趙蕊，張遠兵，朱永祥

（1.安徽科技學院建筑學院，安徽 鳳陽 233100；2.滁州職業(yè)技術學院，土木工程系，安徽 滁州 239000）

0 前言

市政路橋項目是國家基礎設施重要組成部分，高質量市政路橋建設工程能夠促進經(jīng)濟發(fā)展、增強綜合國力、提升政府形象。近年我國道橋等基礎設施建設質量水平不斷上升，在國際上享有較好聲譽，港珠澳大橋等工程已成為“國家名片”。

市政路橋工程項目的涉及面寬、工作量大、制約性強，其施工對技術、質量、材料、計劃、安全及項目管理等提出了嚴格要求。為保持國家市政路橋建設質量及國際領先地位，構建市政道橋工程理論與實踐一體化仿真實驗平臺，加強市政路橋專業(yè)人才培養(yǎng)勢在必行。

1 市政道橋工程建設形勢與問題

1.1 市政道橋工程建設形勢

從全球范圍看，市政路橋工程建設面臨著良好形勢。據(jù)亞洲開發(fā)銀行研究報告，2010～2020年亞洲交通基礎設施投入累計約8萬億美元，其中68%為新項目，32%為更新維護項目[1]。

自國務院2014年發(fā)布《國家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃（2014～2020年）》以來，我國城鎮(zhèn)化水平不斷增長，城市綜合實力明顯提高。其中，公共交通設施持續(xù)完善，在政府公共財政持續(xù)支持下，城市基礎設施建設規(guī)模保持穩(wěn)定增長態(tài)勢，最近幾年城市市政公用設施固定資產(chǎn)投資額穩(wěn)定在1.6～1.7萬億左右[2]。

根據(jù)國家《“十三五”現(xiàn)代綜合交通運輸體系發(fā)展規(guī)劃》，“十三五”期間將進一步完善高速公路網(wǎng)絡，到2020年公路通車里程增加至500萬km，高速公路建成里程將達15萬km。可見“十三五”期間仍是交通運輸基礎設施集中建設、擴大規(guī)模的重要階段，同時是優(yōu)化結構、建立綜合交通運輸體系的關鍵節(jié)點，公路、市政基礎設施建設行業(yè)需求仍持續(xù)增長。

數(shù)據(jù)顯示，2017年全國完成鐵路公路水路固定資產(chǎn)投資31,151.16億元，較上年增長11.6%。完成公路建設投資21,253.33億元，較上年增長18.2%。其中高速公路建設投資9,257.86億元，增長12.4%。普通國省道建設投資7,264.14億元，增長19.5%。

圖1 2013-2017國內生產(chǎn)總值與公路建設投資總額及增長率情況統(tǒng)計圖

目前我國已形成全球規(guī)模最大的軌道交通建設市場。截止2015年底，全國共有36座城市獲準修建城市軌道交通線路，運營地鐵城市達20多座，運營里程達3000km，未來10年間城市軌道交通運輸及設備制造市場前景極為廣闊。

2018年6月江西省新余市為實現(xiàn)2020年更暢通、更安全、更舒適、更美麗、更富民“四好農(nóng)村路”目標，更好服務“新宜吉六縣區(qū)跨行政區(qū)轉型發(fā)展試驗區(qū)”建設,確定交通公路建設項目19個，計劃投資60.46億元形成綜合交通運輸體系[4]。

由于市政路橋建設項目發(fā)展，國內外工程項目建設要求越來越高。2018年7月“首都之窗”介紹了北京城市副中心將引入智慧道路建設項目，在周邊道路上實現(xiàn)情報板信息化服務升級[3]。2018年11月中國市政工程協(xié)會施工專業(yè)委員會介紹，目前國內市政工程項目建設正“結合城市發(fā)展、對標先進”。

1.2 市政道橋工程建設問題

1.2.1 設計方案問題

設計方案和標準對道橋建設有直接影響，對交通網(wǎng)絡建設具有關鍵作用。為保障道橋工程質量及安全，實現(xiàn)預期效果，道橋工程建設應謹慎選擇設計方案，應堅持因地制宜、實事求是原則，選擇最佳方案。道橋設計要詳細勘察地基，確定不均勻沉降區(qū)域，對施工車輛要提出載重量要求，防止過度碾壓產(chǎn)生裂縫。

道橋設計標準與方案應兼顧美觀性。隨著道橋建設技術發(fā)展，公眾和投資方明顯提高了工程審美要求。為保證工程質量，提升經(jīng)濟社會效益，應對道橋美觀性設計提高要求，使其與周圍環(huán)境協(xié)調[5]。

