張 吉，陳建兵，張鵬飛，翟慕賽

(蘇州科技大學 土木工程學院，江蘇 蘇州 215011)

0 引言

在土木工程專業(yè)道橋方向課程教學體系中，“道路與橋梁工程檢測技術(shù)”是一門重要的實驗教學課程，而“橋梁動靜載試驗”(也稱“橋梁荷載試驗”)是課程涉及的重要教學環(huán)節(jié)之一。橋梁荷載試驗通過加載試驗，記錄橋梁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的反應，是評估橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)狀態(tài)及承載能力的必要手段，同時也為日后養(yǎng)護、維修、加固等決策提供科學依據(jù)和支持[1]。荷載試驗各流程中，測試系統(tǒng)組建及試驗流程控制是“道路與橋梁工程檢測技術(shù)”“測量學”等課程重要的實踐拓展，而方案編制和結(jié)果分析評定又綜合涵蓋了“材料力學”“結(jié)構(gòu)力學”“橋梁工程”等課程的理論知識。因此開展“橋梁動靜載試驗”的教學不僅可以使學生掌握相關(guān)專業(yè)知識，更能有效促進學生多課程知識點的融會貫通，強化能力的塑造，為學生今后從事橋梁工程相關(guān)工作打下堅實基礎(chǔ)[2]。

橋梁動靜載試驗規(guī)模大、投入成本高，對實驗室條件要求極高，難以在實驗室完整重現(xiàn)整個試驗過程，通常采用觀看視頻的方式替代，但是學生的參與度及體驗感均較差。同時，實踐教學面臨危險性高、試驗周期長、工序復雜等困難[2]。一方面，試驗現(xiàn)場環(huán)境復雜，且由于測試內(nèi)容和對象的特殊性，必須關(guān)閉正常交通，荷載試驗大多在夜間完成，與課時設置存在沖突。另一方面，即使部分學生能觀摩或參與現(xiàn)場試驗，也只能接觸部分試驗內(nèi)容。學生很難通過視頻、參觀等傳統(tǒng)方式全面掌握橋梁動靜載試驗涉及的所有工程技能。

為解決上述問題，本文將虛擬仿真技術(shù)應用到橋梁動靜載試驗教學中，利用Unity 3D仿真技術(shù)，開發(fā)了橋梁動靜載虛擬仿真教學平臺。將橋梁動靜載試驗移植到虛擬環(huán)境中[3]，使不易完整展現(xiàn)的復雜試驗過程變得可重復、可分析、可探索，使學生對橋梁動靜載試驗各重要環(huán)節(jié)有更完整的認知和理解。虛擬仿真教學平臺通過提供具有良好沉浸感、臨場感、交互感的虛擬仿真場景，創(chuàng)造真實的學習體驗，激發(fā)學生的學習興趣。同時，教師可以通過系統(tǒng)后臺的操作數(shù)據(jù)和反饋信息，及時了解學生的掌握程度，對教學效果進行實時評估。

1 虛擬仿真實驗教學平臺建設內(nèi)容

1.1 虛擬仿真實驗教學平臺的設計

橋梁動靜載虛擬仿真實驗平臺以連續(xù)梁橋為對象，基于真實工程項目中積累的設計資料及實測數(shù)據(jù)，通過對真實橋梁動靜載試驗流程及技術(shù)環(huán)節(jié)的虛擬仿真，輔以大量交互練習及操作，強化學生對動靜載試驗相關(guān)知識點的理解和認知，包括試驗方案設計原理、測試設備布設原則、加載組織實施流程及結(jié)果評定準則等。

利用Unity 3D仿真技術(shù)建立包括橋梁及周邊環(huán)境、加載車輛、測試儀器、現(xiàn)場實施人員等在內(nèi)的三維模型，將現(xiàn)實中的橋梁動靜載試驗進行全流程仿真模擬。在過程中對學生操作進行實時引導、評價和打分，將所有步驟進行記錄，得出試驗結(jié)論，并結(jié)合橋梁縮尺模型、測試系統(tǒng)等硬件設備，最終完成橋梁動靜載試驗各階段的學習。具有“能實不虛、虛實結(jié)合”的鮮明特色，讓學生能夠“身臨其境”地參與到橋梁動靜載試驗的各個核心流程。

