裝配式鋼結(jié)構(gòu)在虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用過程中的實(shí)踐與探索

康超

摘要：文章在闡述裝配式鋼結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)區(qū)別的基礎(chǔ)上，分析裝配式鋼結(jié)構(gòu)的教學(xué)現(xiàn)狀，以及虛擬仿真技術(shù)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)中的內(nèi)容，并探討裝配式鋼結(jié)構(gòu)在虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用過程中的具體實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：裝配式鋼結(jié)構(gòu)；虛擬仿真技術(shù)；建筑行業(yè)

隨著建筑行業(yè)的迅速發(fā)展，建設(shè)項(xiàng)目的建造為周邊環(huán)境帶來了一定的負(fù)擔(dān)，所以建設(shè)項(xiàng)目的可持續(xù)發(fā)展成為當(dāng)前建筑業(yè)的研究熱點(diǎn)。在建設(shè)項(xiàng)目建造過程中引入裝配式鋼結(jié)構(gòu)，可以有效緩解資源的消耗和環(huán)境碳排放問題。

與常規(guī)的建筑形式相比，裝配式鋼結(jié)構(gòu)的型鋼構(gòu)件可以按照工程建設(shè)的要求，優(yōu)化前期設(shè)計(jì)方案，通過精密的構(gòu)件設(shè)計(jì)和連接節(jié)點(diǎn)的合理選擇，將構(gòu)件運(yùn)輸至工地，按照既定的工程計(jì)劃，拼裝并裝配構(gòu)件。這樣一來，從設(shè)計(jì)到完工，工程建設(shè)可以充分利用設(shè)計(jì)、加工、施工、管理等方面的人力和物力，大大減少施工工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，達(dá)到節(jié)約工程造價(jià)的目的。

因?yàn)檠b配式鋼結(jié)構(gòu)建筑是預(yù)先設(shè)計(jì)、流程化制作的構(gòu)件，所以能按照建筑的總體功能和客戶的個(gè)性化需求，從結(jié)構(gòu)、維護(hù)、管線、暖通、防火、裝修等方面進(jìn)行協(xié)調(diào)和整合，形成一個(gè)高質(zhì)量的建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。然而，在當(dāng)前在裝配式鋼結(jié)構(gòu)施工管理過程中，仍有許多亟待解決的問題，如構(gòu)件數(shù)量大、種類多，施工場(chǎng)地的管理，施工過程的協(xié)調(diào)和組織等。同時(shí)，裝配式鋼結(jié)構(gòu)施工還涉及一些特殊問題，不僅包括結(jié)構(gòu)部件的組裝，還包括暖通、機(jī)電等方面的協(xié)調(diào)，是一項(xiàng)綜合性的系統(tǒng)工程。

一、裝配式鋼結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)的區(qū)別

裝配式鋼結(jié)構(gòu)施工與傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)施工存在根本不同，其技術(shù)關(guān)鍵在于是否通過裝配化程度高的方式，將工程的各個(gè)部件裝配到一起，從而構(gòu)成鋼結(jié)構(gòu)工程的整體。因此，兩者在多個(gè)方面具有明顯的差異。

（一）資源供應(yīng)端不同

從原材料的購買和分配到加工成鋼構(gòu)件，裝配式鋼結(jié)構(gòu)工程打破了以往的材料管理方式，向標(biāo)準(zhǔn)工藝流程的工廠化生產(chǎn)轉(zhuǎn)變。因此，在生產(chǎn)過程中，如何選擇合適的材料，匹配合適的加工方法，保證鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的高精度，控制建筑部品的質(zhì)量，降低構(gòu)件和材料在組裝過程中的耗損，成為裝配式鋼結(jié)構(gòu)建造新技術(shù)需要注意的問題。

（二）施工組織模式不同

針對(duì)文明工地管理要求，裝配式鋼結(jié)構(gòu)的建造需要采用新的施工組織方式進(jìn)行施工管理，明確工作界面，制訂作業(yè)方案，合理安排作業(yè)流程。與此同時(shí)，針對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)連接方式與其他結(jié)構(gòu)有所區(qū)別的特性，研究鋼結(jié)構(gòu)部品之間的連接方式成為裝配技術(shù)的關(guān)鍵。對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)的其他技術(shù)性問題，如大型鋼構(gòu)件或者部品的進(jìn)場(chǎng)問題，構(gòu)件裝配前的存儲(chǔ)問題，塔吊的運(yùn)輸問題等，也是現(xiàn)場(chǎng)管理過程中需要調(diào)度的。

