建筑工程虛擬仿真實訓(xùn)室建設(shè)探索與實踐*

張同鈺（咸陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑學(xué)院，陜西 咸陽 712000）

《建筑施工技術(shù)》課程是中、高職院校建筑工程類專業(yè)主干課程之一，面向土建類建筑工程技術(shù)相關(guān)專業(yè)學(xué)生及行業(yè)學(xué)習(xí)者開設(shè)的，是一門理論面廣、實踐性強(qiáng)、技術(shù)發(fā)展迅速的綜合性課程，以土建工程施工流程為主線，主要培養(yǎng)學(xué)習(xí)者對認(rèn)知、分析和解決工程常見問題的能力，為從事建筑工程技術(shù)與管理工作奠定基礎(chǔ)。隨著計算機(jī)建模、云課堂、虛擬仿真等技術(shù)的普及和發(fā)展，在建筑工程施工中采用智能方法極大地促進(jìn)了施工技術(shù)和管理水平的提高，通過虛擬仿真技術(shù)對建筑工程施工進(jìn)行教學(xué)和研究，將創(chuàng)造極大的經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

1 建筑工程虛擬仿真實訓(xùn)室建設(shè)的基本原則

基于虛擬仿真技術(shù)開發(fā)的各種建筑類專業(yè)實訓(xùn)系統(tǒng)為高職院校建筑類專業(yè)實踐教學(xué)中面臨的問題給出了解決方案。通過虛擬仿真技術(shù)可以真實還原施工現(xiàn)場，使得學(xué)生或直接在虛擬現(xiàn)場中進(jìn)行漫游，或俯瞰現(xiàn)場整體布置，或洞察詳細(xì)工藝流程，或模擬事故發(fā)生瞬間，或體驗整個工程從無到有的建造過程。學(xué)生在新穎多樣的實訓(xùn)互動模式下，以主動方式對施工技術(shù)進(jìn)行深刻認(rèn)識、詳盡了解、充分體會，既可提升教學(xué)效果，亦可增強(qiáng)人才培養(yǎng)質(zhì)量。

1.1 重視技能培養(yǎng)，注重素質(zhì)提升

高職院校人才培養(yǎng)與企業(yè)需求相適應(yīng)，在實踐過程中注重技能培養(yǎng)，將企業(yè)崗位規(guī)范嵌入其中，讓學(xué)生明晰企業(yè)崗位需求，緩解人才供需不對稱問題。因此，建筑工程虛擬仿真實訓(xùn)室建設(shè)應(yīng)該追求靈活的教學(xué)方法及全面的知識覆蓋，具備“教”“學(xué)”“訓(xùn)”“考”全方位、一體化屬性，另輔之以虛擬場景、動畫、視頻等靈活的現(xiàn)代化教學(xué)手段，極大豐富教學(xué)內(nèi)容，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)趣味。

1.2 規(guī)范真實原型，做好頂層設(shè)計

建筑工程虛擬仿真實訓(xùn)室建設(shè)要以建筑企業(yè)真實工程為設(shè)計原型，以實際生產(chǎn)過程為開發(fā)依據(jù)，以企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)工藝流程、崗位分工、安全規(guī)范、典型異常工況為研發(fā)基礎(chǔ)，結(jié)合一線工程師和技術(shù)專家的工作經(jīng)驗，用目前流行的交互式虛擬仿真技術(shù)手段，完全1∶1地將生產(chǎn)一線搬到教室。同時，還應(yīng)該做好系統(tǒng)定位，是作為教學(xué)輔助理論工具還是開展課程操作實訓(xùn)，又或者是為了學(xué)生參加相應(yīng)的比賽。根據(jù)想要其發(fā)揮的作用，選擇各類系統(tǒng)的功能模塊。