1.2.2 材料質量問題

為保障道橋質量，必須管控使用設備及材料質量。道橋設計應將質量、材料、耐久性及美觀性等作為設計標準之一。路橋工程的材料選擇是極其重要，如果材料質量有問題，那么路橋工程質量就不會有保障，會給路橋通行帶來隱患，影響城市發(fā)展。嚴控道橋施工材料，確保材料質量合格、施工規(guī)范及結構協(xié)調，才能保證長久安全。不合格的水泥、不合理的混凝土配比等都是道橋耐久性差的重要原因。

目前因施工材料采購驗收制度不完善，管理不到位，少數(shù)路橋項目材料質量不達標。部分路橋工程在采購材料時，不僅沒有完善的驗收制度，對材料質量未進行嚴格的檢驗。個別單位采購材料時甚至只看價格、不看質量，施工材料不達標。

1.2.3 路面條件問題

路橋工程要求路面平整、順暢，如路面壓實施工質量不達標，就可能發(fā)生開裂或蜂窩麻面現(xiàn)象。路橋施工如采用振動式壓路機設備對路基路面壓實處理，路基路面土體與碾壓面之間密實度將更高，能夠將其中所含空氣和水分排除，獲得較好的壓實效果[6]。

路橋施工中常遇到軟土地基，其透水性與承載力較差，會影響后期建設安全可靠性，甚至引發(fā)安全問題，使工程質量打折扣。

1.2.4 項目管理問題

路橋工程施工管理意識是非常重要。如果工程負責人員的管理意識不到位，那么項目運行很可能會出現(xiàn)問題，影響進度、質量和效益。管理意識缺失在路橋施工中較為常見，不僅表現(xiàn)在基層施工人員個體行為中，而且體現(xiàn)在群體行為上。路橋施工單位應提升管理意識，培養(yǎng)管理人才，使工程質量得到保障[7]。

路橋工程施工管理中，“溝通不暢”現(xiàn)象較為常見。項目經(jīng)理向各技術部門發(fā)出進度與質量等指令后，不同部門之間抄送文件，如有理解偏差、時間延誤等現(xiàn)象，就會使指導失誤。建立綜合管理系統(tǒng)成為市政路橋工程施工關鍵，把項目管理各方面有機結合起來，從而做到優(yōu)化管理[8]。

1.2.5 施工技術問題

鑒于有些路橋存在“鋪裝層脫落、橋梁裂縫、鋼筋銹蝕”等現(xiàn)象，建設單位要在施工之前加強調研、精準預測相關問題，在施工中嚴格把控每個細節(jié)，確保工程應用可靠性與運行過程安全性。

路橋施工中的混凝土制備、澆筑、振搗尤為重要，用料配比、機具選、填充方法均會影響工程質量，任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)紕漏，都會引發(fā)裂縫等問題。鋼結構施工技術要求較高，施工方如放松要求，就會導致鋼結構安裝、焊接質量不理想，使得構件驗收要求不達標[9]。

在路橋施工中，鋪裝層所占比重不大，但卻影響工程項目運行與使用效果。部分單位只關注表面質量，未嚴格依循工序開展，加上缺乏科學維護，必然導致鋪裝松散、脫落等問題。

1.2.6 維修與養(yǎng)護問題

路橋維修養(yǎng)護主要針對鋪地脫落、地面平整度損傷、混凝土裂縫等非結構性、可修繕問題，其中混凝土裂縫現(xiàn)象較常見且需及時處理。路橋工程產(chǎn)生混凝土裂縫的原因很多。為控制混凝土裂縫，工人除維修與養(yǎng)護措施之外，按規(guī)程操作，從根源上防止裂縫[10]。

以上諸多問題，歸根結底為人的問題——道橋工程專業(yè)人才稀缺的問題。為加快施工進度，不少施工單位同時開展多項作業(yè)。因施工人員專業(yè)素養(yǎng)不高，導致管理難度增加，路橋工程質量很難保障。解決道橋工程建設問題的關鍵在于“市政道橋工程人才培養(yǎng)”。

2 市政道橋工程人才培養(yǎng)

2.1 市政道橋工程人才培養(yǎng)現(xiàn)狀

道路橋梁工程專業(yè)主要培養(yǎng)國家交通運輸網(wǎng)建設需求的，能夠從事公路、城市道路、機場工程、橋梁及隧道工程等方向的設計、施工、管理、養(yǎng)護等科研與建設人才。建國以來高校市政道橋專業(yè)教育為國家建設事業(yè)做出了巨大貢獻。

