馬登成， 胡永彪， 張新榮

（長安大學(xué)工程機械國家虛擬仿真實驗教學(xué)中心，西安710064）

0 引 言

為了提高學(xué)生對道路施工現(xiàn)場的了解，將理論知識轉(zhuǎn)化為實際技能，實驗教學(xué)采用虛擬仿真的教學(xué)方式，以圖文介紹形式展示實驗?zāi)康?、實驗原理、公式、實驗方法與步驟、注意事項和實驗報告等內(nèi)容，使學(xué)生能夠交互式、沉浸式的進行實驗，能夠使學(xué)生身臨其境的熟悉現(xiàn)場道路施工狀況，提高學(xué)生對課堂理論知識的掌握與實際解決問題的能力［1-6］。采用虛擬仿真實驗?zāi)軌蚴估碚撆c實際相結(jié)合、虛擬仿真實驗與實際實驗相互補充、優(yōu)化配置，全面提升學(xué)生在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中自主學(xué)習(xí)能力、解決復(fù)雜問題的能力、協(xié)同合作的能力，達到高層次人才培養(yǎng)的目標［7-15］。虛擬仿真教學(xué)實驗項目的設(shè)計目的正是輔助學(xué)生進行高速公路機械化施工的認知學(xué)習(xí)。虛擬施工現(xiàn)場外景下與三維施工設(shè)備的結(jié)合最大限度的復(fù)現(xiàn)模擬工程實際，構(gòu)造出一套完整的涵蓋公路施工設(shè)備、施工工藝、材料的虛擬實驗，對高速公路施工過程中涉及的設(shè)備、工藝、流程、材料等進行仿真。以虛擬的技術(shù)手段再現(xiàn)施工工序安排、工程設(shè)備及構(gòu)件安裝、機械操作、參數(shù)調(diào)整、瀝青混合料反饋等的重要環(huán)節(jié)，實現(xiàn)虛擬設(shè)備的人機交互操作，使學(xué)生隨時隨地的進行學(xué)習(xí)和實際操作。

1 項目建設(shè)原因

（1）學(xué)生無法觀察整個施工過程。高速公路的建設(shè)的工期均以年計，工期較長，在校學(xué)生沒有時間和精力去現(xiàn)場學(xué)習(xí)整個施工過程及工序，無法了解高速公路機械化施工的基本施工方法和流程。

（2）施工現(xiàn)場復(fù)雜，存在著不可預(yù)見的安全隱患。公路施工過程中，施工設(shè)備、車輛眾多，無論是工程機械，還是施工過程中的工況都是不可預(yù)料的，學(xué)生并不能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場實習(xí)，現(xiàn)場操作更無從談起，也無法保證學(xué)生在學(xué)習(xí)過程的安全。

（3）學(xué)生無法觀察施工機械結(jié)構(gòu)及工作原理。瀝青混合料拌合站在施工過程中，一直處于封閉狀態(tài)，再加上拌制的瀝青混合料溫度高達160℃以上，攤鋪機、壓路機等施工設(shè)備工況復(fù)雜、施工現(xiàn)場情況多變，由于安全要求，學(xué)生不可能被近距離觀察其工作狀態(tài)，學(xué)生僅通過書本知識無法對其有很好的認知，很難明白高速公路施工設(shè)備的結(jié)構(gòu)、工作原理及參數(shù)調(diào)整，以及施工材料與設(shè)備間的影響關(guān)系。

（4）現(xiàn)場實習(xí)耗資較多，且不可重復(fù)。施工類實習(xí)只能針對部分學(xué)生進行現(xiàn)場學(xué)習(xí)，每次去現(xiàn)場消耗巨大。針對不同年級學(xué)生需要多次認知學(xué)習(xí)，消耗巨大。更談不上掌握間歇式瀝青拌合站結(jié)構(gòu)、拌合工藝、拌合質(zhì)量控制方法及拌合流程；瀝青攤鋪機關(guān)鍵結(jié)構(gòu)、攤鋪方法、參數(shù)調(diào)整、混合料離析控制方法與瀝青混合料壓實工序、壓實設(shè)備選擇、參數(shù)設(shè)置與設(shè)備選型等基礎(chǔ)知識。

（5）道路施工虛擬仿真實驗的優(yōu)勢。虛擬仿真實驗教學(xué)中應(yīng)用大型仿真軟件結(jié)合聲、光、電硬件設(shè)備，采用二維及三維動畫逼真反映實際道路施工過程中設(shè)備、材料、場景、人員操作等因素對施工質(zhì)量的影響，學(xué)生能夠?qū)崿F(xiàn)交互式、沉浸式實驗，有力地提高了實驗教學(xué)的吸引力和教學(xué)效果。由于采用虛擬仿真實驗方式，學(xué)生既能夠身臨其境地感受到真實施工過程中的狀況，又避免了由于誤操作產(chǎn)生對設(shè)備或?qū)W生人身的傷害，提高了對該門課程的學(xué)習(xí)興趣。