1.3 明確教學(xué)思路，深度結(jié)合實際

建筑工程虛擬仿真實訓(xùn)室建設(shè)要以學(xué)校專業(yè)化的教學(xué)力量為依托，以企業(yè)成熟技術(shù)與先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用為基礎(chǔ)，直擊教學(xué)難點，實訓(xùn)系統(tǒng)以融入學(xué)校教、學(xué)、管、控的教學(xué)實踐運行模式為指導(dǎo)方針，實現(xiàn)多維仿真和真實場景模擬操作虛擬任務(wù)，在虛擬施工場景中的人機(jī)交互教學(xué)和漫游體驗，消除因環(huán)境、設(shè)備等條件不足引起無法直觀教學(xué)等教學(xué)難題。

2 建筑工程虛擬仿真實訓(xùn)室建設(shè)內(nèi)容及特色

2.1 建筑施工工藝仿真平臺

建筑施工工藝仿真平臺是基于建筑施工工藝流程和虛擬仿真技術(shù)開發(fā)的建筑施工工藝虛擬實訓(xùn)系統(tǒng)，利用虛擬仿真技術(shù)強(qiáng)大的三維渲染功能，逼真再現(xiàn)了建筑施工場景及其工藝，展現(xiàn)土方工程、基礎(chǔ)工程、鋼筋混凝土工程、砌體工程、鋼結(jié)構(gòu)工程、防水工程、裝飾裝修工程和節(jié)能工程等分部分項工程的施工流程。這部分主要用于建筑施工技術(shù)類及相關(guān)課程的授課、課內(nèi)實踐和綜合實訓(xùn)。建筑工程施工工藝仿真實訓(xùn)平臺由工藝視頻、工藝實訓(xùn)、工藝規(guī)范三部分組成。

（1）施工工藝視頻

施工工藝視頻主要通過三維動畫的形式展現(xiàn)施工工藝的操作細(xì)節(jié)，教師可以以施工節(jié)點為單位，結(jié)合工藝視頻對施工工藝進(jìn)行講解，同學(xué)也可以通過反復(fù)觀看施工視頻加強(qiáng)理論知識學(xué)習(xí)。

（2）施工工藝實訓(xùn)

施工工藝實訓(xùn)是通過虛擬仿真技術(shù)展現(xiàn)施工工藝，教師和學(xué)生根據(jù)施工流程進(jìn)行操作來完成工藝。一般將完整施工工藝拆分成多個工藝節(jié)點，完成當(dāng)前節(jié)點流程才能解鎖下一工藝節(jié)點，每個工藝節(jié)點都會對具體工藝步驟和工藝要求進(jìn)行詳細(xì)說明，通過逐一完成所有工藝節(jié)點任務(wù)提高整體施工工藝技術(shù)水平。

（3）施工工藝規(guī)范

系統(tǒng)內(nèi)置施工工藝規(guī)范，對工藝操作過程中的技術(shù)要求進(jìn)行輔助說明，也可以由教師將知識點和規(guī)范內(nèi)容相結(jié)合，強(qiáng)化施工規(guī)范意識。

施工工藝仿真實訓(xùn)系統(tǒng)重點展示各建筑施工過程中施工工藝技術(shù)，以單一的施工構(gòu)件為展示目標(biāo)，進(jìn)行施工工藝技術(shù)的教學(xué)。同時，這個系統(tǒng)還可將完整的施工工藝根據(jù)知識點合理拆分成多個施工節(jié)點，教師在授課過程中以施工節(jié)點為單位進(jìn)行知識點的講解。施工工藝仿真實訓(xùn)系統(tǒng)操作包括以下內(nèi)容：

（1）施工工藝實訓(xùn)系統(tǒng)在操作時可以對界面進(jìn)行縮放和移動，從而展現(xiàn)工藝細(xì)節(jié)。

（2）在工藝實訓(xùn)操作過程中增加知識點試題互動，題目內(nèi)容可針對工藝施工標(biāo)準(zhǔn)中需要學(xué)生掌握的知識點展開。

（3）系統(tǒng)中施工工藝操作過程中所用到的材料設(shè)備與實際工藝施工所用材料設(shè)備保持一致，材料設(shè)備均按照實際尺寸進(jìn)行設(shè)計，真實再現(xiàn)工藝操作流程。

