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摘要：文章針對空間網格結構形式多樣、施工過程復雜、現場實踐教學困難等問題，基于Unity3D虛擬現實開發引擎，融合BIM信息技術，設計并研發了一套裝配式空間網格結構虛擬實驗教學平臺，涵蓋結構形式、節點構造和施工方法三大實驗模塊。完成了典型空間網格結構建模、節點制作拼裝、高空散裝等多種施工方法的動態虛擬仿真、人機交互、知識點講解等實驗內容。基于該平臺的實驗教學彌補了現場實踐教學的不足，提升了學生的工程實踐能力和創新能力。

關鍵詞：空間網格結構；虛擬實驗；教學平臺；BIM

引言

我國空間結構的研究和實踐自20世紀50年代開始，進入21世紀，空間結構的設計和建造已躋身于世界先進行列，建成了一大批重大工程項目[1]。近年來，隨著裝配式建筑在我國的大力推廣，作為其典型代表，空間網格結構憑借其輕型、堅固、形式豐富、裝配化程度高、施工便捷等優點得到了廣泛應用，尤其適用于體育場館、會展建筑、機場航站樓等大空間公共建筑。空間網格結構的典型結構形式包括平板型的網架結構和曲面型的網殼結構，節點構造以螺栓球和焊接球最為常用[2]。雖然空間網格結構在我國得到了廣泛應用，但由于其結構形狀多樣、受力分析復雜、應用理論前沿，我國高校土木工程專業開設此門課程較少，尤其在本科階段，學生對網格結構的了解非常有限。這一方面是因為課時的限制，另一方面更是由于實踐教學平臺的缺乏。此外，現有的空間網格結構軟件平臺主要面向工程設計，很少有面向教學的空間網格結構虛擬實驗教學平臺。近十年來，隨著信息技術的快速發展，BIM（BuildingInformationModeling，建筑信息模型）技術逐步被引入建筑學和土木工程專業的實踐教學中[3]。例如，深圳大學建立了土木工程BIM實驗室并開展了相關實踐教學[4]；東南大學開發了混凝土結構破壞虛擬仿真實驗平臺[5]；戴曉燕和劉超建立了基于BIM技術的建筑工程虛擬仿真實訓中心，并開設了虛擬仿真實訓課程[6]；劉驁等探討了基于BIM體系的建筑學專業教學體系建設問題[7]。綜上，雖然國內高校已有一些土木工程虛擬仿真實驗教學平臺，并開展了一些實踐教學改革研究，但尚未見面向空間網格結構的虛擬實驗教學平臺。鑒于此，本文設計了一套裝配式空間網格結構虛擬實驗教學平臺，對典型空間網格結構的結構形式、節點構造、施工方法等進行虛擬仿真實驗，旨在通過此教學平臺使得空間結構的入門者能夠高效率、高質量地對該類結構的基礎知識進行學習，為后續的研究和工作奠定基礎。

1空間網格結構虛擬實驗教學平臺搭建的必要性

作為一種典型的裝配式鋼結構體系，空間網格結構的實踐教學是土木工程專業的重要內容之一，但傳統的現場實踐教學方式存在明顯的不足：一方面，空間網格結構的建設周期長、施工方法多樣，短時間的校外實訓只能看到完整工程的某個局部或工序，無法達到培養目標的要求；另一方面，由于安全等原因，施工現場往往不允許學生動手操作，實習效果不佳；此外，由于經費和時間的限制，學校很難滿足所有學生針對空間網格結構的校外實習。鑒于以上不足，本文通過研制空間網格結構虛擬實驗教學平臺，使學生直觀形象地掌握其結構形式、基本組成、節點構造、建造過程及傳力路徑等，培養學生對三維空間結構的形象思維能力，增強感性認識，拓展學生的專業知識，在實驗教學方面具有重要作用和實際意義，具體如下：（1）通過現場施工過程的動態虛擬展現，使學生對實際工程有直觀感受，對空間結構的建造過程建立起形象而完整的認識；（2）通過將實際工程施工虛擬仿真化，實現沉浸式、體驗式學習，可提高學生的興趣和動力，激發學生的學習熱情；（3）通過施工過程的人機交互，可以實現多方案的自主選擇，培養學生從理論到實踐、理論和實踐交叉融合的綜合能力。

