BIM 技术在岩土三轴测试技术教学与科研中的应用

2020-10-09李春红孔纲强张鑫蕊刘汉龙许俊奎

实验技术与管理 2020年9期

李春红，孔纲强,2，张鑫蕊，刘汉龙，王睿，许俊奎

（1. 河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏南京 210024；2. 三峡大学土木与建筑学院，湖北宜昌 443002；3. 江苏钟润智能科技有限公司，江苏南京 211300；4. 南京土壤仪器厂有限公司，江苏南京 210014）

岩土工程测试技术是研究岩土工程问题的基础。社会的发展促进了土木行业新需求的产生，传统的岩土工程也因此正在面临更多新问题的挑战，例如能源地下结构的应用，使得岩土工程需要极大地考虑温度影响等问题[1-4]。与之对应的，岩土工程的测试技术也需要考虑这些新因素的影响[5-6]。这就要求土木工程类高等教育教学中不仅要注重学生基础知识的培养，还需要适当考虑引入与工程有关的新兴课题的教学与实践，联结专业教学与社会生产，以扩展学生的知识储备，培养出符合时代和社会需求的学生。

近年来，建筑信息模型（building information modeling，BIM）技术在工业设计、建造以及管理等领域应用广泛[7-9]。在政府有关部门的推动下，工业设计及施工领域逐渐应用该技术，相关高等院校以及科研机构也对BIM 技术展开了积极探索。基于建筑工程信息化（BIM）建设一体化的虚拟实训实验室，将有利于学生尽早熟悉相关的操作方法和实践步骤，以便在面对复杂及疑难问题时，能有效降低实际操作中的出错率，提高安全保障性[10-11]。新型的BIM 技术虚拟仿真实验室，突破实验场地和测试时间的限制，可以帮助学生反复系统地学习，学校则能够在保证学生学习质量的前提下降低综合成本。这也是土木工程及相关专业教育发展的重要趋势[12-13]。对承担科研创新任务的研究人员来说，利用虚拟仿真实验室还可以根据测试需求修改传统的实验仪器模型，通过反复推敲确定合理的设计及操作方案，研究出符合科研需求且易于加工实现的新型仪器设备。这有利于降低科研人员的时间成本和经济成本，避免不必要的资源浪费。

本文将 BIM 技术和虚拟仿真技术与传统的岩土三轴测试相结合，构建虚拟实验室，并应用于土力学及岩土工程测试技术的教学与科研中，有利于促进高校专业课程教学改革以及新型实验室建设，有利于增加高校实验室教学的创新性、多样性，有利于拓展学生知识面及提升实验人员队伍的整体素质。

1 建设BIM 实验室的必要性

1.1 岩土三轴测试技术

岩土工程测试技术是研究岩土工程问题的重要基础，土力学范畴内的各种土体参数的确定都离不开岩土工程测试技术的应用。三轴试验是岩土工程测试中基础而又极为重要的实验，土体黏聚力和摩擦角参数的确定即是基于该实验的[14]。三轴试验结果还是土体应力应变本构关系的基础，是各类理论计算、数值模拟的依据，更是岩土工程设计的重要参考。可以说，涉及到土体力学参数的工程均离不开土体三轴测试。图 1为传统应变控制式三轴测试系统结构示意图以及BIM效果图。尽管三轴试验如此重要，其基本的土力学基础理论在所有的土力学教学中均有涉及，但是并非每所土木工程类高等院校都能为学生提供真正的三轴试验教学与实践。为了改变这种状况，基于BIM 技术构建岩土三轴测试技术虚拟仿真实验室十分必要。

图1 应变控制式三轴测试系统

1.2 传统的岩土三轴测试教学与科研的不足

传统的岩土三轴测试技术教学往往采用实验室课上先由教师当堂讲授原理、进行示范操作，再由学生自行实验的方式。这种方式存在如下不足。

（1）注重实验操作，忽视实验效果。由于实验课上讲授原理的时间有限，学生往往在没有充分理解实验原理的情况下就盲目按照教师的示范草草进行实验，其结果是虽然完成了实验过程，但实验教学效果不理想。

（2）岩土三轴测试技术教学是基于土力学[15]等专业课程的，但是二者在时间安排上前后脱节。学生在学习专业课时缺乏实验方面的实践，使得对专业课内容理解困难；在学习岩土工程测试技术时，早先学过的土力学课程中的测试原理等内容也忘得差不多了，大大影响了学生的学习兴趣。

