王恒

［摘 要］ 隨著城市地下空間工程信息化技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)在城市地下空間工程的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)等方面發(fā)揮了重要作用，如何將數(shù)值模擬技術(shù)引入城市地下空間工程專業(yè)本科教學(xué)，是解決信息化教學(xué)與工程實(shí)踐不匹配的關(guān)鍵。為了促進(jìn)學(xué)生掌握地下空間建筑地基的變形和穩(wěn)定性的分析方法，提高學(xué)生解決實(shí)際地下工程問題的能力，提出通過調(diào)整課程教學(xué)，重視和加強(qiáng)工程案例教學(xué)，構(gòu)建地下空間建筑案例庫的思路，對(duì)城市地下空間專業(yè)信息化課程的教學(xué)過程進(jìn)行優(yōu)化，使課程教學(xué)更加適合學(xué)科建設(shè)的發(fā)展。

［關(guān)鍵詞］ 數(shù)值模擬；地下空間工程；信息技術(shù)；教學(xué)改革

［基金項(xiàng)目］ 2021年度福建工程學(xué)院本科教研教改項(xiàng)目“基于三維建模技術(shù)的地下工程信息課程教學(xué)改革研究”（jg2021015）

［作者簡(jiǎn)介］ 王 恒（1989—），男，福建福州人，博士，福建工程學(xué)院土木工程學(xué)院講師，主要從事巖土工程研究。

［中圖分類號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A［文章編號(hào)］ 1674-9324（2024）07-0121-04［收稿日期］ 2022-12-30

一、研究背景

數(shù)字化建模技術(shù)是建設(shè)工程領(lǐng)域最為熱點(diǎn)的技術(shù)之一，2019年，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布了《關(guān)于完善質(zhì)量保障體系提升建筑工程品質(zhì)的指導(dǎo)意見》，其中明確強(qiáng)調(diào)：要推進(jìn)建筑信息模型（BIM）、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)全過程的集成應(yīng)用。加快推進(jìn)國(guó)家規(guī)劃已明確的重大工程和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，城市地下空間的開發(fā)與利用將迎來高速發(fā)展時(shí)期。

地下空間工程是指在地面以下的巖體或土層中修建地下建（構(gòu)）筑物的工程，包括工業(yè)與民用工程和地下綜合體等，在解決土地緊張和交通擁堵等問題中發(fā)揮了重要作用［1-2］。然而，地下工程多屬隱蔽工程，目前存在項(xiàng)目缺乏科學(xué)系統(tǒng)的規(guī)劃，以及協(xié)同設(shè)計(jì)體系與技術(shù)規(guī)范不完善等問題。數(shù)字化建模具有體現(xiàn)工程全壽命階段設(shè)計(jì)的巨大優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在工民建和道路橋梁等工程建設(shè)中得到了成功應(yīng)用［3-4］。目前，地下空間工程專業(yè)的人才需求缺口較大，特別是能夠服務(wù)生產(chǎn)一線的應(yīng)用型、復(fù)合型、創(chuàng)新型人才。

以新工科建設(shè)為契機(jī)，培養(yǎng)理論基礎(chǔ)扎實(shí)、創(chuàng)新與實(shí)踐能力突出、適應(yīng)現(xiàn)代城市地下空間開發(fā)領(lǐng)域的高層次專業(yè)人才勢(shì)在必行。在“地下工程信息技術(shù)”課程中引入數(shù)字化建模技術(shù)，將傳統(tǒng)的土木工程與信息數(shù)字化技術(shù)融合，能夠讓學(xué)生在建模中更為直觀有效地了解實(shí)際施工流程，將所學(xué)專業(yè)課程知識(shí)應(yīng)用于計(jì)算結(jié)果分析，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

二、“地下工程信息技術(shù)”課程特點(diǎn)

“地下工程信息技術(shù)”課程是福建工程學(xué)院城市地下空間工程學(xué)生所必須掌握的一門專業(yè)選修課程，課程的主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生通過數(shù)值建模手段分析地下建筑物施工過程中變形和穩(wěn)定性的能力。目前，地下空間專業(yè)信息技術(shù)的教學(xué)方法仍以傳統(tǒng)的CAD技術(shù)教學(xué)為主，例如，對(duì)于城市建設(shè)常見的雙基坑開挖，或者隧道開挖臨近已有基坑的典型地下空間工程，傳統(tǒng)教學(xué)方法僅能在繪制CAD圖紙的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范計(jì)算單一建筑物的變形或者穩(wěn)定性，最終僅有抽象的二維平面模型，無法直觀地對(duì)臨近地下空間建筑物的施工過程進(jìn)行精確的三維動(dòng)態(tài)模擬，缺乏施工信息管理，這將給施工方案優(yōu)化和節(jié)約施工的成本帶來極大的不便。以筆者所在的城市地下空間專業(yè)為例，在以傳統(tǒng)的CAD技術(shù)作為輔助教學(xué)工具時(shí)，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣普遍不高，主要問題包括以下幾點(diǎn)。