2空間網格結構虛擬實驗教學平臺的功能設計

本實驗教學平臺包括結構形式、節點構造和施工方法三大功能模塊（圖1）。其中，結構形式包括典型的四角錐網架、平行弦網架、單層網殼和雙層網殼等；節點構造包括常用的螺栓球節點和焊接球節點；施工安裝方法包括高空散裝法、高空滑移法、分條分塊法和整體提升法等。每個功能模塊均包含認識實驗和考核實驗兩種模式。認識實驗：建立典型空間網格結構的虛擬場景、整體模型、螺栓球和焊接球節點模型等，在模型查看窗口中可以通過自由切換視角、旋轉、縮放、平移等來觀察結構整體模型和節點配件組成，學生可以通過人機交互輸入、虛擬操作等方式自主學習結構組成、傳力路徑、建造方法等相關知識。考核實驗：三大功能模塊均有對應的考核答題區。考核題目分為定位、選擇、填空三大類。定位類題目要求按答題區提示找出一個給定名稱的對象，在模型查看窗口中點擊完成定位回答。選擇類題目讓學生在參考模型的情況下予以選擇回答。填空類題目與模型對應，如模型查看區的一個對象被亮顯，要求填寫對象的屬性信息等。

3空間網格結構虛擬實驗教學平臺的功能實現

Unity3D是目前主流的虛擬現實開發引擎，是一個可以創建三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等互動內容的多平臺、綜合型游戲開發工具，在虛擬仿真教學領域也有廣泛應用。鑒于空間網格結構類型眾多、空間形式復雜，難以采用AutoCAD或Revit等軟件直接建模，本平臺借助于同濟大學空間結構團隊開發的鋼結構設計軟件——3D3S[8]，參數化生成各種類型的空間網格結構。平臺的具體研發步驟為：首先基于3D3S軟件生成各種類型的網格結構模型，然后用3Dmax等圖像專業軟件進行處理，最后以fbx文件形式導入Unity3D開發引擎，編程實現三維模型的虛擬建造和人機交互操作等功能。圖2為平臺主界面，涵蓋了典型空間網格結構形式、節點構造和施工方法三大功能模塊。

3.1結構形式模塊

空間網格結構的結構形式多達數十種，既有平板型的網架結構，又有曲面型的網殼結構，但考慮到很多形式具有相似的構成規律，平臺內置了四種典型的結構類型：正放四角錐網架、正交斜放四角錐網架、單層凱威特型球面網殼和雙層正放四角錐圓柱面網殼。由于平臺能無縫讀取3D3S軟件生成的各種空間網格結構，模型庫的后期擴展非常方便。圖3為正放四角錐網架結構認識實驗的界面。學生通過選擇結構形式讀取加載結構模型，左側界面顯示模型參數、幾何特點、力學特征、類似形式和適用情況等信息。通過切換視角、旋轉、縮放、移動等操作可以直觀地觀察該網架結構的基本組成單元、排列方式等信息，點擊某根構件將顯示其詳細信息。

3.2節點構造模塊

空間網格結構的重要特征是配件標準化程度高，節點和桿件裝配便捷。平臺選取兩類最常用的網格結構節點進行裝配實驗：螺栓球節點和焊接球節點。其中，由于受力大小的不同，螺栓球節點又分為封板式和錐頭式兩類。節點構造模塊包括認識、演示和互動三個子模塊。認識子模塊介紹了節點的配件組成、構造原理和傳力路徑，在模型中點擊配件將顯示其名稱等信息。演示子模塊展示了節點的裝配過程，以螺栓球節點為例，安裝步驟為：組合錐頭或封板、焊接鋼管、連接套筒、安裝緊固螺釘、擰入球體、安裝其他鋼管，最終形成節點，如圖4為螺栓球節點的主要裝配過程圖。互動子模塊要求學生依照裝配順序點擊相應的配件完成節點安裝，若點擊順序錯誤將給出提示并要求重新安裝。通過可視化節點構造學習和交互式拼裝練習，使學生掌握網格節點的配件組成、構造原理、傳力路徑和裝配過程等知識點。

