土木学科

1.1学科背景

土木工程具有十分鲜明的行业背景和特点,随着社会的发展和技术进步,工程结构越来越大型化、复杂化,超高层建筑、特大型桥梁、巨型大坝、复杂的地铁系统不断涌现,随着国内建筑行业的快速发展,对土木类人才的需求日益增加,土木类专业办学规模日益扩大。专业扩招以及建筑企业安全管理等因素造成土木类专业在开展实践教学环节过程中遇到了很多技术难题,主要包括:

(1)实验构件体量大、高成本:土木类专业实验综合性强,设备体量大,实验环境恶劣,资源消耗大,成本较高,特别是高危险、大型复杂但与实际工程结合紧密的实验无法在实验室内让本科生直接深入参与;

(2)实验危险性高、难度大、消耗大:土木工程专业的实验教学一般是要进行结构构件的破坏性实验,实验过程中的安全问题备受关注,特别是工程结构抗震、抗火、抗爆等实体实验项目,其危险性更高,加之实验均为一次性破坏实验,每次均要制作模型结构构件,造成实验成本资源消耗较大;

(3)施工周期长,缺乏系统动态体验:受到场地和实习时间的限制。

随着计算机技术和信息技术的发展,结合高等教育信息化建设开展土木类专业实践教学改革是克服实践教学环节技术困难的一个重要途径。

1.2解决方案

北京润尼尔有丰富的土木类虚拟仿真实验项目建设经验,合作客户遍布全国各大高校。合作的院校包括:同济大学(985院校)、浙江大学(985院校)、山东大学(985院校)、北京交通大学(211院校)、西北大学(211院校,合作到二期)、广西大学(211院校)、青岛理工大学(合作到三期)、扬州大学、浙江工业大学、台州学院、成都理工大学、西华大学、云南农业大学、昆明理工大学等。

北京润尼尔土木类虚拟仿真实验项目资源涵盖:施工工程、土力学、材料力学、岩体力学、古建筑、地下与岩土工程、建筑设计、建筑构造、工程材料及材料力学、钢结构、钢筋混凝土结构、防灾减灾与防护、装饰工程、脚手架工程、防水工程、地基基础工程等16个方面,总计100多个实验。

除了上述案例,北京润尼尔将虚拟仿真和有限元软件Ansys进行集成,并可根据用户输入的参数获取到计算出的实验结果,进一步实现虚实结合。

1.3典型案例

1.3.1 青岛理工大学土木工程学院 

本项目借助虚拟现实技术高度仿真中子成像、海水侵蚀或冻融、火灾炉高温等先进的科研实验装置,虚拟再现多种环境下混凝土劣化实验过程,使学生掌握多种实验方法,并准确分析不同环境下混凝土材料的劣化机理,培养学生分析问题、解决问题能力以及科技创新能力,切实提高教学实效,为土木工程行业培养高素质专业技术后备人才。本项目主要适用于土木工程专业、材料科学与工程专业,还适用于工程管理、建筑学、城市地下空间工程等专业。

该项目被认定为2018年度国家虚拟仿真实验教学项目。

事故现场还原-三丰百货大楼

钢筋混凝土受弯构件正截面实验

实验室环境

钢结构轴心受压构件失稳虚拟仿真实验

1.3.2 河北大学建筑工程学院

2018年,我公司为河北大学建筑工程学院量身定制开发了盾构隧道结构设计与施工综合仿真实验,该实验结合盾构隧道设计和施工的实际案例,通过三维仿真技术,还原了盾构隧道洞身结构设计的过程、施工过程、盾构机操作及灾害预防措施,用虚拟仿真的方式直观地呈现给学生,使他们真正学习到地下工程的设计和施工,掌握设计和施工中可能遇到的问题,同时通过虚拟仿真可实现学生交互式设计参数,包括土体厚度、地下水位埋深、隧道直径大小与隧道埋深等参数,设计关键土体和结构参数;根据设计结构和施工实时监测曲线,观察并分析产生灾害的原因。