（3）岩土三轴测试技术的实验仪器配套软硬件配置不足。一是由于学科建设经费等原因使实验仪器配套不完善，种类缺乏或者数量较少，不能满足学生的实践教学需求；二是更新换代不及时，版本较低的老旧产品往往使测量结果存在较大误差。

（4）实验课程的考核形式单一。实验课上学生仅仿照教师的示范进行操作、记录数据、处理数据，如果据此对学生进行实验课程考核，不足以考核学生分析问题的能力，更不足以考核学生的创新能力。

传统的岩土三轴测试技术在科研上也存在一些不足。

（1）以研究生为主的科研实验者实验操作不够规范。基于传统仪器，要进行满足科研创新要求的岩土三轴测试实验，往往操作复杂，涉及的专业知识较深，研究生们往往参照规范进行实验，但当部分创新型内容在规范中未有涉及，同时又缺乏专业人员的指导时，则实验操作容易出现偏差，影响科研类实验的效果。

（2）科研实验经常涉及国外引进的岩土三轴测试仪器及技术，由于实验规范及语言的差异，使得他们学习和使用这些仪器的效率较低，出错率较高，沟通和解决问题的速度较慢，影响科研成果产出。

（3）自主研发科研所需的岩土三轴测试仪器周期长，难度大。根据科研需要，可能需要与厂商合作自主研发满足特殊需求的岩土三轴测试仪器。这时首先需要自行进行粗略设计，确定可行性，修改设计方案，然后再联系厂家定制。但由于研究者对仪器结构不十分熟悉，其间需要反复沟通、协调和调试，所需时间较长。

与传统的岩土三轴测试相比，构建岩土三轴测试虚拟仿真实验室，以虚拟测试任务驱动教学，以BIM平台作为辅助，结合岩土三轴测试技术教学演示模型，能够及时补充和完善土力学课程中与实验相关的知识点，激发学生的学习兴趣。同时，通过网络教学平台开放实验虚拟操作平台，能够满足学生在实验课前、课后进行自主学习的需求。此外，增设科研类虚拟平台，可以为科研实验人员提供更丰富的实验教程和操作平台，有助于他们的规范操作，有助于提高科研效率。借助虚拟仿真实验室的仪器模型，还可使科研人员更方便地了解仪器结构，更好地自主设计满足自身科研需求的仪器，提高与仪器生产商的沟通效率，节省时间成本和经济成本，提高仪器自主研发的成功率。

1.3 岩土三轴测试技术虚拟实验室建设目的

利用BIM 技术、虚实结合和仿真训练平台，建立岩土三轴测试技术教学、科研、自主创新一体化的教育系统，实现信息共享；结合行业发展需求，培养理论与实验基础知识扎实的学生，并为科研实验人员提供辅助科研的良好平台，提升传统岩土三轴测试技术实验教学效果及科研创新能力。

2 岩土三轴测试技术BIM 实验室建设内容

2.1 建立仿真模拟模型

利用 BIM 技术建立实验仪器BIM 模型，并进行可视化的实验操作过程模拟。

首先，以岩土三轴测试仪器实物或 CAD 设计图为基础，使用 Revit 等软件分别建立与实验仪器相对应的包含元件信息的构件族库，修改各组件的平面坐标或空间坐标参数，然后拼装组合形成岩土三轴测试仪器的核心部件BIM 模型。图2 为岩土三轴测试仪器核心部件三轴压力室各元件的BIM 示意图。

然后依据规范确定三轴试验的操作过程和操作步骤，以及每一步骤可能产生的实验现象，例如土体变形或者孔隙水流动等，方便后续对实验过程的解释和模拟。

最后进行实验的全过程动态模拟。在Navisworks软件中导入已建好的BIM 模型，根据Timeliner 与视点命令，关联BIM 模型相关构件和时间维度以及空间视点，实现岩土三轴试验的4D 全测试过程模拟。

2.2 建设虚拟现实仿真模拟实训实验平台

虚拟仿真实验室是基于虚拟现实仿真技术的实验系统，主要包括：实验室环境、测试仪器、实验对象和材料、实验信息资源等。利用该技术，建立岩土三轴测试虚拟仿真实验室，不断为本科生学习三轴测试技术提供条件，为进行复杂实验的科研人员提供学习资源，为科研工作和科研创新提供良好支撑。