（一）CAD教學(xué)圖紙與實(shí)際工程實(shí)踐脫節(jié)

在具體授課過程中，常以典型的城市地下空間工程（基坑、隧道等）作為分析案例，課程的學(xué)習(xí)中學(xué)生不僅需要具備扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，還要對(duì)所分析的地下工程建筑物的三維立體形態(tài)有初步的認(rèn)識(shí)，傳統(tǒng)的CAD技術(shù)只能繪制單一的簡(jiǎn)化平面圖或者立面圖，無法提供生動(dòng)、形象的三維立體模型。另外，作為一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，傳統(tǒng)的CAD教學(xué)手段的教學(xué)重點(diǎn)仍停留在強(qiáng)調(diào)繪制建筑物圖紙細(xì)節(jié)的正確性和掌握理論繪圖技巧，強(qiáng)調(diào)根據(jù)圖紙和規(guī)范分析地下結(jié)構(gòu)的受力特性，忽略了地下空間工程的實(shí)踐性。

（二）課程教學(xué)參與度不高

作為本科生，工程實(shí)踐相對(duì)缺乏，學(xué)生對(duì)所要分析的地下建筑物的整體受力，以及所要關(guān)注的容易破壞的部位缺乏認(rèn)識(shí)，容易出現(xiàn)抵觸情緒。在傳統(tǒng)的教學(xué)理念下，學(xué)生不愿意花大量時(shí)間查閱相關(guān)地下工程案例，每名學(xué)生儲(chǔ)備的知識(shí)水平存在差異，當(dāng)遇到困難時(shí)，往往不是詢問教師如何解決，而是選擇模仿其他同學(xué)的圖紙，逐漸會(huì)有學(xué)生對(duì)課程不感興趣，久而久之陷入師生互動(dòng)氛圍不佳的惡性循環(huán)。同時(shí)，傳統(tǒng)CAD繪圖相對(duì)枯燥漫長(zhǎng)，除講授時(shí)間外，在短時(shí)間的課堂練習(xí)中，學(xué)生通常無法完成教師布置的工作量，只能在課余時(shí)間完成，導(dǎo)致學(xué)生經(jīng)常因?yàn)楦鞣N原因停留在上一節(jié)課的進(jìn)度。這種情況不僅會(huì)使學(xué)生產(chǎn)生應(yīng)付課程的情緒，還會(huì)影響教師的新課授課進(jìn)度。

（三）考核成果差異化

“地下工程信息技術(shù)”課程的考核包括課上的提問、作業(yè)以及最后的現(xiàn)場(chǎng)考試。由于CAD繪圖的嚴(yán)謹(jǐn)性，變動(dòng)幾何尺寸參數(shù)后，可能會(huì)導(dǎo)致根據(jù)圖紙得到的計(jì)算結(jié)果不滿足規(guī)范要求的情況，每名學(xué)生的平時(shí)作業(yè)題目和最后考試題目相同。然而，由于少部分學(xué)生不自覺，往往會(huì)出現(xiàn)某個(gè)學(xué)生出現(xiàn)某個(gè)計(jì)算錯(cuò)誤，少部分學(xué)生也出現(xiàn)一模一樣的計(jì)算結(jié)果，這就給教師對(duì)每名學(xué)生的公平公正評(píng)分帶來了極大的困難。另外，考試題目的類型一般是實(shí)際工程高度簡(jiǎn)化后的模型，沒有與實(shí)際工程結(jié)合，過于強(qiáng)調(diào)理論知識(shí)，沒有達(dá)到課程考核學(xué)生分析實(shí)際案例能力的目的。