学生在操作虚拟实验过程中可根据自主设计的土体和结构参数完成实验,调动学生学习的兴趣和积极性,提高学生学习地下工程设计和施工的兴趣。使学生依据虚拟现实技术的真实还原场景,弥补现实实验无法完成的设计和施工展示;调动学生实验的积极性和主动性,使学生自主进行实验设计、操作及其验证,从而帮助学生深入理解和领会课堂教学所学的理论知识,加强学生实践能力和创新意识培养。

该项目被认定为2018年国家虚拟仿真实验教学项目。

参数设置

土压力计算

隧道检测点布设

隧道盾构施工

1.3.3 浙江大学-建筑工程学院

2017年,我公司为浙江大学建筑工程学院量身定制开发了一套桥梁施工、监测过程虚拟仿真实验教学资源,实验资源包括五大模块:基础知识、施工模拟、施工监控、健康监测、灾害仿真,其中施工模拟模块又包含了具体的施工流程:钻孔灌注桩、施工准备、场地布置、放样等19个步骤。

通过三维仿真技术,系统再现了桥梁的施工过程,解决了实际工程施工因工期长、步骤多、施工工艺复杂导致学生无法完全掌握整个施工过程的问题,系统还提供了桥梁灾害仿真模拟,通过虚拟的方式,展现了桥梁的破坏结果,学生能够将理论知识和实际操作进行结合,提高了学生的创造力,促进了教学改革。

引导模块

场地布置过程

桥梁施工过程

桥梁施工、监测过程

1.3.4 北京交通大学-土木建筑工程学院

2017年,我公司为北京交通大学土木建筑工程学院量身定制开发了一系列土木类虚拟仿真实验教学资源,实验资源包括:常规土力学试验、非饱和土力学试验、建筑材料类试验、混凝土构件受力性能试验、混凝土框架结构受力性能试验、大跨度屋盖结构与超高层结构绕流风场模拟试验、龙卷风场与建筑物的响应试验、车辆过桥及桥梁冲击试验动力仿真试验、隧道+地铁典型施工工法试验、铁路地基处理和路基施工试验、道路铁道工程实习现场(青龙桥人字形铁路)。

通过三维仿真技术,系统模拟了常规的实验室实验,实验场景和工具完全还原北京交通大学的实验室场景,通过一步步操作引导学生学习实验;系统模拟了常见混凝土构件:梁和柱的受力性能以及细微的破坏状态展示;系统模拟了风洞实验室,不同结构的建筑物在风洞实验室的效果。通过该系统学生不仅能够学习到常规实验,还能够结合学校特色,掌握很多实习内容,使学生能够将理论知识和实际操作进行结合,提高了学生的创造力,促进了教学改革。

土柱降雨入渗虚拟仿真实验

三轴压缩虚拟仿真实验

道路铁道工程实习现场(青龙桥人字形铁路)

隧道和地铁典型工法虚拟仿真实验

1.3.5 西华大学-建筑与土木工程学院

2016年,我公司为西华大学建筑与土木工程学院量身定制开发了一系列土木类虚拟仿真实验教学资源,实验资源包括:单桩竖向抗压静载虚拟仿真实验、数字化风洞虚拟仿真实验、地铁车站施工虚拟仿真实验、建筑构件隔声性能虚拟仿真实验、刚构桥施工静力响应虚拟仿真实验、数字化抗震虚拟仿真实验、双肢剪力墙推覆虚拟仿真实验等。

围绕防灾减灾,通过三维仿真技术,系统再现了风洞试验和振动台实验,并详细展示了框架结构的破坏效果,很好地解决了现实实验中的诸多问题,譬如大型设备受限于场地,实物实验学生无法观察到建筑的破坏形式等。