（三）質(zhì)量控制、運(yùn)營維護(hù)方式不同

由于建造過程的差異，裝配式鋼結(jié)構(gòu)工程在質(zhì)量控制和運(yùn)營維護(hù)上明顯區(qū)別于常規(guī)的工程。裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑雖然改變了現(xiàn)有的施工方式，能克服常規(guī)的施工方式所帶來的工期、安全、質(zhì)量、施工和環(huán)境方面的問題，但是無法避免建筑在建造過程中出現(xiàn)的老化、防水、保溫、耐久等常規(guī)問題，這些問題仍需要持續(xù)關(guān)注。

二、裝配式鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)現(xiàn)狀

當(dāng)前，裝配式鋼結(jié)構(gòu)的講授仍然沿用了常規(guī)的教學(xué)方式，教師先利用多媒體講授專業(yè)知識(shí)，以理論結(jié)合圖像、錄像的方式，講解結(jié)構(gòu)的裝配方式，施工過程和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收情況等，然后由學(xué)生結(jié)合學(xué)習(xí)內(nèi)容，理解裝配式建筑的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。這樣的教學(xué)模式可以將理論和實(shí)際相聯(lián)系，但是教學(xué)成效并不理想。

高校裝配式鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)課程缺乏以實(shí)用為主的培養(yǎng)模式的融入，造成高校的裝配式鋼結(jié)構(gòu)課程理論教學(xué)內(nèi)容豐富，但缺乏實(shí)務(wù)。這是因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)的課堂教學(xué)中，教師對(duì)學(xué)生知識(shí)掌握情況的了解比較片面，缺乏個(gè)性化的指導(dǎo)。在師生答疑互動(dòng)階段，學(xué)生對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)問題的理解相對(duì)較少，導(dǎo)致缺乏參與活動(dòng)的積極性，無法充分發(fā)揮學(xué)習(xí)主動(dòng)性。此外，受場(chǎng)地、設(shè)備等客觀因素的制約，在講解裝配式鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，許多教師很難將其內(nèi)部構(gòu)造和連接方式通過描述講明白，缺少系統(tǒng)性的實(shí)訓(xùn)操作。

而網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與軟件技術(shù)相結(jié)合的虛擬仿真技術(shù)，以工程的全壽命為研究對(duì)象，能精確地控制裝配式鋼結(jié)構(gòu)工程生命周期中的每一個(gè)階段，達(dá)到節(jié)約資源、降低成本、提高效率、綠色環(huán)保的目的。高校通過建立虛擬仿真平臺(tái)，能幫助學(xué)生歸類和集成各種復(fù)雜構(gòu)件的參量建模與數(shù)據(jù)，并在項(xiàng)目規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營等方面實(shí)現(xiàn)信息的交流和傳輸，打破傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工、管理的單一模式，有助于實(shí)現(xiàn)業(yè)主、設(shè)計(jì)方、施工方之間的數(shù)據(jù)互聯(lián)，提高施工效率，從而大大縮短項(xiàng)目的建設(shè)周期，節(jié)約建設(shè)費(fèi)用。

三、裝配式鋼結(jié)構(gòu)在虛擬仿真技術(shù)中的應(yīng)用

與常規(guī)教學(xué)方式相比，裝配式鋼結(jié)構(gòu)在虛擬仿真技術(shù)中的應(yīng)用，解決了課上時(shí)間利用不足，教材落后于最新行業(yè)訊息，理論課時(shí)所占比例較大，實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地不足，實(shí)訓(xùn)設(shè)備不先進(jìn)，專業(yè)課實(shí)訓(xùn)流于形式，安全監(jiān)管難度大，缺乏創(chuàng)造性的訓(xùn)練等問題。虛擬仿真技術(shù)可以讓學(xué)生借助游戲體驗(yàn)的方式，在實(shí)踐中感受真實(shí)的工作，通過操作掌握專業(yè)知識(shí)，從而更好地理解和記憶知識(shí)點(diǎn)。與此同時(shí)，學(xué)生可以不受時(shí)間和空間的限制，自行閱覽資料，反復(fù)模擬練習(xí)。通過虛擬仿真技術(shù)，教師能為學(xué)生搭建一個(gè)互動(dòng)的、獨(dú)立的學(xué)習(xí)環(huán)境，讓學(xué)生通過語音提示的方式完成作業(yè)，并借助數(shù)字化平臺(tái)完成實(shí)際操作，使學(xué)生可以實(shí)時(shí)獲得操作成績和作業(yè)效果的回饋，從而及時(shí)了解未掌握的知識(shí)點(diǎn)，并針對(duì)性地展開訓(xùn)練。