（4）工藝施工中各個工藝節(jié)點完成以后，學(xué)生可以通過重置功能對掌握程度較低的工藝節(jié)點進(jìn)行重置，反復(fù)進(jìn)行工藝練習(xí)，熟練工藝技能。

2.2 VR沉浸式安全體驗館

建筑工程是事故高發(fā)行業(yè)之一，抓好施工建設(shè)安全培訓(xùn)工作至關(guān)重要。安全體驗實訓(xùn)采用蛋椅＋VR眼鏡的外界設(shè)備進(jìn)行，主要包括安全事故體驗、消防演示、安全防護(hù)裝備培訓(xùn)、安全帽撞擊、安全帶使用、安全欄桿推倒、基坑坍塌、腳手架傾倒體驗、物體打擊體驗、高空墜落體驗等，基本覆蓋現(xiàn)場常見的大部分安全隱患。以實景模擬、圖片展示、案例警示、親身體驗等直觀方式，將施工現(xiàn)場常見的危險源、危險行為與事故類型具體化、實物化；使受訓(xùn)人員通過視覺、聽覺、觸覺來體驗施工現(xiàn)場危險的發(fā)生過程和后果，感受事故發(fā)生瞬間的驚險，從而提高安全意識，增強(qiáng)自我保護(hù)意識，避免事故的發(fā)生，使學(xué)生達(dá)到自覺加強(qiáng)安全操作的學(xué)習(xí)目的。學(xué)生在體驗過程中既可感受現(xiàn)實施工環(huán)境，又可以了解到安全知識、應(yīng)急方案措施、安全防護(hù)等。VR 沉浸安全體驗館項目的設(shè)立，對于培養(yǎng)、糾正施工管理人員安全管理意識有著非常重要的作用及意義。

2.3 裝配式建筑生產(chǎn)施工仿真室

裝配式建筑發(fā)展日益成熟，建設(shè)快而省時且綠色節(jié)能，目前已應(yīng)用于社會各個領(lǐng)域，因而得到了長足的推廣。裝配式建筑虛擬仿真案例實訓(xùn)平臺以實際案例為依托，用虛擬仿真的技術(shù)手段將工廠操作搬到實訓(xùn)室，以三維虛擬仿真的表現(xiàn)形式展現(xiàn)給學(xué)生，并結(jié)合真實的指令操作臺來實現(xiàn)完整的操作過程，使學(xué)生能夠體驗到一線操作人員的生產(chǎn)裝配過程。

裝配式建筑虛擬仿真實訓(xùn)在設(shè)計上突破了原有的建筑識圖、構(gòu)造、施工和管理相互獨立的教學(xué)模式，以裝配式建筑一體化建造為主線，設(shè)置四大功能模塊：構(gòu)件設(shè)計、構(gòu)件生產(chǎn)、現(xiàn)場裝配和安全管理。學(xué)生通過體驗式、交互式的學(xué)習(xí)方式，有效地解決裝配式建筑施工的實訓(xùn)場地缺乏、危險系數(shù)高、資源利用率低、受眾面窄等問題。通過實訓(xùn)，可以鍛煉學(xué)生對裝配式建筑的識圖能力、構(gòu)造解析能力、施工組織與管理能力，以及安全事故預(yù)防與控制能力，使學(xué)生走出校門就能適應(yīng)裝配式建筑生產(chǎn)與裝配施工的多個崗位工作，快速成為行業(yè)熟手。

3 虛擬仿真實訓(xùn)室的管理系統(tǒng)建設(shè)

在虛擬仿真的真實工程建設(shè)項目中，學(xué)生以個人或者團(tuán)隊的形式扮演建筑八大員中的主要崗位角色，分工協(xié)作共同執(zhí)行各個崗位工作內(nèi)容，決策不同而決定項目的虛擬施工結(jié)果不同，體驗真實建筑工程項目施工管理全過程，學(xué)生在虛擬仿真系統(tǒng)中通過接近真實的人機(jī)交互界面完成實訓(xùn)，同時，提供虛擬實訓(xùn)教學(xué)的一體化管理功能，最終能夠使學(xué)生熟悉掌握施工管理業(yè)務(wù)流程、崗位工作內(nèi)容及方法，提高學(xué)生綜合職業(yè)能力。