建筑构件隔声性能虚拟仿真实验

双肢剪力墙推覆虚拟仿真实验

地铁车站施工虚拟仿真实验

数字化风洞虚拟仿真实验

1.3.6 扬州大学-建筑科学与工程学院

2016年,我公司为扬州大学建筑科学与工程学院量身定制开发了一系列土木类虚拟仿真实验教学资源,实验资源包括:装配式建筑构造模拟实验、SBS改性沥青显微形态与宏观性能模拟实验、八层钢筋混凝土框架结构地震反应分析实验、城市街道对历史文化街区微经营空间活力影响的评价系统、复合地基承载实验、钢筋混凝土柱偏心受压承载力模拟实验、沥青路面车辙变形细观结构虚拟仿真实验、沥青路面温度分布场实验、桥梁-土-桩基系统近断层弹塑性地震响应分析实验、生命线工程地震灾害及二次灾害实验、新型混凝土梁受弯性能实验、型钢混凝土梁-钢管混凝土柱组合框架节点受力性能模拟试验、型钢混凝土梁-角钢混凝土核心柱组合框架节点受力性能模拟试验等。

这一系列实验都是围绕着建筑材料和构件的受力性能展开的,从混凝土、沥青再到框架结构,通过三维仿真技术,系统还原了不同构件的受力分布,将三维模型和真实结果相对应,使学生能够更好地将理论知识和实际实验相结合。

装配式建筑构造模拟实验

沥青路面车辙变形细观结构虚拟仿真实验

型钢混凝土梁-钢管混凝土柱组合框架节点受力性能模拟试验

新型混凝土梁受弯性能实验

附录:土木学科虚拟仿真实验产品目录

施工工程三维虚拟实验教学系统

柱钢筋绑扎实验

OWVLab CPTS V1.0

梁钢筋绑扎实验

板钢筋绑扎实验

后浇带实验

预制管桩(静压力)实验

钻孔灌注桩实验

装配式建筑施工工艺虚拟仿真实验

预应力混凝土施工工程仿真实训软件-先张法施工

预应力混凝土施工工程仿真实训软件-后张法施工

土力学三维虚拟实验教学系统

三轴压缩实验

OWVLab MITS V1.0

直剪实验

土的压缩固结试验

土水特征曲线量测

土柱降雨入渗实验

非饱和土三轴试验

岩土力学三维虚拟实验教学系统

工程地质构造虚拟实验

OWVLab GMTS V1.0

单桩竖向载荷虚拟仿真实验

天然地基静载荷虚拟仿真实验

桥梁-土-桩基系统近断层弹塑性地震响应分析

复合地基离散元虚拟仿真

原位十字板剪切(电测式)虚拟仿真实验

工程地质勘察

动力触探虚拟仿真实验

现场直剪虚拟仿真实验

静载荷试验虚拟仿真实验

桩基静载虚拟仿真实验

建筑力学三维虚拟实验教学系统

高温下混凝土材料力学性能虚拟仿真实验

OWVLab AMTS V1.0

高温下钢筋力学性能虚拟仿真实验

混凝土受荷破坏分析

混凝土材料水分传输虚拟实验

纯弯曲梁电测实验

组合变形电测实验

SBS改性沥青显微形态与性能模拟

建筑材料虚拟仿真系统

密度试验

OWVLab SMTS V1.0

表观密度试验

软化系数试验

普通混凝土拌和方法:(人工拌和)