（一）裝配式鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件工廠生產(chǎn)的仿真教學(xué)

目前，裝配式鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件種類繁多，包括預(yù)制柱、預(yù)制梁、預(yù)制樓板、預(yù)制墻、樓梯、陽臺(tái)等，還有各種形狀復(fù)雜、不規(guī)則的預(yù)制構(gòu)件，而虛擬仿真技術(shù)可以模擬出構(gòu)件的大小、形狀、尺寸，讓學(xué)生獲得感性的構(gòu)件認(rèn)知。此外。在裝配式鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件制造方法的選擇上，有固定工位生產(chǎn)方式和流水線式生產(chǎn)方式，二者的生產(chǎn)特點(diǎn)不同，對(duì)場(chǎng)地大小和工人專業(yè)技術(shù)的要求也不同，教師可以利用虛擬仿真技術(shù)模擬零件的制造過程，力求還原現(xiàn)場(chǎng)。

（二）建筑構(gòu)件工地現(xiàn)場(chǎng)安裝流程的仿真

目前，構(gòu)件在施工現(xiàn)場(chǎng)的施工方式主要有兩種。裝配式鋼結(jié)構(gòu)主要采用型鋼梁、柱或者鋼桁架等預(yù)制構(gòu)件，在施工現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過螺栓連接的方式，將預(yù)制好的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件通過節(jié)點(diǎn)組裝，主要的施工工藝如下：當(dāng)鋼構(gòu)件進(jìn)入工地之后，采用起重機(jī)械將鋼柱安裝就位，繼而將各個(gè)鋼柱之間的支撐等體系安裝好后，再對(duì)預(yù)制鋼梁進(jìn)行起吊安裝。鋼梁就位后，將梁間的支撐系統(tǒng)補(bǔ)充完善，接著安裝樓板體系，當(dāng)樓板采用組合樓板形式時(shí)，還要考慮少量的鋼筋鋪設(shè)和后澆混凝土的施工。可見，裝配式鋼結(jié)構(gòu)在虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用過程中的實(shí)踐，可以通過施工模擬克服現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)復(fù)雜多樣、吊裝空間狹小、施工時(shí)間短等問題，實(shí)現(xiàn)安全、優(yōu)質(zhì)和高效的建造目標(biāo)。

（三）裝配式鋼結(jié)構(gòu)安裝方法仿真教學(xué)

結(jié)合工程實(shí)際可知，在裝配式鋼結(jié)構(gòu)施工安裝方法擬定優(yōu)選中，研究和實(shí)踐虛擬建造技術(shù)，解決施工中的普遍技術(shù)難題，極大地豐富了裝配式鋼結(jié)構(gòu)施工方案優(yōu)選的手段。在施工現(xiàn)場(chǎng)的裝配式鋼結(jié)構(gòu)安裝的施工模擬中，教師可以采用虛擬仿真技術(shù)，模擬施工的安裝過程。在模擬系統(tǒng)軟件界面的左側(cè)，是實(shí)訓(xùn)過程中要使用的教學(xué)資源，有施工安裝圖紙，實(shí)訓(xùn)過程中使用的安裝規(guī)范，施工中技術(shù)交底、安全交底，其他教學(xué)資源和工作記錄等。在模擬系統(tǒng)軟件界面的右側(cè)，是工程建設(shè)工程的流程。虛擬仿真技術(shù)可以根據(jù)工程的流程，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行操作，通過模擬現(xiàn)場(chǎng)工作，使學(xué)生很好地理解真實(shí)的裝配式鋼結(jié)構(gòu)安裝過程。在模擬系統(tǒng)軟件界面的右側(cè)下方，是裝配式鋼結(jié)構(gòu)的施工準(zhǔn)備流程，主要介紹在模擬中使用的原材料和設(shè)備。

四、裝配式鋼結(jié)構(gòu)在虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用過程中的實(shí)踐