國內較早開設路橋工程專業(yè)的高校有同濟大學、東南大學、長安大學、湖南大學、東北林業(yè)大學、北京工業(yè)大學等。改革開發(fā)以后，開設路橋工程專業(yè)的學校快速增加。截止2019年，全國開設道路橋梁工程專業(yè)的大學有74所[11]，另有高職高專院校若干所。

隨著我國社會經(jīng)濟發(fā)展，市政道橋專業(yè)人才需求量越來越大，對人才質量和要求越來越高，既要具備應對國際工程項目的技術能力與管理水平，又要有國際化視野，還應具備豐富知識和能力，但當前路橋專業(yè)人才培養(yǎng)存在諸多問題，達不到這些要求。

2.2 市政道橋工程人才培養(yǎng)的主要問題

2.2.1 人才培養(yǎng)目標

比較同濟大學、東南大學、長安大學、湖南大學、東北林業(yè)大學、北京工業(yè)大學等6所高校的路橋工程專業(yè)（下表）人才培養(yǎng)目標，可發(fā)現(xiàn)其差異較大。清華大學要培養(yǎng)工程建設及相關領域高端人才并成為引領者，同濟大學、東南大學和長安大學要培養(yǎng)高級人才或高端人才，長沙理工大學和山東交通學院要培養(yǎng)高級工程技術人才。

清華大學等6所國內高校道路工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標[12] 表1

當然，從上表還可發(fā)現(xiàn)這些本科院校的路橋專業(yè)人才培養(yǎng)目標也存在一定的互補性。其實，受傳統(tǒng)教育理念影響，各高校對道橋工程人才培養(yǎng)都很重視專業(yè)理論、專業(yè)技術及實踐技能，強調專業(yè)知識、專業(yè)技能及崗位能力，但這樣就產(chǎn)生了新的問題——道橋工程專業(yè)教育中，“職業(yè)技術教育”與“本科教育”的人才目標定位發(fā)生了部分重疊。

2.2.2 課程設置

雖然高校在道路工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標有所不同，但其專業(yè)核心課程設置相近。分析上述6所本科院校的道路專業(yè)核心課程（下表），可發(fā)現(xiàn)核心課程名稱雖然有些差別不同，但核心課程設置相近，主要有力學基礎、建筑材料基礎、道路路線、路基路面工程等。

清華大學等6所國內高校道路工程專業(yè)課程設置[13] 表2

從理論與實踐結合角度看，應用型專業(yè)課程與教學內容等應結合人才培養(yǎng)目標和崗位需求設置。道路工程專業(yè)人才培養(yǎng)不應只給學生傳授基本力學知識和專業(yè)知識，還應考慮環(huán)境、生態(tài)、能源、地質等綜合知識，使課程知識體系及其趣味性得到提升。

2.2.3 人才培養(yǎng)模式

隨著建筑行業(yè)發(fā)展，人才競爭日趨激烈，建筑院校如果僅僅關注學生知識培養(yǎng)，將使畢業(yè)生面臨缺乏實際技能、無法就業(yè)的困局，提高課堂教學效果、促進各級各類專業(yè)人才培養(yǎng)，改革教學及實訓手段是關鍵。

不少高校的道橋工程專業(yè)人才培養(yǎng)采用“科教結合、產(chǎn)學研一體”等傳統(tǒng)模式。校內專任教師負責傳授課程知識，校外實習基地“兼職導師”負責傳授實踐技能，形成“分工協(xié)作”的教學團隊，由此實現(xiàn)“高素質人才”培養(yǎng)目標。

雖然傳統(tǒng)教學模式具有一定合理性，但是傳統(tǒng)道橋工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式問題突出。首先是師資力量不足，高校急需理論水平高、實踐經(jīng)驗豐富的專業(yè)化協(xié)同教學團隊，但是當前國內高層次市政道橋專業(yè)人才緊缺，無論是校內專任教師，還是校外“兼職導師”，師資難以滿足需求。

因市政道橋工程受地域、施工時間等限制，學生接觸到工地的機會較少。能承攬市政道橋工程的企業(yè)多為大型企業(yè)，無論是管理制度還是文化氛圍，一般師生很難直接接觸，因此建構仿真試驗平臺具有必要性。