靜載試驗中，加載車輛的數(shù)量及位置由靜載試驗效率系數(shù)η控制，η為試驗施加荷載產(chǎn)生的作用效應和設計荷載作用效應(考慮沖擊)的比值[4]，對于驗證性試驗η宜介于0.85～1.05[1]。本虛擬仿真平臺中，所有橋梁模型均依據(jù)商用有限元軟件Midas Civil計算的影響線進行合理加載方案的車隊布設。

1.2 虛擬仿真實驗教學平臺的組成

結(jié)合土木工程專業(yè)培養(yǎng)方案和課程大綱，橋梁動靜載虛擬仿真平臺的框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。本虛擬仿真教學平臺在使用中設置了“試驗準備”“漫游模式”“自學模式”“自測模式”4種模式，各自的功能如下。

圖1 虛擬仿真實驗平臺系統(tǒng)架構(gòu)

(1)試驗準備。該模式主要服務于教師對橋梁荷載試驗原理的講解。結(jié)合文字及圖表，詳細介紹“橋梁工程”“道路與橋梁工程檢測技術(shù)”等課程中與橋梁荷載試驗相關(guān)的理論知識，包括試驗的目的及內(nèi)容、預應力混凝土連續(xù)梁橋力學特點、構(gòu)造特點和適用范圍等。

(2)漫游模式。為了便于學生快速認知試驗場景、對象及設備，漫游模式提供了“地圖導航”和“漫游觀察”兩種查看方式，并給出了切換視角的快捷操作指南。學生可通過“地圖導航”查看關(guān)鍵局部位置，通過“漫游觀察”自由鳥瞰完整場景。

(3)自學模式。橋梁荷載試驗步驟繁多、涉及多門課程知識，自學模式下將利用知識要點、考題測試和系統(tǒng)提示，協(xié)助學生完成全過程的交互式操作。幫助學生形成對分級加載流程、安全控制措施及數(shù)據(jù)采集過程的認知，整體掌握方案設計階段所涉及的理論知識。

(4)自測模式。該模式用于考核及評價學生對橋梁荷載試驗全流程的掌握程度。學生可自主選擇測試儀器種類、布設位置，判斷加載車輛數(shù)量、位置及車速，主導整個測試過程。通過動態(tài)監(jiān)控和實時評判機制，后臺自動記錄學生的所有互動操作并評定成績。仿真實驗結(jié)束時，系統(tǒng)可自動生成詳細的成績分析報告，便于教師實時分析教學效果、調(diào)整授課重點。

2 虛擬仿真實驗教學平臺使用流程

本虛擬仿真系統(tǒng)包括“試驗知識準備-試驗方案設計-測試設備布設-加載組織實施-試驗數(shù)據(jù)整理”的全流程模擬，并嘗試變換結(jié)構(gòu)關(guān)鍵設計參數(shù)、測量儀器類型、加載方式等30個操作步驟(靜載20個，動載10個)來強化學生對各關(guān)鍵流程的認知。

2.1 靜載試驗主要步驟

2.1.1 靜載試驗理論知識準備

橋梁靜載試驗的加載方案會隨著待測橋梁設計參數(shù)的變化而變化。為了幫助學生更熟練地掌握荷載試驗，平臺基于真實橋梁設計參數(shù)，針對變截面和等截面連續(xù)梁橋分別設置了3種跨徑布置、9種截面形式，共18座橋梁模型以供選擇。

首先，學生選定待測橋梁參數(shù)。其次，通過圖文表述及三維模型，認知靜載試驗工況及測試截面的選定原則、試驗車輛軸重及軸距，掌握橋梁設計荷載取值及基于內(nèi)力影響線的布載原則。最后，學生須完成相應知識點的考核。考核內(nèi)容的設定基于方案設計階段的實際流程，包括設計荷載作用效應有限元計算結(jié)果分析、基于影響線的加載車輛位置確定、靜載試驗效率計算等?？己私Y(jié)束后，系統(tǒng)會針對學生的錯誤選擇給予自動反饋說明，引導學生自主發(fā)現(xiàn)和解決問題，并確保學生能夠完整掌握靜載試驗方案設計階段所需的理論知識。