三、數(shù)值模擬在地下空間工程中的應(yīng)用

隨著信息技術(shù)在城市地下空間工程的迅猛發(fā)展，數(shù)值計(jì)算是對(duì)地下隱蔽建筑物進(jìn)行變形和穩(wěn)定性分析的最有效方法［5-6］。傳統(tǒng)地下空間工程的技術(shù)規(guī)范常采用高度簡(jiǎn)化的二維模型，對(duì)于地下建筑物空間效應(yīng)顯著的問題也往往簡(jiǎn)化為平面模型。然而，地下形狀復(fù)雜的基坑、綜合管廊和地鐵隧道等為典型三維建筑物，大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示采用平面模型簡(jiǎn)化得到的與實(shí)際不符，可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的破壞模式等問題。近年來，隨著我國(guó)城市大型地下工程項(xiàng)目的出現(xiàn)，施工事故也難免出現(xiàn)，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)于地質(zhì)條件復(fù)雜和施工環(huán)境惡劣的地下空間工程項(xiàng)目，在設(shè)計(jì)和施工前的階段，如何進(jìn)行沉降預(yù)測(cè)和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，優(yōu)化施工方案，保證施工的順利開展，成為城市地下空間工程必不可少的環(huán)節(jié)。因此，使用作為輔助計(jì)算工具，且能考慮復(fù)雜的地下水條件、建筑結(jié)構(gòu)與土相互作用的數(shù)值模擬技術(shù)非常必要。

目前，已有多種有限元程序擁有豐富的巖土本構(gòu)模型，以及能夠快速上手的操作界面，并且計(jì)算內(nèi)核穩(wěn)定高效。數(shù)值模擬軟件基本具備以下幾個(gè)特點(diǎn)：從計(jì)算類型看，能夠?qū)Φ叵驴臻g工程的變形和穩(wěn)定性進(jìn)行分析，可對(duì)涉及孔隙壓力消散的工程進(jìn)行固結(jié)計(jì)算分析，可對(duì)涉及地下水流動(dòng)的問題進(jìn)行流固耦合分析，對(duì)涉及穩(wěn)定性的問題進(jìn)行極限平衡分析，能夠?qū)ι婕暗卣鸬膯栴}進(jìn)行動(dòng)力分析；從城市地下空間工程看，可對(duì)復(fù)雜形狀、多個(gè)或者坑中坑的基坑，加筋擋土墻和邊坡，并行隧道或交叉隧道，臨近地下工程施工對(duì)樁基的影響，以及水位驟降對(duì)水庫壩體的穩(wěn)定性影響等進(jìn)行分析。同時(shí)，地下工程數(shù)值分析軟件通常具有友好的交互式圖形界面，包括地基土的參數(shù)輸入、施工荷載設(shè)定、不同施工步驟設(shè)定、邊界條件和結(jié)算結(jié)果輸出等。在建立復(fù)雜的地下空間建筑物的幾何模型后，還能夠自動(dòng)高效地生成有限元網(wǎng)格，避免由于結(jié)構(gòu)尖角形成的網(wǎng)格奇異。根據(jù)不同的地下空間工程（隧道、基坑和綜合管廊等）的開挖施工特點(diǎn)，預(yù)先建立工程施工動(dòng)態(tài)仿真數(shù)值模擬，包括施工過程的數(shù)值模擬和施工過程中的動(dòng)態(tài)反演分析。通過數(shù)值模擬分析能夠讓設(shè)計(jì)和施工人員了解各類地下空間工程結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)，直觀認(rèn)識(shí)施工過程中地下空間工程結(jié)構(gòu)的受力特性和演變。

數(shù)值模擬已廣泛應(yīng)用于基坑工程的結(jié)構(gòu)受力分析。例如，筆者采用數(shù)值模擬的手段研究了深基坑開挖對(duì)臨近橋梁樁基變形的影響，探討了不同基坑開挖深度、基坑與樁基間距、橋樁和支護(hù)樁剛度等因素下的樁身彎矩和剪力的演變規(guī)律，使設(shè)計(jì)人員對(duì)樁基變形特征有初步認(rèn)識(shí)。同時(shí)，以二維模型為基礎(chǔ)，對(duì)開挖過程中不同位置土體的應(yīng)力路徑變化規(guī)律開展分析，根據(jù)應(yīng)力路徑變化特征對(duì)設(shè)計(jì)中的土工設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。采用有限元建立了基坑開挖的三維模型，探討了樁基變形的機(jī)理，同時(shí)對(duì)比了二維模型和三維模型計(jì)算結(jié)果的差異，提出了能夠?qū)⑷S模型等效為二維模型的判斷方法，對(duì)橋梁樁基提出了加固措施，最后與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了采用數(shù)值模擬方法分析地下空間基坑開挖工程的有效性，為實(shí)際工程的設(shè)計(jì)和施工提供了大量分析數(shù)據(jù)。筆者所具備的數(shù)值模擬的能力為“地下工程信息技術(shù)”課程改革打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