2 實驗項目建設(shè)

2.1 實驗項目設(shè)計

本項目的設(shè)計目標是完整地仿真如何進行高速公路機械化施工的整個過程，對所涉及的大型施工設(shè)備、施工技術(shù)、工程工序等知識點，將所要教授的知識點，生動準確地傳達給學(xué)生。同時學(xué)生能夠動手操作練習(xí)所教授的內(nèi)容，并且加入考核。

（1）施工設(shè)備認知。將所有系統(tǒng)中涉及的設(shè)備、工具單獨建模，分別能夠進行360°全方位的展示，并搭配文字說明，用于教學(xué)，讓用戶達到認知的效果；所有模型應(yīng)在該模塊的主界面中平鋪顯示，平鋪顯示的效果應(yīng)該是圖片加名稱，點擊某個圖片進入該對應(yīng)模型的具體展示。

（2）道路施工學(xué)習(xí)。該實驗項目是按照高速公路機械化施工過程中所涉及的各種施工設(shè)備、典型施工工藝的演示學(xué)習(xí)，學(xué)生進入系統(tǒng)后可進行間歇式瀝青拌合站、瀝青混合料攤鋪機、壓路機等多種施工設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理、施工工藝、流程、注意事項、參數(shù)調(diào)整等進行選擇，并進入對應(yīng)實驗流程按照施工工序進行施工，對施工過程中的關(guān)鍵點進行學(xué)習(xí)，最后通過多種施工設(shè)備完成整條高速公路的修筑（見圖1）。

圖1 道路施工虛擬仿真實驗系統(tǒng)

2.2 實驗項目建設(shè)

2.2.1 公路基層虛擬仿真施工

進入實驗界面后，首先點擊菜單欄中的“備料”圖標，認識實驗項目中所要的主要設(shè)備和實驗材料。學(xué)生可以在材料庫中選擇相應(yīng)的施工設(shè)備與材料，了解施工設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成與工作原理。采取交互式實驗方式，使學(xué)生身臨其境的學(xué)習(xí)公路路面基層施工的施工準備、混合料拌合、混合料運輸、攤鋪、碾壓、檢測、養(yǎng)生等過程（見圖2～8）。

2.2.2 瀝青面層虛擬仿真施工

（1）道路施工材料、設(shè)備準備。進入實驗界面后，首先點擊菜單欄中的“備料”圖標，認識實驗項目中所要的主要設(shè)備和實驗材料。學(xué)生可以在材料庫中選擇相應(yīng)的施工設(shè)備與材料，了解施工設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成與工作原理，如瀝青混合料拌合站結(jié)構(gòu)如圖9所示。學(xué)生可以從材料庫中選擇材料進行備料，實驗中的集料應(yīng)分類堆放，展示的場景里各檔集料分類堆放，如圖10所示。學(xué)生對各種原材料及混合料進行材料性能實驗（見圖11）。進行底基層清掃及黏層油的灑布，如圖12所示。各瀝青面層開工前在甲方和監(jiān)理單位批準及到場的情況下進行實驗段鋪筑，確定松鋪系數(shù)、施工工藝、機械配備、人員組織、壓實遍數(shù)，并檢查壓實度，瀝青含量，礦料級配，瀝青混合料馬歇爾各項技術(shù)指標等。

圖2 儲料倉

圖3 基層混合料拌制

圖4 基層混合料運輸

圖5 基層攤鋪

圖6 基層碾壓

圖7 基層壓實度檢測

圖8 基層養(yǎng)生

圖9 拌合站結(jié)構(gòu)組成與工作原理

圖10 集料分類堆放

圖11 材料性能實驗

圖12 底基層處理

圖13 瀝青混合料拌制

（2）瀝青混合料的拌制。各種集料分類堆放，每個料源均進行試驗，按要求的配合比進行配料（配料過程需要學(xué)生完成，老師設(shè)計配料參數(shù)選擇）。設(shè)備庫中選擇并設(shè)置間歇式瀝青混合料拌合站工作參數(shù)。實驗流程包括：冷骨料配給-骨料烘干加熱-熱骨料提升-熱骨料篩分、儲藏與計量-粉料計量-瀝青計量、噴灑-混合料拌和與小車運輸。實驗中學(xué)生通過交互，完成對瀝青混凝土的原材料和瀝青混合料及時進行檢測。展示出廠的混合料需均勻一致，無白花料，無粗細料離析和結(jié)塊現(xiàn)象。圖13為瀝青混合料拌制現(xiàn)場。

