到虛擬環(huán)境中[3]，使不易完整展現(xiàn)的復(fù)雜試驗過程變得可重復(fù)、可分析、可探索，使學(xué)生對橋梁動靜載試驗各重要環(huán)節(jié)有更完整的認(rèn)知和理解。虛擬仿真教學(xué)平臺通過提供具有良好沉浸感、臨場感、交互感的虛擬仿真場景，創(chuàng)造真實的學(xué)習(xí)體驗，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時，教師可以通過系統(tǒng)后臺的操作數(shù)據(jù)和反饋信息，及時了解學(xué)生的掌握程度，對教學(xué)效果進(jìn)行實時評估。

1 虛擬仿真實驗教學(xué)平臺建設(shè)內(nèi)容

1.1 虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的設(shè)計

橋梁動靜載虛擬仿真實驗平臺以連續(xù)梁橋為對象，基于真實工程項目中積累的設(shè)計資料及實測數(shù)據(jù)，通過對真實橋梁動靜載試驗流程及技術(shù)環(huán)節(jié)的虛擬仿真，輔以大量交互練習(xí)及操作，強(qiáng)化學(xué)生對動靜載試驗相關(guān)知識點(diǎn)的理解和認(rèn)知，包括試驗方案設(shè)計原理、測試設(shè)備布設(shè)原則、加載組織實施流程及結(jié)果評定準(zhǔn)則等。

利用Unity 3D仿真技術(shù)建立包括橋梁及周邊環(huán)境、加載車輛、測試儀器、現(xiàn)場實施人員等在內(nèi)的三維模型，將現(xiàn)實中的橋梁動靜載試驗進(jìn)行全流程仿真模擬。在過程中對學(xué)生操作進(jìn)行實時引導(dǎo)、評價和打分，將所有步驟進(jìn)行記錄，得出試驗結(jié)論，并結(jié)合橋梁縮尺模型、測試系統(tǒng)等硬件設(shè)備，最終完成橋梁動靜載試驗各階段的學(xué)習(xí)。具有“能實不虛、虛實結(jié)合”的鮮明特色，讓學(xué)生能夠“身臨其境”地參與到橋梁動靜載試驗的各個核心流程。

靜載試驗中，加載車輛的數(shù)量及位置由靜載試驗效率系數(shù)η控制，η為試驗施加荷載產(chǎn)生的作用效應(yīng)和設(shè)計荷載作用效應(yīng)(考慮沖擊)的比值[4]，對于驗證性試驗η宜介于0.85～1.05[1]。本虛擬仿真平臺中，所有橋梁模型均依據(jù)商用有限元軟件Midas Civil計算的影響線進(jìn)行合理加載方案的車隊布設(shè)。

1.2 虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的組成

結(jié)合土木工程專業(yè)培養(yǎng)方案和課程大綱，橋梁動靜載虛擬仿真平臺的框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。本虛擬仿真教學(xué)平臺在使用中設(shè)置了“試驗準(zhǔn)備”“漫游模式”“自學(xué)模式”“自測模式”4種模式，各自的功能如下。

圖1 虛擬仿真實驗平臺系統(tǒng)架構(gòu)

(1)試驗準(zhǔn)備。該模式主要服務(wù)于教師對橋梁荷載試驗原理的講解。結(jié)合文字及圖表，詳細(xì)介紹“橋梁工程”“道路與橋梁工程檢測技術(shù)”等課程中與橋梁荷載試驗相關(guān)的理論知識，包括試驗的目的及內(nèi)容、預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋力學(xué)特點(diǎn)、構(gòu)造特點(diǎn)和適用范圍等。

(2)漫游模式。為了便于學(xué)生快速認(rèn)知試驗場景、對象及設(shè)備，漫游模式提供了“地圖導(dǎo)航”和“漫游觀察”兩種查看方式，并給出了切換視角的快捷操作指南。學(xué)生可通過“地圖導(dǎo)航”查看關(guān)鍵局部位置，通過“漫游觀察”自由鳥瞰完整場景。