隨著信息技術發(fā)展，具有實時動態(tài)演示、專業(yè)綜合全面、過程協(xié)同建設等特征的建筑工程實踐教學具備傳統(tǒng)實訓無法比擬的優(yōu)勢，特別是現(xiàn)代仿真技術更勝一籌——其將校內實踐教學模型可對建筑工程項目系統(tǒng)抽象和簡化，與軟件結合建立起標準工地模型，實現(xiàn)教學、實訓、考評等一體化。

建成完善的仿真實驗平臺，配備相關實驗設備及配套軟件，可讓道橋工程類專業(yè)教育實踐性得到充分體現(xiàn)。建立仿真實訓一體化基地，幫助學生在校內實驗室親身體驗工程的建設全過程及技術工藝、管理工作，實現(xiàn)人才培養(yǎng)與生產(chǎn)實踐“零距離”對接，能更好地提高人才培養(yǎng)的社會適應性。

3 市政道橋工程仿真實驗平臺建設

3.1 仿真實驗平臺建設現(xiàn)狀

仿真實驗室在國內外已開始普及。教育部2016年公布100個國家仿真實驗教學中心，其中土木類有8個入選。除國家級仿真實驗平臺外，還有大量“省、市、校級”仿真實驗平臺，這些都為市政道橋專業(yè)仿真實驗平臺建設積累了經(jīng)驗。

縱觀各高校仿真實驗平臺，水平和質量參差不齊。有的實驗形象逼真、富含知識點、趣味性強；有的僅演示實驗過程，畫面粗糙、操作性差，多數(shù)高校視其為實踐教學資源，當作傳統(tǒng)實體實訓和課堂教學的補充，面臨的共性問題如下。

一是高校自主研發(fā)難度大。仿真平臺建設需土木類專業(yè)技術、通訊技術、仿真技術、網(wǎng)站開發(fā)技術等專業(yè)人才聯(lián)合研發(fā)，精通各專業(yè)的復合型人才短缺，加上政府招投標制度不靈活，仿真實驗平臺建設一般直接外包給企業(yè)，高校難以自主研發(fā)。

二是缺乏統(tǒng)一標準。仿真實驗平臺建設質量參差不齊，各平臺在不同程序、不同技術接口、不同標準下研發(fā)，其仿真實驗場景逼真度、趣味性、操作性、規(guī)范性差別大，相關平臺建設水平高低不一。

三是缺乏部門協(xié)調。各專業(yè)仿真實驗平臺間缺乏協(xié)調，不能聯(lián)合建設，項目多而全，重點不突出，實驗項目低層次重復建設現(xiàn)象嚴重，資源浪費問題突出。

四是資源共享性差。因資金、產(chǎn)權保護等限制，導致仿真實驗平臺建設共享較差。多數(shù)仿真實驗平臺僅服務特定用戶，不能向社會開放，軟件對接性、共享性較差。

五是管理功能較弱。很多仿真實驗平臺建設把重點放在技術上,對管理研發(fā)投入較少。學生的實驗預約、操作、記錄、書寫報告、提交成果，教師審批、監(jiān)管、指導等都在平臺進行,平臺應具有實驗實時管理功能。

3.2 市政道橋工程仿真實驗平臺基本構成

3.2.1 市政道橋工程仿真實驗平臺總體架構

市政道橋工程仿真實驗平臺包括硬件、軟件兩個方面，硬件設備主要有計算機、交換機、網(wǎng)絡機柜、移動同屏、數(shù)字紅外功放、網(wǎng)絡中控、投影等。軟件有路橋識圖仿真實訓軟件、道路工程仿真實訓軟件、橋梁工程仿真實訓軟件、道橋檢測仿真實訓軟件和路橋測量仿真實訓軟件等。

市政道橋工程仿真實驗平臺應該設實驗機房、局域網(wǎng)、管理數(shù)據(jù)庫、服務器（室）、技術服務站、服務器終端，具備信息識別、網(wǎng)絡登錄、課程維護、網(wǎng)絡模擬機使用功能，一臺Web服務器可基本滿足要求。技術服務站更新服務器上的實踐模型，每個技術服務站控制數(shù)臺服務器上的實驗模型。

仿真實驗平臺實際上是模擬真實環(huán)境，生成三維虛擬空間，用戶通過外設與虛擬環(huán)境對象進行交互，以達到通過虛擬漫游,足不出戶就能感受和體驗真實環(huán)境，提升教學效果。市政道橋工程仿真實驗平臺面向教學實驗與課程實踐,既能促進學生掌握知識，又可提高其科研素質及獨立工作能力。

