李春紅，孔綱強,2，張鑫蕊，劉漢龍，王 睿，許俊奎

（1. 河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210024；2. 三峽大學 土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002；3. 江蘇鐘潤智能科技有限公司，江蘇 南京 211300；4. 南京土壤儀器廠有限公司，江蘇 南京 210014）

巖土工程測試技術(shù)是研究巖土工程問題的基礎(chǔ)。社會的發(fā)展促進了土木行業(yè)新需求的產(chǎn)生，傳統(tǒng)的巖土工程也因此正在面臨更多新問題的挑戰(zhàn)，例如能源地下結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，使得巖土工程需要極大地考慮溫度影響等問題[1-4]。與之對應(yīng)的，巖土工程的測試技術(shù)也需要考慮這些新因素的影響[5-6]。這就要求土木工程類高等教育教學中不僅要注重學生基礎(chǔ)知識的培養(yǎng)，還需要適當考慮引入與工程有關(guān)的新興課題的教學與實踐，聯(lián)結(jié)專業(yè)教學與社會生產(chǎn)，以擴展學生的知識儲備，培養(yǎng)出符合時代和社會需求的學生。

近年來，建筑信息模型（building information modeling，BIM）技術(shù)在工業(yè)設(shè)計、建造以及管理等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[7-9]。在政府有關(guān)部門的推動下，工業(yè)設(shè)計及施工領(lǐng)域逐漸應(yīng)用該技術(shù)，相關(guān)高等院校以及科研機構(gòu)也對BIM 技術(shù)展開了積極探索?；诮ㄖこ绦畔⒒˙IM）建設(shè)一體化的虛擬實訓實驗室，將有利于學生盡早熟悉相關(guān)的操作方法和實踐步驟，以便在面對復(fù)雜及疑難問題時，能有效降低實際操作中的出錯率，提高安全保障性[10-11]。新型的BIM 技術(shù)虛擬仿真實驗室，突破實驗場地和測試時間的限制，可以幫助學生反復(fù)系統(tǒng)地學習，學校則能夠在保證學生學習質(zhì)量的前提下降低綜合成本。這也是土木工程及相關(guān)專業(yè)教育發(fā)展的重要趨勢[12-13]。對承擔科研創(chuàng)新任務(wù)的研究人員來說，利用虛擬仿真實驗室還可以根據(jù)測試需求修改傳統(tǒng)的實驗儀器模型，通過反復(fù)推敲確定合理的設(shè)計及操作方案，研究出符合科研需求且易于加工實現(xiàn)的新型儀器設(shè)備。這有利于降低科研人員的時間成本和經(jīng)濟成本，避免不必要的資源浪費。

本文將 BIM 技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)與傳統(tǒng)的巖土三軸測試相結(jié)合，構(gòu)建虛擬實驗室，并應(yīng)用于土力學及巖土工程測試技術(shù)的教學與科研中，有利于促進高校專業(yè)課程教學改革以及新型實驗室建設(shè)，有利于增加高校實驗室教學的創(chuàng)新性、多樣性，有利于拓展學生知識面及提升實驗人員隊伍的整體素質(zhì)。

1 建設(shè)BIM 實驗室的必要性

1.1 巖土三軸測試技術(shù)

巖土工程測試技術(shù)是研究巖土工程問題的重要基礎(chǔ)，土力學范疇內(nèi)的各種土體參數(shù)的確定都離不開巖土工程測試技術(shù)的應(yīng)用。三軸試驗是巖土工程測試中基礎(chǔ)而又極為重要的實驗，土體黏聚力和摩擦角參數(shù)的確定即是基于該實驗的[14]。三軸試驗結(jié)果還是土體應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系的基礎(chǔ)，是各類理論計算、數(shù)值模擬的依據(jù)，更是巖土工程設(shè)計的重要參考。可以說，涉及到土體力學參數(shù)的工程均離不開土體三軸測試。圖 1為傳統(tǒng)應(yīng)變控制式三軸測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖以及BIM效果圖。盡管三軸試驗如此重要，其基本的土力學基礎(chǔ)理論在所有的土力學教學中均有涉及，但是并非每所土木工程類高等院校都能為學生提供真正的三軸試驗教學與實踐。為了改變這種狀況，基于BIM 技術(shù)構(gòu)建巖土三軸測試技術(shù)虛擬仿真實驗室十分必要。