图2 三轴压力室各元件BIM 示意图

虚拟仿真实验室的功能主要包括以下方面。

（1）学习目标明确，能够及时配合土力学教学需要，契合教育改革方案。

（2）以课本理论知识为基础，以工程问题为研究背景，结合实际工程需要对岩土三轴测试技术进行讲解，包括实验目的、对应工程应用、实验规范、操作步骤、实验现象等。

（3）对实验仪器进行模型化，提取各部分组件，展示设备或者材料的性能参数，帮助学习者深入了解仪器相关知识或实验相关要求。

（4）对国外常用的三轴测试仪器进行补充介绍，扩展岩土三轴测试范畴，为科研实验者提供重要学习资源。

（5）与虚拟仿真技术结合，在虚拟实验室中展现实验室操作注意事项，特别是误操作及可能产生的后果，增强学生的实验室安全意识，保障实验人员的人身安全。

传统岩土三轴测试实验室往往无法及时更新实验仪器产品，淘汰老旧的实验设施，一定程度上影响传统实验教学效果，且由于场地等原因限制新技术的教学与传播。基于BIM 技术的虚拟仿真实验室则可以通过软件更新、模型更新弥补这一缺陷，在节省经济成本和时间成本的同时，确保学生能够及时学习到最新的知识和技能。虚拟实验室同时设置建议和意见反馈系统，实验人员可以根据自己的实验体验对系统提出建议和意见，以便系统后台对虚拟实验平台及时进行调整更新，使其更贴近实验者的需求。

2.3 建立岩土三轴测试技术BIM 实验基地

依托岩土工程教育部重点实验室，建立了岩土三轴测试技术BIM 实验模型基地，供本校师生以及外来交流人员参观学习、网上虚拟操作以及开发新型三轴测试类仪器。基地立足于行业发展现状，结合未来技术趋势，不断提升科技含量；结合国家战略发展需求，不断向行业和社会输出创新型知识成果；积极与企业合作，深入挖掘潜力，充分利用实验模型优势，支撑教学和学术研究工作。

3 BIM 在岩土三轴测试教学和科研中的应用

将 BIM 技术引入土力学教学和岩土三轴测试的应用主要体现在以下方面。

3.1 完善教学形式与内容方面

（1）设置BIM 知识理论课程，介绍BIM 的原理、理论体系、建模技术以及相关应用。

（2）介绍岩土三轴测试技术，完善土力学理论和实践知识教学，加深学生对土力学基础知识和工程实践的理解。

（3）开放岩土三轴测试技术虚拟仿真实验室，供学生课后参考学习，激发自主学习意识，提供网上交流平台。

（4）在岩土三轴测试技术实践教学中融入虚拟实验室教学。在关键操作上，学生可以登录平台边学习边操作，提升实验效果。通过实验指导教师的适当补充讲解，帮助学生提高学习效率。

（5）在传统考核基础上，在网络课堂上引入学时积分考核。要求学生的视频学习要达到规定的学时，还要通过实验理论知识考核及各项虚拟操作测试。

3.2 辅助科研创新方面

（1）科研人员可以进入复杂实验的虚拟仿真实验系统，例如英国GDS 公司的三轴试验系统。学习同类先进仪器的知识原理、操作过程、科研及工程应用等，丰富科研人员的知识储备。

（2）开放科研人员提取虚拟仿真实验室仪器模型的权限。当科研人员需要自主设计部分实验仪器时，可以借助虚拟实验室内的仪器模型，深入了解仪器结构，并基于此结构，利用BIM 相关软件，进行设计开发，既节省了时间又有利于提高与仪器生产商的沟通效率，提高自主设计的成功率。利用BIM 技术设计的温控桩-土接触面三轴压力室[5]如图3 所示。

图3 温控桩-土接触面三轴压力室BIM 示意图

3.3 完善课程教学大纲、优化师资力量方面

通过不断的教学探索与实践，制定了合适的岩土三轴测试技术教学大纲以及BIM 学习指南，方便学生快速掌握岩土工程相关理论以及BIM 技术基本知识。在体现教学大纲标准化、模块化的基础上，强调课程的探索性、创新性，不仅注重学生对岩土工程测试知识的掌握，而且注重激发学生的学习兴趣和创新思维。BIM 虚拟仿真实验室设置专职的建模人员和实验指导教师，强调对实验人员的知识更新和对相关教师的培训和互补学习，提升教师队伍的整体素质。