通過市政道橋工程仿真實驗平臺，師生教學根據(jù)實驗需求選取相應軟件開展虛擬仿真實驗，既可通過平臺提供的路橋工程建設模型系統(tǒng)進行實驗，也可利用模塊庫組建系統(tǒng)，進行開放式實驗。

3.2.2 市政道橋工程仿真實驗平臺主要構成

3.2.2.1 路橋工程測量仿真實驗室

道橋建設項目測量是道橋工程設計和建設的基礎性工作。實際項目建設中，常出現(xiàn)由技術原因引起測量誤差，造成施工質量下降甚至工程難以展開等現(xiàn)象。為了提高工程質量，在道橋工程仿真實驗室開展工程測量、水準測量、角度測量、距離測量與直線定向、使用全站儀、控制測量、施工場區(qū)測量、施工測量的基本工作、認識建設施工控制測量、測量道路管道與橋隧的工程等，具有重要作用。

3.2.2.2 橋梁工程動態(tài)施工仿真實驗室

橋梁工程動態(tài)施工仿真實驗以三維模擬橋梁工程建設過程及建成后整體效果和細節(jié)。通過對橋梁三維交互、場景模擬仿真，研究施工細節(jié)，提前看到效果，杜絕設計的缺陷，幫助設計規(guī)劃方在施工前發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，減少浪費，保證安全性。

市政道橋工程課程教學利用橋梁工程施工動態(tài)仿真，使學生了解道橋工程施工概貌，掌握道橋類型、力學原理、建筑結構、設備布置、管線連接等情況，掌握道橋施工過程，不僅可提高學生學習興趣，而且有利于學生對道橋施工有更直觀和感性的認識，提高專業(yè)知識技能掌握程度。

圖2 橋梁施工仿真實驗示意圖

3.2.2.3 道路工程動態(tài)施工仿真實驗室

道路工程動態(tài)施工仿真實驗是道橋工程專業(yè)實踐教學內容之一。學生通過操縱鍵盤或鼠標，跟隨電腦屏幕引導進入施工現(xiàn)場，從原料進場、混合料運輸、攤鋪機運行到壓實機械壓實，通過可視化虛擬操作，把整個道路施工全過程呈現(xiàn)在眼前。

本實驗教學利用仿真模型和分析工具，應用道路施工理論與技能，使學生掌握不同類型道路施工規(guī)程及原理，學會利用所學知識分析和解決問題，對道路施工質量及其控制有更深刻認識。

圖3 道路施工仿真實驗示意圖

3.2.2.4 路橋工程檢測仿真實驗室

道路工程檢測是土木工程、給排水工程、交通工程等專業(yè)實踐教學基礎課程。在傳統(tǒng)實踐教學中，因電子化、數(shù)字化測繪儀器不足，以及實習場地及氣象條件限制，學生無法更多地接觸現(xiàn)代測繪儀器和測繪技術。

仿真檢測系統(tǒng)可選擇光學經(jīng)緯儀、全站儀和GPS等測圖模式。學生可進行全站儀和GPS參數(shù)設置，處理數(shù)據(jù)采集，軟件自動對操作進行日志記錄，并統(tǒng)計用戶的操作時間、觀測次數(shù)等數(shù)據(jù)。

3.2.2.5 市政道橋工程事故分析與科研項目實驗室

事故分析仿真實驗為學生提供實驗環(huán)境，實現(xiàn)路橋建設事故全過程解析化、便捷化、精準化，彌補了實際道路橋梁建設事故分析與科研中的花費高、危險性大、實驗條件難以控制等難題，為道橋項目安全研究提供了有力的技術手段支持與設備保障。

在實驗中，學生在老師指導下利用虛擬仿真模擬分析，對道橋事故展開調研，通過該專題實驗，學生可得到初步的科研訓練，了解本專業(yè)發(fā)展動態(tài)，理解創(chuàng)新研究一般流程，使其在有余力的情況下，獨立展開初步的研究工作。

4 結語

市政道橋工程專業(yè)課程教學具有空間體量大、施工周期長、危險性高、實驗難度大等特點，傳統(tǒng)實驗教學方法很難滿足其對實時動態(tài)演示等教學要求。運用仿真技術，將市政道橋工程類項目系統(tǒng)抽象化為系統(tǒng)模型，實現(xiàn)理論與實踐教學一體化，彌補傳統(tǒng)實體實驗教學不足，較好地提升教學效果。