與虛擬仿真實訓(xùn)室同時建設(shè)的還有軟件相匹配的相關(guān)資源，包括搭建實訓(xùn)指引、實訓(xùn)課件、錄播視頻、互動教材、3D交互動畫、互動教材等閱讀、評價、推送、共建共享環(huán)境，這些資料一般要基于統(tǒng)一資源標(biāo)準(zhǔn)建模，提供對外開放資源接口，如資源管理系統(tǒng)、著錄系統(tǒng)、資源轉(zhuǎn)換與在線閱讀等工具，充分利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)開放共享，學(xué)生可以24h 隨時訪問虛擬仿真實訓(xùn)室，滿足更多學(xué)生在平臺下自主學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)需求。

從實訓(xùn)室管理角度來說，如果所設(shè)專業(yè)較多，學(xué)校資源建設(shè)有余力的情況下建議在應(yīng)用虛擬化核心技術(shù)基礎(chǔ)之上，搭建校園面向各專業(yè)領(lǐng)域以及各類型實訓(xùn)的網(wǎng)上虛擬實訓(xùn)室，提供一整套虛擬實訓(xùn)教學(xué)環(huán)境。該系統(tǒng)屬于實訓(xùn)教學(xué)管理系統(tǒng)，其功能在于向教師提供終端，可進(jìn)行在線的實訓(xùn)計劃、實訓(xùn)安排、實訓(xùn)預(yù)約、實訓(xùn)審批、實訓(xùn)執(zhí)行、結(jié)果評價全流程，通過相關(guān)軟硬件結(jié)合實現(xiàn)對實訓(xùn)過程監(jiān)控、錄播、互動交流，同時，兼容實體實訓(xùn)室管理與教學(xué)流程。

為了建成合格的建筑工程虛擬仿真實訓(xùn)室，還需要對人員進(jìn)行足夠時長的培訓(xùn)，如實訓(xùn)室管理員、實訓(xùn)教師、實訓(xùn)學(xué)生，還有主管實訓(xùn)的相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)和其他負(fù)有監(jiān)督檢查的人員，培訓(xùn)的內(nèi)容包括設(shè)備的操作、軟件的注冊和使用、儀器的保養(yǎng)和維護(hù)、實訓(xùn)的監(jiān)管條例、場所的安全檢查等，以便于教學(xué)過程中正確引導(dǎo)和出現(xiàn)問題及時解決。

4 虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)平臺應(yīng)用成效

4.1 學(xué)生層面

施工工藝虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)的建設(shè)，將施工工藝通過虛擬模型動畫等形式表現(xiàn)出來，提高了學(xué)生對施工工藝?yán)碚撆c實際操作的結(jié)合度，多種多樣的交互形式也提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，改變學(xué)生為學(xué)而學(xué)的被動學(xué)習(xí)模式，變成想學(xué)而學(xué)的主動學(xué)習(xí)模式。

4.2 教師層面

施工工藝虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)的建設(shè)，實現(xiàn)了教學(xué)、仿真、考評三位一體，實訓(xùn)可以通過仿真進(jìn)行操作，同時，通過考評模式進(jìn)行理論知識和實踐操作考核，成績可以自動計算并匯總到教師端，教師可以結(jié)合學(xué)生考核成績反饋的難點進(jìn)行細(xì)致剖析并詳解，把握學(xué)生學(xué)習(xí)情況，從而調(diào)整教學(xué)進(jìn)度。

4.3 社會層面

施工工藝虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)的建設(shè)使學(xué)校與企業(yè)之間聯(lián)系更加緊密，學(xué)校培養(yǎng)的人才更加符合企業(yè)人才需求，招聘到的人才能盡快勝任所在的崗位工作，使學(xué)生能做到“畢業(yè)即能定崗”。