以上分析表明目前地下空間信息化理論教學(xué)與實(shí)際工程的信息化需求發(fā)展極度不匹配，這勢(shì)必將推進(jìn)地下空間工程專業(yè)本科生培養(yǎng)中現(xiàn)代信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)教學(xué)必須快速實(shí)現(xiàn)新的轉(zhuǎn)變，從傳統(tǒng)的教學(xué)逐步轉(zhuǎn)入以數(shù)值模擬三維建模為依托的融入式教學(xué)。在地下空間工程的高等教育中，學(xué)生作為受教育的主體，必須掌握先進(jìn)技術(shù)的使用技能，才能成為行業(yè)的先行者?！暗叵鹿こ绦畔⒓夹g(shù)”作為城市地下空間專業(yè)的重要課程，需要融合數(shù)值建模技術(shù)，不能局限于傳統(tǒng)CAD技術(shù)的教學(xué)，要逐步融入針對(duì)數(shù)值模擬技術(shù)及其支撐理論的教學(xué)，優(yōu)化“地下工程信息技術(shù)”課程，強(qiáng)化教學(xué)內(nèi)容與體系改革。

四、地下空間信息化教學(xué)改革探索

數(shù)值模擬技術(shù)蘊(yùn)含工程全壽命階段設(shè)計(jì)的理念，為課程設(shè)計(jì)改革提供了新思路，利用數(shù)值模擬的技術(shù)特點(diǎn)，筆者提出了“重視和加強(qiáng)工程案例教學(xué)，構(gòu)建地下空間應(yīng)用案例庫”的教學(xué)改革思路，以我院地下空間工程專業(yè)開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，以及大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃和全國(guó)性的重大學(xué)科競(jìng)賽為載體，推動(dòng)數(shù)值模擬在“地下工程信息技術(shù)”課程教學(xué)中的應(yīng)用，具體措施如下。

（一）建立與數(shù)值模擬技術(shù)一致的培養(yǎng)方案和教學(xué)任務(wù)

依據(jù)城市地下空間工程專業(yè)的特性及對(duì)數(shù)值模擬技術(shù)的需求，進(jìn)行相關(guān)的人才培訓(xùn)，并制定合適的教學(xué)任務(wù)。同時(shí)，邀請(qǐng)專家進(jìn)行理論知識(shí)和實(shí)踐的強(qiáng)化訓(xùn)練培訓(xùn)，使教學(xué)人員更好地掌握數(shù)值模擬技術(shù)理論和操作技能。對(duì)現(xiàn)有的教學(xué)知識(shí)體系進(jìn)行改良和擴(kuò)充，在“地下工程信息技術(shù)”課程內(nèi)容設(shè)置上，學(xué)生需要將數(shù)值模擬技術(shù)和專業(yè)知識(shí)體系整合起來，把數(shù)值模擬軟件應(yīng)用到不同的工程案例分析中，促使學(xué)生更加全面深刻地掌握專業(yè)知識(shí)。

（二）加強(qiáng)工程實(shí)例教學(xué)

將理論和實(shí)踐緊密結(jié)合，構(gòu)建“地下工程信息技術(shù)”教學(xué)案例庫是信息化教學(xué)體系構(gòu)建的重點(diǎn)。注重收集國(guó)內(nèi)外基于三維建模技術(shù)的地下空間工程領(lǐng)域的重點(diǎn)工程應(yīng)用案例。在已有收集案例的基礎(chǔ)上，通過運(yùn)用專業(yè)知識(shí)對(duì)案例進(jìn)行深入分析，使學(xué)生熟悉數(shù)值模擬技術(shù)建模的技巧，提高分析、解決專業(yè)問題的能力，并激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)數(shù)值模擬軟件的應(yīng)用能力。

（三）介紹數(shù)值模擬技術(shù)的前沿?zé)狳c(diǎn)

通過數(shù)值模擬技術(shù)的專題講座，多方位補(bǔ)充數(shù)值模擬技術(shù)在地下空間工程領(lǐng)域應(yīng)用的相關(guān)專業(yè)知識(shí)，選取數(shù)值模擬軟件應(yīng)用的熱點(diǎn)問題進(jìn)行介紹，包括地下空間地質(zhì)三維建模的實(shí)現(xiàn)，建筑三維的可視化、構(gòu)件材料信息的數(shù)字化、模擬地下工程的施工過程，激發(fā)學(xué)生的求知欲，培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力。在前述的工程實(shí)例分析和專題講座后，精心設(shè)計(jì)題目，適量安排小組討論，讓學(xué)生自己認(rèn)識(shí)和運(yùn)用工程結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬知識(shí)，并提出最優(yōu)方案。在此過程中，號(hào)召相關(guān)專業(yè)的教師對(duì)學(xué)生組建的小組競(jìng)賽團(tuán)隊(duì)做出相關(guān)的建議和指導(dǎo)。