圖1 應(yīng)變控制式三軸測試系統(tǒng)

1.2 傳統(tǒng)的巖土三軸測試教學與科研的不足

傳統(tǒng)的巖土三軸測試技術(shù)教學往往采用實驗室課上先由教師當堂講授原理、進行示范操作，再由學生自行實驗的方式。這種方式存在如下不足。

（1）注重實驗操作，忽視實驗效果。由于實驗課上講授原理的時間有限，學生往往在沒有充分理解實驗原理的情況下就盲目按照教師的示范草草進行實驗，其結(jié)果是雖然完成了實驗過程，但實驗教學效果不理想。

（2）巖土三軸測試技術(shù)教學是基于土力學[15]等專業(yè)課程的，但是二者在時間安排上前后脫節(jié)。學生在學習專業(yè)課時缺乏實驗方面的實踐，使得對專業(yè)課內(nèi)容理解困難；在學習巖土工程測試技術(shù)時，早先學過的土力學課程中的測試原理等內(nèi)容也忘得差不多了，大大影響了學生的學習興趣。

（3）巖土三軸測試技術(shù)的實驗儀器配套軟硬件配置不足。一是由于學科建設(shè)經(jīng)費等原因使實驗儀器配套不完善，種類缺乏或者數(shù)量較少，不能滿足學生的實踐教學需求；二是更新?lián)Q代不及時，版本較低的老舊產(chǎn)品往往使測量結(jié)果存在較大誤差。

（4）實驗課程的考核形式單一。實驗課上學生僅仿照教師的示范進行操作、記錄數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)，如果據(jù)此對學生進行實驗課程考核，不足以考核學生分析問題的能力，更不足以考核學生的創(chuàng)新能力。

傳統(tǒng)的巖土三軸測試技術(shù)在科研上也存在一些不足。

（1）以研究生為主的科研實驗者實驗操作不夠規(guī)范。基于傳統(tǒng)儀器，要進行滿足科研創(chuàng)新要求的巖土三軸測試實驗，往往操作復(fù)雜，涉及的專業(yè)知識較深，研究生們往往參照規(guī)范進行實驗，但當部分創(chuàng)新型內(nèi)容在規(guī)范中未有涉及，同時又缺乏專業(yè)人員的指導時，則實驗操作容易出現(xiàn)偏差，影響科研類實驗的效果。

（2）科研實驗經(jīng)常涉及國外引進的巖土三軸測試儀器及技術(shù)，由于實驗規(guī)范及語言的差異，使得他們學習和使用這些儀器的效率較低，出錯率較高，溝通和解決問題的速度較慢，影響科研成果產(chǎn)出。

（3）自主研發(fā)科研所需的巖土三軸測試儀器周期長，難度大。根據(jù)科研需要，可能需要與廠商合作自主研發(fā)滿足特殊需求的巖土三軸測試儀器。這時首先需要自行進行粗略設(shè)計，確定可行性，修改設(shè)計方案，然后再聯(lián)系廠家定制。但由于研究者對儀器結(jié)構(gòu)不十分熟悉，其間需要反復(fù)溝通、協(xié)調(diào)和調(diào)試，所需時間較長。

與傳統(tǒng)的巖土三軸測試相比，構(gòu)建巖土三軸測試虛擬仿真實驗室，以虛擬測試任務(wù)驅(qū)動教學，以BIM平臺作為輔助，結(jié)合巖土三軸測試技術(shù)教學演示模型，能夠及時補充和完善土力學課程中與實驗相關(guān)的知識點，激發(fā)學生的學習興趣。同時，通過網(wǎng)絡(luò)教學平臺開放實驗虛擬操作平臺，能夠滿足學生在實驗課前、課后進行自主學習的需求。此外，增設(shè)科研類虛擬平臺，可以為科研實驗人員提供更豐富的實驗教程和操作平臺，有助于他們的規(guī)范操作，有助于提高科研效率。借助虛擬仿真實驗室的儀器模型，還可使科研人員更方便地了解儀器結(jié)構(gòu)，更好地自主設(shè)計滿足自身科研需求的儀器，提高與儀器生產(chǎn)商的溝通效率，節(jié)省時間成本和經(jīng)濟成本，提高儀器自主研發(fā)的成功率。