3.3施工建造模塊

平臺選取4種常用的安裝方法進行虛擬建造仿真實驗：高空散裝法、分條分塊吊裝法、高空滑移法和整體提升法。高空散裝法，是將網架或網殼的桿件和節點直接在高空設計位置拼成整體的施工方法，有全支架法和懸挑法兩種。實驗平臺中，針對兩種方法適用的結構形式，全支架法采用四角錐網架結構作為實驗模型，懸挑法則采用雙層凱威特型球面網殼模型。以全支架法為例，首先介紹其基本特點和適用范圍；然后，動畫演示其施工安裝過程并配備解說詞，安裝流程為：搭設滿堂腳手架、安裝支座、安裝下弦桿并設置千斤頂臨時支撐、安裝腹桿和上弦桿、連接上弦桿、拆除千斤頂、拆除腳手架；最后，學生通過模型互動完成結構的建造過程。圖5為全支架法的典型安裝步驟。分條分塊吊裝法，實驗過程分為5個主要階段：分塊地面拼裝及準備工作；起吊提升，平移就位；支撐固定；連接單元；完成安裝矯正。平臺場景中包含起重機、千斤頂等可移動和拆卸的安裝設備，可提升虛擬仿真實驗的體驗效果。虛擬實驗平臺中，各施工建造模塊均分為認識、動畫演示和互動三個模塊。學生可以選擇施工方法、施工階段進行相應演示的播放、暫停、視角自由變化等操作，也可以通過人機交互完成不同類型結構的虛擬建造。

3.4考核模塊

平臺的三大功能模塊均含有對應的考核模塊。平臺賬號分為教師和學生兩種身份，教師賬號可增加考核試題、答案和評分標準，并可以查看所有學生成績。學生只能參與考核，完成后可查看考核成績和錯誤詳情，其中是否允許參加重新考核由教師設定。圖6為平臺的考核模塊界面。結語針對空間網格結構類型眾多、裝配過程復雜、現場實踐教學困難等問題，本文基于Unity3D虛擬現實開發引擎，融合BIM信息技術，設計并研發了一套裝配式空間網格結構虛擬實驗教學平臺，完成了典型空間網格結構建模、節點制作拼裝、高空散裝等多種施工方法的動態虛擬仿真、人機交互、知識點講解及考查等內容，使學生在大跨空間結構建造方面得到了系統、全面和綜合的訓練，對空間結構的建造過程建立起形象而完整的認識。實驗平臺已應用于同濟大學土木工程專業的實踐教學中，激發了學生的學習興趣，提升了學生的工程實踐能力和創新能力，取得了良好的教學效果。但是，現有平臺尚不具備力學分析功能，有待將來進一步的優化和完善。

參考文獻：

[1]藍天.中國空間結構七十年成就與展望[J].建筑結構,2019,49(19):5-10.

[2]翁振江,趙陽,金躍東,等.空間網格結構裝配式節點分類與發展需求[J].建筑結構學報,2018,39(3):32-38,47.

[3]付亞靜,楊華李,書陽.基于BIM的虛擬仿真技術在教學領域的應用與實踐[J].土木建筑工程信息技術,2019,11(6):70-75.

[4]吳凌壹,丁志坤,隋莉莉,等.土木工程BIM實驗室的建設與實踐教學實施[J].實驗技術與管理,2019,36(2):194-197,203.

[5]郭恒寧,賀志啟,劉艷,等.土木工程實驗教學的虛擬仿真平臺設計[J].實驗技術與管理,2019,36(3):143-145.

[6]戴曉燕,劉超.基于BIM技術的建筑工程虛擬仿真實訓中心的建設研究[J].實驗技術與管理,2018,35(12):237-241.

[7]劉驁,蔣山,唐瑜.基于建筑業BIM體系的建筑學專業教學建設初探[J].建筑與文化,2017,164:64-66.

[8]滿延磊,吳杰,張其林,等.基于操作的鋼結構節點參數化建模系統研發[J].同濟大學學報(自然科學版),2019,47(9):1225-1234.

作者：吳杰 朱大宇 單位：同濟大學土木工程學院