虚拟仿真技术在道路工程实践教学中的应用

2019年4月JournalofChifengUniversity渊NaturalScienceEdition冤Apr.2019

虚拟仿真技术在道路工程实践教学中的应用王

浩

渊吉首大学

土木工程与建筑学院袁湖南

张家界

427000冤

摘要院道路工程设计是土木工程专业渊道路与桥梁工程方向冤重要的实践教学环节.目前实践教学过程中存在较多不足和问题袁教学效果不佳袁而Roadleader渊路立得冤软件虚拟仿真技术的运用袁为学生提供设计尧建模和仿真平台交互操作的真实体验环境袁有效缓解了该课程实践教学所面临的困境.通过问题分析尧案例分析和教学改革措施研究袁详细介绍了道路工程设计课程开展虚拟仿真教学的具体教改措施袁实践证明虚拟仿真技术的运用能明显提高该课程实践教学质量.

关键词院道路工程曰虚拟仿真曰实践教学中图分类号院G2.45

文献标识码院A

文章编号院1673-260X渊2019冤04-0160-03

道路工程是国家经济尧社会正常运行的重要基互操作的真实体验环境.开展道路设计的虚拟仿真础设施袁具有总量大尧路线长尧投资巨大尧建设与运实践操作袁向学生传授相关软硬件的使用方法袁使营周期长等特点.同时道路工程长期直接暴露在复学生能全面熟练掌握道路勘测设计基本技能并了杂的自然环境下袁勘察设计困难袁施工工序繁多尧组解相关的先进技术.织管理复杂.道路工程的在设计尧施工和管理方面1

道路工程设计实践教学存在的问题

的这些特点和困难袁同样也是土木工程专业渊道路

道路工程设计按照选线尧定线尧平面设计尧纵断与桥梁工程方向冤道路工程实践教学所面临的困面设计和横断面设计五个步骤展开袁平面交叉尧立境.同时袁在日常实践教学中袁学校在教学设备和教体交叉尧沿线设施尧环境保护和景观等结合前面五学手段方面无法提供真实的工作环境与工作条件袁个步骤的实际情况和整体布局进行设计.通过实践因此袁面临着实践教学与实践操作和工作严重脱节教学评价和学生意见调查反馈发现袁学生学习的积的困境袁导致实践教学枯燥乏味袁学生学习积极性极性不高袁教学效果不佳.例如选线和定线阶段袁传不高袁教学效果不佳.而虚拟仿真技术通过利用虚统的实践教用纸质地形图和CAD地形图进拟现实尧人机交互尧仿真等信息化手段袁构建开放自行袁学生对平原尧山岭和丘陵等地形以及复杂的地主尧高度仿真的虚拟实验环境尧仪器设备和实验对质情况袁很难有直观的认识袁而实地考察进行选线象[1]虽然直观袁但实验成本高袁且场地地形单一袁不可能教学袁模打式破袁以教探索师以为学中生心为的中传心统的的新教模师式为袁将中先心进实的践

涉及各种地形袁所以很难在考虑各种地形的前提下教学理念和最新的规范要求设计在实践实验系统完成后面的平面设计尧纵断面设计和平纵线形组合中[2]设计[4].

先进袁尧实验理论教科学学效果尧实践显创新著提提高供袁为设实现备基教础学和的技术支理念因此袁以电子地形图为基础的Roadleader软件撑[3].

通过数字高程模型建模实现了道路虚拟仿真设计袁

通过运用Roadleader渊路立得冤软件提供的虚可以让学生在各种不同的地形下进行道路设计袁并拟仿真技术袁为学生提供设计尧建模和仿真平台交

能实时的查看道路三维仿真动态效果图袁直观方便

收稿日期院2019-01-25

基金项目院教育部产学合作协同育人项目野土木工程专业VR/AR技术师资培训冶渊201801317043冤曰湖南省普通高等学校教学改革研究项目野土木工程专业道路桥梁工程施工课程虚拟仿真实验教学模式探索与实践冶(湘教通[2016]400号)曰吉首大学实验室开放基金项目野Roadleader软件在道路工程设计中的应用冶渊JDLF2018048冤资助-160-

.com.cn. All Rights Reserved.的检查设计效果袁以及对不同设计方案进行技术经济比较.2

教学案例

Roadleader软件是一款基于BIM理念的三维道路设计软件袁除了常规的路线设计尧纵断面和平面设计外袁具备地形三维建模尧交叉口三维建模尧道路三维建模尧自动更新以及三维漫游等功能袁可以查看三维的地形尧交叉口尧绿化景观尧道路设施等袁并且可以实现在高仿真环境中的驾驶视角尧高空飞行视角等多视角的模拟行车袁直观的观察全路线实况袁切身感受平面线形连接变化尧纵坡起伏尧平纵组合尧超高和加宽过渡等设计是否合理.通过Roadleader软件进行道路设计袁按照建立数字地形模型尧路线设计渊平面线型设计冤尧纵断面设计尧道路设计渊道路横断面设计冤主要的四个步骤进行[5].

