空间网格结构虚拟实验教学平台研发

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摘要：文章针对空间网格结构形式多样、施工过程复杂、现场实践教学困难等问题，基于Unity3D虚拟现实开发引擎，融合BIM信息技术，设计并研发了一套装配式空间网格结构虚拟实验教学平台，涵盖结构形式、节点构造和施工方法三大实验模块。完成了典型空间网格结构建模、节点制作拼装、高空散装等多种施工方法的动态虚拟仿真、人机交互、知识点讲解等实验内容。基于该平台的实验教学弥补了现场实践教学的不足，提升了学生的工程实践能力和创新能力。

关键词：空间网格结构；虚拟实验；教学平台；BIM

引言

我国空间结构的研究和实践自20世纪50年代开始，进入21世纪，空间结构的设计和建造已跻身于世界先进行列，建成了一大批重大工程项目[1]。近年来，随着装配式建筑在我国的大力推广，作为其典型代表，空间网格结构凭借其轻型、坚固、形式丰富、装配化程度高、施工便捷等优点得到了广泛应用，尤其适用于体育场馆、会展建筑、机场航站楼等大空间公共建筑。空间网格结构的典型结构形式包括平板型的网架结构和曲面型的网壳结构，节点构造以螺栓球和焊接球最为常用[2]。虽然空间网格结构在我国得到了广泛应用，但由于其结构形状多样、受力分析复杂、应用理论前沿，我国高校土木工程专业开设此门课程较少，尤其在本科阶段，学生对网格结构的了解非常有限。这一方面是因为课时的限制，另一方面更是由于实践教学平台的缺乏。此外，现有的空间网格结构软件平台主要面向工程设计，很少有面向教学的空间网格结构虚拟实验教学平台。近十年来，随着信息技术的快速发展，BIM（BuildingInformationModeling，建筑信息模型）技术逐步被引入建筑学和土木工程专业的实践教学中[3]。例如，深圳大学建立了土木工程BIM实验室并开展了相关实践教学[4]；东南大学开发了混凝土结构破坏虚拟仿真实验平台[5]；戴晓燕和刘超建立了基于BIM技术的建筑工程虚拟仿真实训中心，并开设了虚拟仿真实训课程[6]；刘骜等探讨了基于BIM体系的建筑学专业教学体系建设问题[7]。综上，虽然国内高校已有一些土木工程虚拟仿真实验教学平台，并开展了一些实践教学改革研究，但尚未见面向空间网格结构的虚拟实验教学平台。鉴于此，本文设计了一套装配式空间网格结构虚拟实验教学平台，对典型空间网格结构的结构形式、节点构造、施工方法等进行虚拟仿真实验，旨在通过此教学平台使得空间结构的入门者能够高效率、高质量地对该类结构的基础知识进行学习，为后续的研究和工作奠定基础。

1空间网格结构虚拟实验教学平台搭建的必要性

作为一种典型的装配式钢结构体系，空间网格结构的实践教学是土木工程专业的重要内容之一，但传统的现场实践教学方式存在明显的不足：一方面，空间网格结构的建设周期长、施工方法多样，短时间的校外实训只能看到完整工程的某个局部或工序，无法达到培养目标的要求；另一方面，由于安全等原因，施工现场往往不允许学生动手操作，实习效果不佳；此外，由于经费和时间的限制，学校很难满足所有学生针对空间网格结构的校外实习。鉴于以上不足，本文通过研制空间网格结构虚拟实验教学平台，使学生直观形象地掌握其结构形式、基本组成、节点构造、建造过程及传力路径等，培养学生对三维空间结构的形象思维能力，增强感性认识，拓展学生的专业知识，在实验教学方面具有重要作用和实际意义，具体如下：（1）通过现场施工过程的动态虚拟展现，使学生对实际工程有直观感受，对空间结构的建造过程建立起形象而完整的认识；（2）通过将实际工程施工虚拟仿真化，实现沉浸式、体验式学习，可提高学生的兴趣和动力，激发学生的学习热情；（3）通过施工过程的人机交互，可以实现多方案的自主选择，培养学生从理论到实践、理论和实践交叉融合的综合能力。