完成上述交互性操作后，學生可點擊“過程演示”按鈕，激活橋梁靜載試驗實拍視頻，并同步展示在本虛擬仿真系統(tǒng)中與之對應的操作流程錄屏，如圖2所示。

圖2 實拍視頻及操作錄屏同步過程演示

2.1.2 測試設備布設

完成對試驗流程的認知及理論知識的掌握后，學生根據(jù)提示在試驗設備窗口選擇合適的應變測試儀器(包括：電阻應變計、光纖應變計、振弦式應變計)以及撓度測試儀器(包括：全站儀、光學撓度儀、電子水準儀)。學生選取每種測試儀器，均會有彈窗說明相應儀器的原理，應變測試儀器還會展示測點布置圖示；學生點擊“安裝”后，會在橋上相應位置激活三維安裝動畫，界面右側(cè)也會同步展示實物操作視頻。

2.1.3 加載方案設計

本系統(tǒng)共設置了4個加載測試截面，包括：S1(邊跨正彎矩最大)，S2(全橋負彎矩最大)，S3(中跨正彎矩最大)，S4(全橋剪力最大)。以S1截面為例，學生點擊“S1加載設計”，場景中橋梁相應位置出現(xiàn)光標動畫；學生點擊光標動畫，彈出該測試截面影響線，學生參考影響線設計該測試截面的加載方案，并用鼠標點選合適的加載位置，同時激活車輛加載動畫。若選擇錯誤，系統(tǒng)會引導學生重新選擇。

2.1.4 加載組織實施及試驗數(shù)據(jù)整理

完成所有截面的加載位置設計后，系統(tǒng)會引導學生進入“加載測試”模塊。首先，進行S1(邊跨正彎矩最大)截面測試。學生根據(jù)提示在彈窗中選擇加載車輛數(shù)目，車輛按順序逐個行駛至指定位置；車輛到位后，學生須在彈窗內(nèi)輸入加載穩(wěn)定時間，輸入值在合理范圍內(nèi)才可進行下一步；倒計時完畢，車輛開始卸載，卸載到位后同樣要輸入穩(wěn)定時間。加/卸載過程中的三維動畫可幫助學生直觀認知在橋上布置多排多列加載車輛時，其合理的加/卸載順序；也可點擊“跳過加載內(nèi)容”按鈕，車輛直接加/卸載到位。卸載結(jié)束，得到S1截面的荷載效率η。對于驗證性試驗η宜介于0.85～1.05，若因車輛數(shù)目選擇錯誤導致η不在合理范圍內(nèi)，系統(tǒng)會給予警示。點擊“記錄”跳轉(zhuǎn)至“試驗結(jié)果處理”界面，引導學生掌握包括校驗系數(shù)在內(nèi)的核心參數(shù)的意義。系統(tǒng)會引導學生按順序完成所有測試截面的加載測試及數(shù)據(jù)處理。

2.2 動載試驗主要步驟

完成靜載試驗后，系統(tǒng)會提示用戶“是否進入動載試驗”，點擊“是”進入動載試驗三維虛擬環(huán)境。學生可在“試驗概況”模塊了解動載試驗的測試截面及工況。點擊“加載工況”，根據(jù)提示在彈窗中選擇跑車/剎車/跳車試驗，并選擇車速(10/20/30/40 km/h)，確認“開始”，激活相應三維動畫；車輛加載過程中同步出現(xiàn)真實工程項目中獲取的實測數(shù)據(jù)動態(tài)圖；點擊記錄，數(shù)據(jù)將保存至平臺。

2.3 成績評定

學生在“自測模式”下完成虛擬仿真實驗的所有互動操作后，基于后臺記錄數(shù)據(jù)自動生成虛擬仿真實驗報告，包括：理論測試得分與解析、測試設備布設操作得分、組織實施操作步驟得分。

整體成績評定采用多層次考核模式，將出勤情況、實驗預習、虛擬仿真實驗操作和主觀性實驗報告“四位一體”，全面評價學生的學習成效及知識掌握水平。具體考核要求、評分細則和比例如表1所示。