（3）瀝青混合料的運輸。實驗中要求學(xué)生根據(jù)拌合站每小時的產(chǎn)量、運距計算運輸車輛的數(shù)量與種類，實驗過程中展示運輸車車廂內(nèi)干凈整潔，刷防粘劑，并為車廂配備篷布或棉被以防止熱量損失。拌合站卸料到運輸車中要求采取5次卸料法，以防止卸料產(chǎn)生材料離析（見圖14）。

（4）瀝青混合料的攤鋪。學(xué)生可在機械庫中選取攤鋪機，根據(jù)路面寬度選擇梯形搭接攤鋪（采用雙機或三機梯形施工時，相鄰兩攤鋪機的前后距離控制10～20 m，相鄰兩幅有10～25 cm寬度的重疊搭接）或選擇大寬度攤鋪機一次攤鋪，攤鋪機工作前使學(xué)生明確對熨平板進行預(yù)加熱至不低于65℃，以防止瀝青混合料黏接在熨平板上，設(shè)置攤鋪機相關(guān)工作參數(shù)，實驗中底、中面層采用走線法施工，上面層采用平衡梁法施工（見圖15）。攤鋪過程中要求攤鋪機勻速行駛，根據(jù)拌合站的產(chǎn)量來確定攤鋪機的行走速度，以確保所攤鋪路面的均勻不間斷地攤鋪，在攤鋪過程中不準隨意變換速度，避免中途停頓以保證攤鋪后路面的平整度。

圖14 瀝青混合料卸料運輸

圖15 攤鋪機攤鋪作業(yè)

（5）瀝青混合料的壓實。壓實工藝分為初壓、復(fù)壓與終壓。初壓：采用雙鋼輪振動壓路機，先關(guān)閉振動靜碾1～2遍，緊跟攤鋪機碾壓，保證路面溫度應(yīng)不低于120℃。復(fù)壓：采用膠輪壓路機和雙輪雙振壓路機碾壓4～6遍，碾壓溫度多控制在100℃以上。終壓：采用雙輪雙振壓路機，靜壓1～2遍，碾壓溫度應(yīng)不低于70℃。邊角部分使用小型振動壓路機碾壓。

進行壓實作業(yè)之前，要求學(xué)生確定壓路機的種類和數(shù)量，一般由4臺噸位大于13 t的雙鋼輪振動壓路機和2臺噸位大于16 t的膠輪壓路機以及小型振動壓路機組成。壓實過程中壓路機禁止中途停車、轉(zhuǎn)向、制動，每次由兩端折回的位置呈階梯形隨攤鋪機向前推進，保證折位置不在同一橫斷面上；振動壓路機在已滿足壓實度要求的路面上行駛時關(guān)閉振動。碾壓沿縱向由低邊向高邊按規(guī)定要求的碾壓速度勻速進行，相鄰碾壓重疊寬度大于30 cm。圖16為瀝青混合料壓實。

圖16 瀝青混合料壓實作業(yè)

3 實驗考核

考核要求見表1。

表1 實驗考核要求

（1）學(xué)習(xí)態(tài)度。（占基本實驗考核成績40%。即總評20%），考核內(nèi)容包括：出勤率，實驗結(jié)束時儀器設(shè)備的維護和實驗室的整潔衛(wèi)生、預(yù)習(xí)報告、操作時的實驗態(tài)度、實驗報告的完整性。

（2）理論水平。（占基本實驗考核成績的30%，總評的15%），包括：實驗前抽查口試、設(shè)備參數(shù)調(diào)整、數(shù)據(jù)分析處理是否正確、實驗報告中實驗結(jié)果的分析討論及思考題解答。

（3）實驗技能。（占基本實驗考核成績的30%，總評的15%），包括：熟悉實驗步驟、正確規(guī)范使用儀器、是否正確的選擇施工參數(shù)。

4 實驗項目實施效果

本實驗項目彌補了目前高速公路機械化施工教學(xué)中存在的缺陷，通過3D建模的道路施工設(shè)備及施工實景，使學(xué)生生動而真實地了解與掌握了高速公路施工現(xiàn)場情況；通過設(shè)備庫提供的施工設(shè)備，加深對施工設(shè)備的認知與掌握；通過學(xué)習(xí)規(guī)范以及一步步地模擬施工工序?qū)嶒?，了解與掌握高速公路機械化施工的全過程。不僅使學(xué)生加深了理論知識，而且也掌握了高速公路施工的實際流程。經(jīng)過虛擬實驗訓(xùn)練的學(xué)生具備了更強的工程實踐能力和工程實踐經(jīng)驗，更能適應(yīng)工程機械類制造企業(yè)、公路施工類企業(yè)的工作崗位需求。