(3)自學(xué)模式。橋梁荷載試驗步驟繁多、涉及多門課程知識，自學(xué)模式下將利用知識要點(diǎn)、考題測試和系統(tǒng)提示，協(xié)助學(xué)生完成全過程的交互式操作。幫助學(xué)生形成對分級加載流程、安全控制措施及數(shù)據(jù)采集過程的認(rèn)知，整體掌握方案設(shè)計階段所涉及的理論知識。

(4)自測模式。該模式用于考核及評價學(xué)生對橋梁荷載試驗全流程的掌握程度。學(xué)生可自主選擇測試儀器種類、布設(shè)位置，判斷加載車輛數(shù)量、位置及車速，主導(dǎo)整個測試過程。通過動態(tài)監(jiān)控和實時評判機(jī)制，后臺自動記錄學(xué)生的所有互動操作并評定成績。仿真實驗結(jié)束時，系統(tǒng)可自動生成詳細(xì)的成績分析報告，便于教師實時分析教學(xué)效果、調(diào)整授課重點(diǎn)。

2 虛擬仿真實驗教學(xué)平臺使用流程

本虛擬仿真系統(tǒng)包括“試驗知識準(zhǔn)備-試驗方案設(shè)計-測試設(shè)備布設(shè)-加載組織實施-試驗數(shù)據(jù)整理”的全流程模擬，并嘗試變換結(jié)構(gòu)關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)、測量儀器類型、加載方式等30個操作步驟(靜載20個，動載10個)來強(qiáng)化學(xué)生對各關(guān)鍵流程的認(rèn)知。

2.1 靜載試驗主要步驟

2.1.1 靜載試驗理論知識準(zhǔn)備

橋梁靜載試驗的加載方案會隨著待測橋梁設(shè)計參數(shù)的變化而變化。為了幫助學(xué)生更熟練地掌握荷載試驗，平臺基于真實橋梁設(shè)計參數(shù)，針對變截面和等截面連續(xù)梁橋分別設(shè)置了3種跨徑布置、9種截面形式，共18座橋梁模型以供選擇。

首先，學(xué)生選定待測橋梁參數(shù)。其次，通過圖文表述及三維模型，認(rèn)知靜載試驗工況及測試截面的選定原則、試驗車輛軸重及軸距，掌握橋梁設(shè)計荷載取值及基于內(nèi)力影響線的布載原則。最后，學(xué)生須完成相應(yīng)知識點(diǎn)的考核?？己藘?nèi)容的設(shè)定基于方案設(shè)計階段的實際流程，包括設(shè)計荷載作用效應(yīng)有限元計算結(jié)果分析、基于影響線的加載車輛位置確定、靜載試驗效率計算等?？己私Y(jié)束后，系統(tǒng)會針對學(xué)生的錯誤選擇給予自動反饋說明，引導(dǎo)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)和解決問題，并確保學(xué)生能夠完整掌握靜載試驗方案設(shè)計階段所需的理論知識。

完成上述交互性操作后，學(xué)生可點(diǎn)擊“過程演示”按鈕，激活橋梁靜載試驗實拍視頻，并同步展示在本虛擬仿真系統(tǒng)中與之對應(yīng)的操作流程錄屏，如圖2所示。

圖2 實拍視頻及操作錄屏同步過程演示

2.1.2 測試設(shè)備布設(shè)

完成對試驗流程的認(rèn)知及理論知識的掌握后，學(xué)生根據(jù)提示在試驗設(shè)備窗口選擇合適的應(yīng)變測試儀器(包括：電阻應(yīng)變計、光纖應(yīng)變計、振弦式應(yīng)變計)以及撓度測試儀器(包括：全站儀、光學(xué)撓度儀、電子水準(zhǔn)儀)。學(xué)生選取每種測試儀器，均會有彈窗說明相應(yīng)儀器的原理，應(yīng)變測試儀器還會展示測點(diǎn)布置圖示；學(xué)生點(diǎn)擊“安裝”后，會在橋上相應(yīng)位置激活三維安裝動畫，界面右側(cè)也會同步展示實物操作視頻。