2空间网格结构虚拟实验教学平台的功能设计

本实验教学平台包括结构形式、节点构造和施工方法三大功能模块（图1）。其中，结构形式包括典型的四角锥网架、平行弦网架、单层网壳和双层网壳等；节点构造包括常用的螺栓球节点和焊接球节点；施工安装方法包括高空散装法、高空滑移法、分条分块法和整体提升法等。每个功能模块均包含认识实验和考核实验两种模式。认识实验：建立典型空间网格结构的虚拟场景、整体模型、螺栓球和焊接球节点模型等，在模型查看窗口中可以通过自由切换视角、旋转、缩放、平移等来观察结构整体模型和节点配件组成，学生可以通过人机交互输入、虚拟操作等方式自主学习结构组成、传力路径、建造方法等相关知识。考核实验：三大功能模块均有对应的考核答题区。考核题目分为定位、选择、填空三大类。定位类题目要求按答题区提示找出一个给定名称的对象，在模型查看窗口中点击完成定位回答。选择类题目让学生在参考模型的情况下予以选择回答。填空类题目与模型对应，如模型查看区的一个对象被亮显，要求填写对象的属性信息等。

3空间网格结构虚拟实验教学平台的功能实现

Unity3D是目前主流的虚拟现实开发引擎，是一个可以创建三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等互动内容的多平台、综合型游戏开发工具，在虚拟仿真教学领域也有广泛应用。鉴于空间网格结构类型众多、空间形式复杂，难以采用AutoCAD或Revit等软件直接建模，本平台借助于同济大学空间结构团队开发的钢结构设计软件——3D3S[8]，参数化生成各种类型的空间网格结构。平台的具体研发步骤为：首先基于3D3S软件生成各种类型的网格结构模型，然后用3Dmax等图像专业软件进行处理，最后以fbx文件形式导入Unity3D开发引擎，编程实现三维模型的虚拟建造和人机交互操作等功能。图2为平台主界面，涵盖了典型空间网格结构形式、节点构造和施工方法三大功能模块。

3.1结构形式模块

空间网格结构的结构形式多达数十种，既有平板型的网架结构，又有曲面型的网壳结构，但考虑到很多形式具有相似的构成规律，平台内置了四种典型的结构类型：正放四角锥网架、正交斜放四角锥网架、单层凯威特型球面网壳和双层正放四角锥圆柱面网壳。由于平台能无缝读取3D3S软件生成的各种空间网格结构，模型库的后期扩展非常方便。图3为正放四角锥网架结构认识实验的界面。学生通过选择结构形式读取加载结构模型，左侧界面显示模型参数、几何特点、力学特征、类似形式和适用情况等信息。通过切换视角、旋转、缩放、移动等操作可以直观地观察该网架结构的基本组成单元、排列方式等信息，点击某根构件将显示其详细信息。

3.2节点构造模块

空间网格结构的重要特征是配件标准化程度高，节点和杆件装配便捷。平台选取两类最常用的网格结构节点进行装配实验：螺栓球节点和焊接球节点。其中，由于受力大小的不同，螺栓球节点又分为封板式和锥头式两类。节点构造模块包括认识、演示和互动三个子模块。认识子模块介绍了节点的配件组成、构造原理和传力路径，在模型中点击配件将显示其名称等信息。演示子模块展示了节点的装配过程，以螺栓球节点为例，安装步骤为：组合锥头或封板、焊接钢管、连接套筒、安装紧固螺钉、拧入球体、安装其他钢管，最终形成节点，如图4为螺栓球节点的主要装配过程图。互动子模块要求学生依照装配顺序点击相应的配件完成节点安装，若点击顺序错误将给出提示并要求重新安装。通过可视化节点构造学习和交互式拼装练习，使学生掌握网格节点的配件组成、构造原理、传力路径和装配过程等知识点。