1.3 巖土三軸測試技術(shù)虛擬實驗室建設(shè)目的

利用BIM 技術(shù)、虛實結(jié)合和仿真訓練平臺，建立巖土三軸測試技術(shù)教學、科研、自主創(chuàng)新一體化的教育系統(tǒng)，實現(xiàn)信息共享；結(jié)合行業(yè)發(fā)展需求，培養(yǎng)理論與實驗基礎(chǔ)知識扎實的學生，并為科研實驗人員提供輔助科研的良好平臺，提升傳統(tǒng)巖土三軸測試技術(shù)實驗教學效果及科研創(chuàng)新能力。

2 巖土三軸測試技術(shù)BIM 實驗室建設(shè)內(nèi)容

2.1 建立仿真模擬模型

利用 BIM 技術(shù)建立實驗儀器BIM 模型，并進行可視化的實驗操作過程模擬。

首先，以巖土三軸測試儀器實物或 CAD 設(shè)計圖為基礎(chǔ)，使用 Revit 等軟件分別建立與實驗儀器相對應(yīng)的包含元件信息的構(gòu)件族庫，修改各組件的平面坐標或空間坐標參數(shù)，然后拼裝組合形成巖土三軸測試儀器的核心部件BIM 模型。圖2 為巖土三軸測試儀器核心部件三軸壓力室各元件的BIM 示意圖。

然后依據(jù)規(guī)范確定三軸試驗的操作過程和操作步驟，以及每一步驟可能產(chǎn)生的實驗現(xiàn)象，例如土體變形或者孔隙水流動等，方便后續(xù)對實驗過程的解釋和模擬。

最后進行實驗的全過程動態(tài)模擬。在Navisworks軟件中導入已建好的BIM 模型，根據(jù)Timeliner 與視點命令，關(guān)聯(lián)BIM 模型相關(guān)構(gòu)件和時間維度以及空間視點，實現(xiàn)巖土三軸試驗的4D 全測試過程模擬。

2.2 建設(shè)虛擬現(xiàn)實仿真模擬實訓實驗平臺

虛擬仿真實驗室是基于虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)的實驗系統(tǒng)，主要包括：實驗室環(huán)境、測試儀器、實驗對象和材料、實驗信息資源等。利用該技術(shù)，建立巖土三軸測試虛擬仿真實驗室，不斷為本科生學習三軸測試技術(shù)提供條件，為進行復(fù)雜實驗的科研人員提供學習資源，為科研工作和科研創(chuàng)新提供良好支撐。

圖2 三軸壓力室各元件BIM 示意圖

虛擬仿真實驗室的功能主要包括以下方面。

（1）學習目標明確，能夠及時配合土力學教學需要，契合教育改革方案。

（2）以課本理論知識為基礎(chǔ)，以工程問題為研究背景，結(jié)合實際工程需要對巖土三軸測試技術(shù)進行講解，包括實驗?zāi)康摹?yīng)工程應(yīng)用、實驗規(guī)范、操作步驟、實驗現(xiàn)象等。

（3）對實驗儀器進行模型化，提取各部分組件，展示設(shè)備或者材料的性能參數(shù)，幫助學習者深入了解儀器相關(guān)知識或?qū)嶒炏嚓P(guān)要求。

（4）對國外常用的三軸測試儀器進行補充介紹，擴展巖土三軸測試范疇，為科研實驗者提供重要學習資源。

（5）與虛擬仿真技術(shù)結(jié)合，在虛擬實驗室中展現(xiàn)實驗室操作注意事項，特別是誤操作及可能產(chǎn)生的后果，增強學生的實驗室安全意識，保障實驗人員的人身安全。

傳統(tǒng)巖土三軸測試實驗室往往無法及時更新實驗儀器產(chǎn)品，淘汰老舊的實驗設(shè)施，一定程度上影響傳統(tǒng)實驗教學效果，且由于場地等原因限制新技術(shù)的教學與傳播?；贐IM 技術(shù)的虛擬仿真實驗室則可以通過軟件更新、模型更新彌補這一缺陷，在節(jié)省經(jīng)濟成本和時間成本的同時，確保學生能夠及時學習到最新的知識和技能。虛擬實驗室同時設(shè)置建議和意見反饋系統(tǒng)，實驗人員可以根據(jù)自己的實驗體驗對系統(tǒng)提出建議和意見，以便系統(tǒng)后臺對虛擬實驗平臺及時進行調(diào)整更新，使其更貼近實驗者的需求。