（四）建設(shè)工程案例庫

提高學(xué)生查閱相關(guān)資料的積極性，鼓勵(lì)學(xué)生通過互聯(lián)網(wǎng)等途徑，參與收集國(guó)內(nèi)外經(jīng)典的基于數(shù)值模擬計(jì)算建模的地下空間工程應(yīng)用案例。在每一學(xué)年精心設(shè)計(jì)課程考試題目，提高學(xué)生面對(duì)復(fù)雜工程的建模能力，可以更好地鞏固教學(xué)效果，為將來從事實(shí)際工程設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)，將考試成績(jī)優(yōu)秀學(xué)生建立的模型補(bǔ)充到案例庫。提倡相關(guān)專業(yè)教師也參與到構(gòu)建工程案例庫的工作中，在參與橫向課題和工程評(píng)審的工作中收集相關(guān)案例，進(jìn)一步豐富和完善工程案例庫。

（五）優(yōu)化課程教學(xué)手段

在課堂教學(xué)中，在講授到關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)之前，先列舉出模擬實(shí)際工程案例的難點(diǎn)，讓學(xué)生進(jìn)行討論，提出解決辦法。例如，采用哪種材質(zhì)模擬地下結(jié)構(gòu)、如何選取參數(shù)以及設(shè)定施工步驟等，讓學(xué)生運(yùn)行程序分析計(jì)算結(jié)果，對(duì)計(jì)算結(jié)果的有效性進(jìn)行討論，讓學(xué)生參與課程建模，提升對(duì)數(shù)值模擬建模技術(shù)的興趣。在教材推廣、課件完善和構(gòu)建案例庫的基礎(chǔ)上，合理規(guī)劃技術(shù)專題講座和安排基礎(chǔ)繪圖作業(yè)，對(duì)理論教學(xué)情況進(jìn)行總結(jié)和反饋，分析現(xiàn)有案例采用的效果，分析存在問題的原因。根據(jù)存在的問題調(diào)整課程內(nèi)容，進(jìn)一步補(bǔ)充新的應(yīng)用案例。在完成幾屆學(xué)生教學(xué)任務(wù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)學(xué)生的總體反映，結(jié)合教學(xué)工作的總結(jié)和反饋意見，篩選專題講座中學(xué)生感興趣的部分，優(yōu)化課程內(nèi)容，完善教學(xué)大綱。

結(jié)語

數(shù)值模擬建模技術(shù)具有精確化、可視化和信息化的特點(diǎn)，在城市地下空間工程信息化快速發(fā)展的浪潮下，數(shù)值模擬技術(shù)在地下空間工程建筑設(shè)計(jì)、工程施工和維護(hù)等領(lǐng)域的應(yīng)用愈發(fā)廣泛。將數(shù)值模擬技術(shù)融入城市地下空間工程專業(yè)的信息化教學(xué)，將課程體系與實(shí)際工程需求緊密結(jié)合，重視工程案例實(shí)踐教學(xué)，建立地下空間工程案例庫，提高學(xué)生分析和解決實(shí)際工程問題的能力，對(duì)促進(jìn)地下空間工程專業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

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The Application of Numerical Simulation on the Course of Underground Engineering

Information Technology

WANG Heng

（School of Civil Engineering， Fujian University of Technology， Fuzhou， Fujian 350118， China）

Abstract： With the rapid development of information technology of urban underground space engineering， numerical simulation technology plays an important role in the design， construction， operation and maintenance of urban underground space engineering. How to introduce the numerical simulation into the undergraduate course of urban underground space engineering is the key problem to solve the mismatch between information teaching and engineering practice. In order to promote students to master the analysis method of deformation and stability of underground space building foundation， improve their ability to solve practical problems， this paper proposes to explore the education reform of the urban underground space professional information course by adjusting curriculum teaching， emphasizing and strengthening engineering case， and constructing the database of underground space building， and makes the course teaching more suitable for the development of subject construction.

Key words： numerical simulation; underground engineering; information technology; teaching reform