普通混凝土拌和物和易性测定

普通混凝土抗压强度试验

混凝土结构三维虚拟实验教学系统

钢筋混凝土梁受弯虚拟仿真实验

OWVLab CSTS V1.0

钢筋混凝土梁受剪虚拟仿真实验

钢筋混凝土梁受扭虚拟仿真实验

钢筋混凝土柱受压虚拟仿真实验

钢筋混凝土柱偏心受压承载力模拟

新型钢筋混凝土复合梁受弯性能模拟

剪力墙静力推覆虚拟仿真实验

8层钢筋混凝土框架结构地震反应分析

型钢混凝土梁-钢管混凝土核心柱组合框架节点受力性能试验模拟

型钢混凝土梁-角钢混凝土柱组合框架节点受力性能试验模拟

常温及高温下钢筋混凝土适筋梁受弯破坏虚拟仿真实验

常温及高温下钢筋混凝土柱受压破坏虚拟仿真实验

混凝土棱柱体一次受压应力--应变全曲线实验

混凝土的静力抗压弹性模量实验

混凝土轴心抗压强度(棱柱体强度)实验

混凝土抗海水侵蚀性能分析虚拟仿真实验

混凝土抗冻融循环性能虚拟仿真实验

构件中腐蚀钢筋-混凝土粘结力虚拟测试试验

短肢剪力墙拟静力实验

装配式建筑构件损伤评估虚拟仿真实验

耐火耐候钢楼板的耐火性能实验

钢结构学三维虚拟实验教学系统

钢结构轴心受压构件失稳实验

OWVLab SSTS V1.0

钢梁整体失稳模型实验

钢结构梁柱连接节点破坏虚拟仿真实验

高温下钢结构轴心受压构件失稳虚拟仿真实验

钢结构工程实训软件-单层结构

钢结构工程实训软件-多层结构

钢结构工程实训软件-钢网架结构制作与安装

路基路面工程三维虚拟实验教学系统

道路弯沉值仿真实验

OWVLab SPETS V1.0

路基路面回弹模量虚拟仿真实验

沥青路面温度分布实验

沥青路面车辙变形细观结构虚拟仿真

桥梁工程三维虚拟实验教学系统

连续梁挂篮施工综合仿真实验

OWVLab BPTS V1.0

连续桥梁仿真荷载实验

刚构桥实验

粘贴法加固施工仿真实验

增大截面加固施工仿真实验

桥梁施工、监测过程三维虚拟仿真实验

桥梁静载虚拟仿真实验

桥梁动载虚拟仿真实验

桥梁荷载横向分布系数计算原理虚拟仿真实验

车辆过桥及桥梁冲击试验动力仿真实验

地下空间工程三维虚拟实验教学系统

道路铁道工程实习现场(VR版)

OWVLab USETS V1.0

交通工程虚拟仿真实验

地铁车站设计虚拟仿真实验

防灾减灾工程三维虚拟实验教学系统

事故现场还原-三丰百货大楼

OWVLab DPRPTS V1.0

质量调谐阻尼器振动控制原理虚拟仿真实验

数字化抗震虚拟仿真实验

数字化风洞虚拟仿真实验

生命线工程地震灾害及二次灾害

地球内部构造与地震成因虚拟仿真实验

地震过程模拟虚拟仿真实验

振动台实验原理仿真模拟虚拟仿真实验

典型结构振动台试验模拟虚拟仿真实验

郴州某钢结构厂房雪灾事故还原虚拟仿真实验

工程结构动力灾害模拟仿真试验

大跨度屋盖结构与超高层结构绕流风场模拟

北川震害遗址三维虚拟实验教学系统

北川震害遗址震害概况虚拟仿真实验

OWVLab EDSTS V1.0

北川震害遗址地质灾害路线虚拟仿真实验

北川震害遗址老县内建筑震害路线虚拟仿真实验

北川震害遗址新县城建筑震害路线虚拟仿真实验

北川遗址新县城桥梁震害教学点虚拟仿真实验

古建筑三维虚拟实验教学系统

木质楼阁建筑(应县木塔)虚拟展示和结构识别实验

OWVLab AABTS V1.0

木质楼阁建筑(真武阁)虚拟展示和结构识别实验

木质楼阁建筑(观音阁)虚拟展示和结构识别实验

木质楼阁建筑(保和殿)虚拟展示和结构识别实验

木质楼阁建筑(故宫箭亭)虚拟展示和结构识别实验

木质楼阁建筑(古家具)虚拟展示和结构识别实验

木质楼阁建筑(风雨桥)虚拟展示和结构识别实验

木质楼阁建筑(祈年殿)虚拟展示和结构识别实验

建筑构造三维虚拟实验教学系统

装配式建筑构造模拟系统

OWVLab ASTS V1.0

建筑构件隔声性能虚拟仿真实验

历史街区微经营空间活力评价

古建筑还原虚拟仿真实验

建筑设计三维虚拟实验教学系统

建筑设计虚拟仿真实验

OWVLab CTTS V1.0