表1 考核要求以及評分細則

3 虛擬仿真實驗平臺的應用效果

橋梁動靜載虛擬仿真實驗教學平臺于2018年10月上線，目前已實現(xiàn)開放共享，并已成功運用到蘇州科技大學土木工程專業(yè)道路與橋梁工程方向4年級本科生及橋梁與隧道工程專業(yè)研究生的教學中，取得了較好的教學效果。集中課堂教學在虛擬仿真實驗室展開，學生也可通過網(wǎng)絡遠程登錄平臺進行預習及復習。平臺還被道橋檢測單位用于人員技術(shù)培訓，截至2022年12月，服務對象已達1 800余人次。與傳統(tǒng)教學方式相比，虛擬仿真實驗平臺在應用中的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)實驗方案設計思路。虛擬仿真實驗平臺基于研發(fā)團隊多年教學與工程項目的積累，整合了大量實測數(shù)據(jù)、設計資料與多媒體素材，仿真度高、內(nèi)容全面。系統(tǒng)架構(gòu)及操作步驟經(jīng)過精心設計，依據(jù)橋梁動靜載試驗實際流程凝練出適合大學生操作實踐的若干子任務。采用交互式技術(shù)，實現(xiàn)多任務、可重復式操作，在設備布設時能夠嘗試多種測試儀器，在加載方案設計時能夠試錯并分析結(jié)果，滿足了學生“深度參與”的學習需求。

(2)教學方法。教學中利用搭建的虛擬仿真實驗教學平臺，將基于網(wǎng)絡的遠程教學和基于翻轉(zhuǎn)課堂的引導式、開放式教學相結(jié)合，極大地拓展了學生的學習資源和空間，豐富了學習模式，有效促進了以學生為中心的研究性和創(chuàng)新性實踐教學。平臺融合多種媒體表現(xiàn)形式，將文字、圖像、動畫以及人機交互融合一體，能夠充分調(diào)動學生的積極性和主動性，發(fā)掘?qū)W生的學習興趣和創(chuàng)造潛能。

(3)評價體系。平臺能對學生的全過程參與進行記錄，對于學生理論學習效果及操作步驟都具備完善的評價標準與反饋機制，為指導教師改進和優(yōu)化教學方案提供參考。

(4)傳統(tǒng)教學的延伸與拓展。平臺可完整模擬現(xiàn)場情況復雜、測試內(nèi)容繁多的橋梁荷載試驗，彌補了傳統(tǒng)教學方式的不足。學生借助虛擬仿真平臺進行動靜載試驗全流程的預習、操作及復習，同時結(jié)合橋梁縮尺模型、測試系統(tǒng)等硬件設備對測試系統(tǒng)組建有更直觀、細致的理解。通過“虛實結(jié)合”的教學模式，既系統(tǒng)教授了學生課程知識，又充分鍛煉了其解決工程實踐問題的基本技能，增強學生創(chuàng)新創(chuàng)造能力和工程實踐能力，有效提升了土木工程實驗教學的質(zhì)量和水平。

4 結(jié)語

橋梁動靜載虛擬仿真平臺以大、中跨徑橋梁中常見的連續(xù)梁為對象，基于真實橋梁設計參數(shù)和測試數(shù)據(jù)，依托Unity 3D仿真、多媒體、人機交互等技術(shù)，構(gòu)建沉浸式的橋梁動靜載試驗現(xiàn)場環(huán)境和高度仿真的加載測試設備，將現(xiàn)實中很難在實驗室完整重現(xiàn)的橋梁動靜載試驗進行仿真模擬。實現(xiàn)了“以虛補實、理實融合、深度參與”的教學效果，彌補了傳統(tǒng)實驗及實踐教學中整體性不強、無法完整參與的缺陷，解決了荷載試驗夜間進行與課時設置之間的矛盾，克服了荷載試驗所需加載測試設備昂貴、現(xiàn)場情況復雜的困難，消除了試驗實施中的各項安全隱患。為培養(yǎng)具有扎實專業(yè)基礎(chǔ)知識、較強實踐能力和創(chuàng)新精神的高素質(zhì)工程應用型人才提供有效保障。