2.1.3 加載方案設(shè)計

本系統(tǒng)共設(shè)置了4個加載測試截面，包括：S1(邊跨正彎矩最大)，S2(全橋負(fù)彎矩最大)，S3(中跨正彎矩最大)，S4(全橋剪力最大)。以S1截面為例，學(xué)生點(diǎn)擊“S1加載設(shè)計”，場景中橋梁相應(yīng)位置出現(xiàn)光標(biāo)動畫；學(xué)生點(diǎn)擊光標(biāo)動畫，彈出該測試截面影響線，學(xué)生參考影響線設(shè)計該測試截面的加載方案，并用鼠標(biāo)點(diǎn)選合適的加載位置，同時激活車輛加載動畫。若選擇錯誤，系統(tǒng)會引導(dǎo)學(xué)生重新選擇。

2.1.4 加載組織實施及試驗數(shù)據(jù)整理

完成所有截面的加載位置設(shè)計后，系統(tǒng)會引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入“加載測試”模塊。首先，進(jìn)行S1(邊跨正彎矩最大)截面測試。學(xué)生根據(jù)提示在彈窗中選擇加載車輛數(shù)目，車輛按順序逐個行駛至指定位置；車輛到位后，學(xué)生須在彈窗內(nèi)輸入加載穩(wěn)定時間，輸入值在合理范圍內(nèi)才可進(jìn)行下一步；倒計時完畢，車輛開始卸載，卸載到位后同樣要輸入穩(wěn)定時間。加/卸載過程中的三維動畫可幫助學(xué)生直觀認(rèn)知在橋上布置多排多列加載車輛時，其合理的加/卸載順序；也可點(diǎn)擊“跳過加載內(nèi)容”按鈕，車輛直接加/卸載到位。卸載結(jié)束，得到S1截面的荷載效率η。對于驗證性試驗η宜介于0.85～1.05，若因車輛數(shù)目選擇錯誤導(dǎo)致η不在合理范圍內(nèi)，系統(tǒng)會給予警示。點(diǎn)擊“記錄”跳轉(zhuǎn)至“試驗結(jié)果處理”界面，引導(dǎo)學(xué)生掌握包括校驗系數(shù)在內(nèi)的核心參數(shù)的意義。系統(tǒng)會引導(dǎo)學(xué)生按順序完成所有測試截面的加載測試及數(shù)據(jù)處理。

2.2 動載試驗主要步驟

完成靜載試驗后，系統(tǒng)會提示用戶“是否進(jìn)入動載試驗”，點(diǎn)擊“是”進(jìn)入動載試驗三維虛擬環(huán)境。學(xué)生可在“試驗概況”模塊了解動載試驗的測試截面及工況。點(diǎn)擊“加載工況”，根據(jù)提示在彈窗中選擇跑車/剎車/跳車試驗，并選擇車速(10/20/30/40 km/h)，確認(rèn)“開始”，激活相應(yīng)三維動畫；車輛加載過程中同步出現(xiàn)真實工程項目中獲取的實測數(shù)據(jù)動態(tài)圖；點(diǎn)擊記錄，數(shù)據(jù)將保存至平臺。

2.3 成績評定

學(xué)生在“自測模式”下完成虛擬仿真實驗的所有互動操作后，基于后臺記錄數(shù)據(jù)自動生成虛擬仿真實驗報告，包括：理論測試得分與解析、測試設(shè)備布設(shè)操作得分、組織實施操作步驟得分。

整體成績評定采用多層次考核模式，將出勤情況、實驗預(yù)習(xí)、虛擬仿真實驗操作和主觀性實驗報告“四位一體”，全面評價學(xué)生的學(xué)習(xí)成效及知識掌握水平。具體考核要求、評分細(xì)則和比例如表1所示。