3.3施工建造模块

平台选取4种常用的安装方法进行虚拟建造仿真实验：高空散装法、分条分块吊装法、高空滑移法和整体提升法。高空散装法，是将网架或网壳的杆件和节点直接在高空设计位置拼成整体的施工方法，有全支架法和悬挑法两种。实验平台中，针对两种方法适用的结构形式，全支架法采用四角锥网架结构作为实验模型，悬挑法则采用双层凯威特型球面网壳模型。以全支架法为例，首先介绍其基本特点和适用范围；然后，动画演示其施工安装过程并配备解说词，安装流程为：搭设满堂脚手架、安装支座、安装下弦杆并设置千斤顶临时支撑、安装腹杆和上弦杆、连接上弦杆、拆除千斤顶、拆除脚手架；最后，学生通过模型互动完成结构的建造过程。图5为全支架法的典型安装步骤。分条分块吊装法，实验过程分为5个主要阶段：分块地面拼装及准备工作；起吊提升，平移就位；支撑固定；连接单元；完成安装矫正。平台场景中包含起重机、千斤顶等可移动和拆卸的安装设备，可提升虚拟仿真实验的体验效果。虚拟实验平台中，各施工建造模块均分为认识、动画演示和互动三个模块。学生可以选择施工方法、施工阶段进行相应演示的播放、暂停、视角自由变化等操作，也可以通过人机交互完成不同类型结构的虚拟建造。

3.4考核模块

平台的三大功能模块均含有对应的考核模块。平台账号分为教师和学生两种身份，教师账号可增加考核试题、答案和评分标准，并可以查看所有学生成绩。学生只能参与考核，完成后可查看考核成绩和错误详情，其中是否允许参加重新考核由教师设定。图6为平台的考核模块界面。结语针对空间网格结构类型众多、装配过程复杂、现场实践教学困难等问题，本文基于Unity3D虚拟现实开发引擎，融合BIM信息技术，设计并研发了一套装配式空间网格结构虚拟实验教学平台，完成了典型空间网格结构建模、节点制作拼装、高空散装等多种施工方法的动态虚拟仿真、人机交互、知识点讲解及考查等内容，使学生在大跨空间结构建造方面得到了系统、全面和综合的训练，对空间结构的建造过程建立起形象而完整的认识。实验平台已应用于同济大学土木工程专业的实践教学中，激发了学生的学习兴趣，提升了学生的工程实践能力和创新能力，取得了良好的教学效果。但是，现有平台尚不具备力学分析功能，有待将来进一步的优化和完善。

参考文献：

[1]蓝天.中国空间结构七十年成就与展望[J].建筑结构,2019,49(19):5-10.

[2]翁振江,赵阳,金跃东,等.空间网格结构装配式节点分类与发展需求[J].建筑结构学报,2018,39(3):32-38,47.

[3]付亚静,杨华李,书阳.基于BIM的虚拟仿真技术在教学领域的应用与实践[J].土木建筑工程信息技术,2019,11(6):70-75.

[4]吴凌壹,丁志坤,隋莉莉,等.土木工程BIM实验室的建设与实践教学实施[J].实验技术与管理,2019,36(2):194-197,203.

[5]郭恒宁,贺志启,刘艳,等.土木工程实验教学的虚拟仿真平台设计[J].实验技术与管理,2019,36(3):143-145.

[6]戴晓燕,刘超.基于BIM技术的建筑工程虚拟仿真实训中心的建设研究[J].实验技术与管理,2018,35(12):237-241.

[7]刘骜,蒋山,唐瑜.基于建筑业BIM体系的建筑学专业教学建设初探[J].建筑与文化,2017,164:64-66.

[8]满延磊,吴杰,张其林,等.基于操作的钢结构节点参数化建模系统研发[J].同济大学学报(自然科学版),2019,47(9):1225-1234.

作者：吴杰 朱大宇 单位：同济大学土木工程学院