2.3 建立巖土三軸測試技術(shù)BIM 實驗基地

依托巖土工程教育部重點實驗室，建立了巖土三軸測試技術(shù)BIM 實驗?zāi)Ｐ突?，供本校師生以及外來交流人員參觀學習、網(wǎng)上虛擬操作以及開發(fā)新型三軸測試類儀器?；亓⒆阌谛袠I(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合未來技術(shù)趨勢，不斷提升科技含量；結(jié)合國家戰(zhàn)略發(fā)展需求，不斷向行業(yè)和社會輸出創(chuàng)新型知識成果；積極與企業(yè)合作，深入挖掘潛力，充分利用實驗?zāi)Ｐ蛢?yōu)勢，支撐教學和學術(shù)研究工作。

3 BIM 在巖土三軸測試教學和科研中的應(yīng)用

將 BIM 技術(shù)引入土力學教學和巖土三軸測試的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下方面。

3.1 完善教學形式與內(nèi)容方面

（1）設(shè)置BIM 知識理論課程，介紹BIM 的原理、理論體系、建模技術(shù)以及相關(guān)應(yīng)用。

（2）介紹巖土三軸測試技術(shù)，完善土力學理論和實踐知識教學，加深學生對土力學基礎(chǔ)知識和工程實踐的理解。

（3）開放巖土三軸測試技術(shù)虛擬仿真實驗室，供學生課后參考學習，激發(fā)自主學習意識，提供網(wǎng)上交流平臺。

（4）在巖土三軸測試技術(shù)實踐教學中融入虛擬實驗室教學。在關(guān)鍵操作上，學生可以登錄平臺邊學習邊操作，提升實驗效果。通過實驗指導教師的適當補充講解，幫助學生提高學習效率。

（5）在傳統(tǒng)考核基礎(chǔ)上，在網(wǎng)絡(luò)課堂上引入學時積分考核。要求學生的視頻學習要達到規(guī)定的學時，還要通過實驗理論知識考核及各項虛擬操作測試。

3.2 輔助科研創(chuàng)新方面

（1）科研人員可以進入復(fù)雜實驗的虛擬仿真實驗系統(tǒng)，例如英國GDS 公司的三軸試驗系統(tǒng)。學習同類先進儀器的知識原理、操作過程、科研及工程應(yīng)用等，豐富科研人員的知識儲備。

（2）開放科研人員提取虛擬仿真實驗室儀器模型的權(quán)限。當科研人員需要自主設(shè)計部分實驗儀器時，可以借助虛擬實驗室內(nèi)的儀器模型，深入了解儀器結(jié)構(gòu)，并基于此結(jié)構(gòu)，利用BIM 相關(guān)軟件，進行設(shè)計開發(fā)，既節(jié)省了時間又有利于提高與儀器生產(chǎn)商的溝通效率，提高自主設(shè)計的成功率。利用BIM 技術(shù)設(shè)計的溫控樁-土接觸面三軸壓力室[5]如圖3 所示。

圖3 溫控樁-土接觸面三軸壓力室BIM 示意圖

3.3 完善課程教學大綱、優(yōu)化師資力量方面

通過不斷的教學探索與實踐，制定了合適的巖土三軸測試技術(shù)教學大綱以及BIM 學習指南，方便學生快速掌握巖土工程相關(guān)理論以及BIM 技術(shù)基本知識。在體現(xiàn)教學大綱標準化、模塊化的基礎(chǔ)上，強調(diào)課程的探索性、創(chuàng)新性，不僅注重學生對巖土工程測試知識的掌握，而且注重激發(fā)學生的學習興趣和創(chuàng)新思維。BIM 虛擬仿真實驗室設(shè)置專職的建模人員和實驗指導教師，強調(diào)對實驗人員的知識更新和對相關(guān)教師的培訓和互補學習，提升教師隊伍的整體素質(zhì)。

4 結(jié)語

本文利用行業(yè)先進的BIM 技術(shù)，建設(shè)了巖土三軸測試技術(shù)虛擬仿真實驗室，開設(shè)了 BIM 相關(guān)理論課程，強化了巖土方向基礎(chǔ)知識的學習和實踐。將BIM技術(shù)應(yīng)用于實驗室建設(shè)，有利于拓展學生的知識面，激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生的學習探索能力。