表1 考核要求以及評分細(xì)則

3 虛擬仿真實驗平臺的應(yīng)用效果

橋梁動靜載虛擬仿真實驗教學(xué)平臺于2018年10月上線，目前已實現(xiàn)開放共享，并已成功運(yùn)用到蘇州科技大學(xué)土木工程專業(yè)道路與橋梁工程方向4年級本科生及橋梁與隧道工程專業(yè)研究生的教學(xué)中，取得了較好的教學(xué)效果。集中課堂教學(xué)在虛擬仿真實驗室展開，學(xué)生也可通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程登錄平臺進(jìn)行預(yù)習(xí)及復(fù)習(xí)。平臺還被道橋檢測單位用于人員技術(shù)培訓(xùn)，截至2022年12月，服務(wù)對象已達(dá)1 800余人次。與傳統(tǒng)教學(xué)方式相比，虛擬仿真實驗平臺在應(yīng)用中的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)實驗方案設(shè)計思路。虛擬仿真實驗平臺基于研發(fā)團(tuán)隊多年教學(xué)與工程項目的積累，整合了大量實測數(shù)據(jù)、設(shè)計資料與多媒體素材，仿真度高、內(nèi)容全面。系統(tǒng)架構(gòu)及操作步驟經(jīng)過精心設(shè)計，依據(jù)橋梁動靜載試驗實際流程凝練出適合大學(xué)生操作實踐的若干子任務(wù)。采用交互式技術(shù)，實現(xiàn)多任務(wù)、可重復(fù)式操作，在設(shè)備布設(shè)時能夠嘗試多種測試儀器，在加載方案設(shè)計時能夠試錯并分析結(jié)果，滿足了學(xué)生“深度參與”的學(xué)習(xí)需求。

(2)教學(xué)方法。教學(xué)中利用搭建的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，將基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程教學(xué)和基于翻轉(zhuǎn)課堂的引導(dǎo)式、開放式教學(xué)相結(jié)合，極大地拓展了學(xué)生的學(xué)習(xí)資源和空間，豐富了學(xué)習(xí)模式，有效促進(jìn)了以學(xué)生為中心的研究性和創(chuàng)新性實踐教學(xué)。平臺融合多種媒體表現(xiàn)形式，將文字、圖像、動畫以及人機(jī)交互融合一體，能夠充分調(diào)動學(xué)生的積極性和主動性，發(fā)掘?qū)W生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造潛能。

(3)評價體系。平臺能對學(xué)生的全過程參與進(jìn)行記錄，對于學(xué)生理論學(xué)習(xí)效果及操作步驟都具備完善的評價標(biāo)準(zhǔn)與反饋機(jī)制，為指導(dǎo)教師改進(jìn)和優(yōu)化教學(xué)方案提供參考。

(4)傳統(tǒng)教學(xué)的延伸與拓展。平臺可完整模擬現(xiàn)場情況復(fù)雜、測試內(nèi)容繁多的橋梁荷載試驗，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)方式的不足。學(xué)生借助虛擬仿真平臺進(jìn)行動靜載試驗全流程的預(yù)習(xí)、操作及復(fù)習(xí)，同時結(jié)合橋梁縮尺模型、測試系統(tǒng)等硬件設(shè)備對測試系統(tǒng)組建有更直觀、細(xì)致的理解。通過“虛實結(jié)合”的教學(xué)模式，既系統(tǒng)教授了學(xué)生課程知識，又充分鍛煉了其解決工程實踐問題的基本技能，增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造能力和工程實踐能力，有效提升了土木工程實驗教學(xué)的質(zhì)量和水平。

4 結(jié)語

橋梁動靜載虛擬仿真平臺以大、中跨徑橋梁中常見的連續(xù)梁為對象，基于真實橋梁設(shè)計參數(shù)和測試數(shù)據(jù)，依托Unity 3D仿真、多媒體、人機(jī)交互等技術(shù)，構(gòu)建沉浸式的橋梁動靜載試驗現(xiàn)場環(huán)境和高度仿真的加載測試設(shè)備，將現(xiàn)實中很難在實驗室完整重現(xiàn)的橋梁動靜載試驗進(jìn)行仿真模擬。實現(xiàn)了“以虛補(bǔ)實、理實融合、深度參與”的教學(xué)效果，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實驗及實踐教學(xué)中整體性不強(qiáng)、無法完整參與的缺陷，解決了荷載試驗夜間進(jìn)行與課時設(shè)置之間的矛盾，克服了荷載試驗所需加載測試設(shè)備昂貴、現(xiàn)場情況復(fù)雜的困難，消除了試驗實施中的各項安全隱患。為培養(yǎng)具有扎實專業(yè)基礎(chǔ)知識、較強(qiáng)實踐能力和創(chuàng)新精神的高素質(zhì)工程應(yīng)用型人才提供有效保障。