教師利用虛擬仿真技術(shù)，可以提高學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的掌握和理解。在課前，教師公布裝配式鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)的內(nèi)容，學(xué)生登錄網(wǎng)站預(yù)習(xí)；在課上，學(xué)生進(jìn)行虛擬仿真練習(xí)，同時(shí)開展師生互問互答；在課后，教師把課后作業(yè)上傳到網(wǎng)上，學(xué)生也把學(xué)習(xí)成果上傳到網(wǎng)上，通過虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)課程的全程評(píng)估。

（一）課前準(zhǔn)備

在上課之前，教師要將課程資料、虛擬仿真微課程預(yù)習(xí)資料包上傳。通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)開展教學(xué)，不僅可以分享教學(xué)資料，還可以進(jìn)行在線作業(yè)、考試等教學(xué)活動(dòng)。同時(shí)，學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上的操作行為會(huì)被記錄下來，便于教師了解學(xué)生掌握裝配式鋼結(jié)構(gòu)各模塊的情況。

（二）課堂實(shí)施

以裝配式鋼結(jié)構(gòu)安裝部分為例，虛擬仿真技術(shù)提供了大量的三維模擬交互訓(xùn)練和測(cè)試，其中有鋼柱安裝、鋼梁安裝、外墻面板、鋼結(jié)構(gòu)屋面結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)屋面細(xì)部施工等。在3D交互式訓(xùn)練中，教師可以引導(dǎo)學(xué)生按照3D交互語音的提示，選取合適的工具箱或材料，完成各個(gè)階段的操作，以呈現(xiàn)裝配式鋼結(jié)構(gòu)的虛擬仿真全過程。

3D虛擬仿真程序需要學(xué)生按照實(shí)際訓(xùn)練的步驟模擬測(cè)試，這一階段有利于教師統(tǒng)一管理虛擬仿真平臺(tái)上的教學(xué)，匯總每個(gè)環(huán)節(jié)的分?jǐn)?shù)。通過對(duì)學(xué)生在虛擬仿真平臺(tái)系統(tǒng)中的評(píng)分結(jié)果，教師能很容易地了解學(xué)生在工種、工具、材料、機(jī)械、位置選取等實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)中的得分情況，便于教師針對(duì)性地輔導(dǎo)。同時(shí)，在虛擬仿真平臺(tái)中，教師可以實(shí)時(shí)觀看學(xué)生模擬訓(xùn)練的數(shù)據(jù)，通過學(xué)生的模擬訓(xùn)練報(bào)告，了解他們的知識(shí)掌握情況，便于在課堂中針對(duì)性地進(jìn)行點(diǎn)評(píng)和答疑。

（三）考核評(píng)價(jià)

在虛擬仿真平臺(tái)測(cè)試結(jié)束后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄學(xué)生的訓(xùn)練情況和班級(jí)的綜合得分，方便教師了解測(cè)試的結(jié)果，學(xué)生也可以隨時(shí)查看自己的測(cè)試結(jié)果。在虛擬仿真平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試，既預(yù)防了裝配式鋼結(jié)構(gòu)安裝工程需要到工地實(shí)地實(shí)踐的不安全性，又改善了采用真實(shí)實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地成本高和學(xué)生不能動(dòng)手操作等問題。

與此同時(shí)，傳統(tǒng)的裝配式鋼結(jié)構(gòu)實(shí)訓(xùn)因?yàn)樵O(shè)備、場(chǎng)地等條件的制約，學(xué)生的作業(yè)完成時(shí)限都很短，通常是根據(jù)課程內(nèi)容草草完成。而虛擬仿真技術(shù)沒有明確的操作過程，學(xué)生能按照自己掌握的內(nèi)容自行構(gòu)建，哪怕操作步驟錯(cuò)誤，也不會(huì)影響最終結(jié)果，學(xué)生根據(jù)系統(tǒng)的提示修改，并反復(fù)操作，能更好地探索、歸納實(shí)訓(xùn)過程的經(jīng)驗(yàn)，養(yǎng)成空間想象能力，并對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)形成宏觀認(rèn)識(shí)。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭惠珍.“互聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真”在裝配式鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].湖南郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2020（9）.

[2]王鵬，王玫.虛擬仿真下裝配式建筑教學(xué)改革與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2020（4）.

[3]李元齊，杜志杰，路志浩，等.裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系建筑一體化建造技術(shù)研發(fā)和實(shí)踐[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2021（11）.

（作者單位：山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院）