第一步是建立数字地形模型袁打开一张原始的CAD地形图袁地形图中主要用的数据是高程点和等高线袁还有一些河流尧房屋的边界线等袁高程点和等高线都有相应的数据和属性.地形图数据完整条件下袁通过软件高程点识别和快速转化等高线功能可以自动识别高程数据袁建立三维地形模型袁并查

看三维地形袁直观查看高程异常的高程点袁通过高

程检查来排序查找出高程数据异常的高程点袁并将错误数据改为正确的数据.

第二步平面线型设计袁提供了导线法和曲线法两种设计方法袁对于主线袁不管公路还是市政道路袁大多数采用导线法进行设计袁而对于立交尧匝道采用曲线法进行设计.设计前需要对地形有详细的了解袁软件对地形图高程范围用不同的颜色进行表明袁同一个颜色或者颜色相近说明高程相差不大袁可以直观显示出地形走势和范围袁辅助学生进行平面线型设计.然后以导线法为例袁先是在软件操作界面中布置导线点袁可以布置多个导线点袁尽量将导线点布置在同一颜色的区域内曰通过剖切地面线视图和三维视图等查看路线高程差变化情况曰接下来是平曲线设计袁主要是缓和曲线和圆曲线组合设计袁可以通过控制切线尧外距等参数进行设计袁选定其中一种控制方式和计算方式袁对导线点的圆曲线半径和缓和曲线长度等参数进行设置袁并通过软件自动计算出切线长度尧外距值等参数袁计算完成后袁平面线型设计即完成.

第三步纵断面设计袁先录入自然纵断面数据袁

可以自行导入数据袁也可以从地形图中提取袁生产自然纵断曰接着新建设计纵断和纵断拉坡图袁进入纵断拉坡图界面袁在起终点之间添加多个变坡点袁根据地形袁调整边坡点位置袁可以通过保持前坡度不变尧保持后坡度不变尧高程不变尧自由移动等多个方式进行调曰下一步是竖曲线设计袁可以通过鼠标拖动进行设计袁也可以自己设置曲线半径等参数进行设计曰在竖曲线拉坡过程中袁可以随时通过填挖方视图查看填挖方变化情况袁也可以通过三维视图查看道路的大概的图形.

第四步道路工程设计袁创建道路袁设置板块形式袁提供了高速公路尧一级公路尧二级公路等公路袁以及一块板尧二块板等市政道路袁还可以设置边坡尧挡土墙的结构形式曰设计过程中可以随时查看三维图像袁如图1.

道路平面尧纵断面和横断面设计完成后袁可以对边坡挡土墙尧隧道尧桥梁尧平面交叉尧立交和交通设施等进行设计袁如图2和图3袁分别是道路设计中隧道范围的平面设计图和用Roadleader软件生产的虚拟仿真效果图.软件还能自动计算土石方量尧平曲线表等.

图1道路仿真效果图

图2道路隧道段平面设计图

图3道路隧道入口效果图

3教学改革措施

一是强化实践教学的工程性和综合性.

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.com.cn. All Rights Reserved.道路工程设计是土木工程专业渊道路与桥梁工程方向冤基础性的教学实践内容袁通过组织学生自主设计道路工程可加深对道路勘察设计课程教学内容及基础工程尧桥梁工程尧隧道工程等相关课程知识的理解[6]题的能力袁同时袁培养为毕综业合运用理设计奠定论坚知实识的基解础决[实7].际问

道路工程设计的题目应选择实际工程项目袁让学生参与实际工程项目设计袁激发学生对积极性和创造性袁培养学生解决工程问题的能力曰道路工程设计的题目应具有综合性袁不仅是道路的平面尧纵断面和横断面设计袁还要求对挡土墙尧隧道尧桥梁尧绿化景观等项目进行设计袁它综合了道路工程尧桥隧工程等内容.

二是丰富教师的工程实践经验.

负责道路工程实践教学的教师袁不仅需要储备大量专业理论知识袁而且需要有参与工程建设的实践经验袁熟练掌握道路工程设计的各个步骤袁进而提高自身的专业素养.因此袁高校应支持和鼓励教师到施工单位尧勘察设计单位及其他相关单位挂职锻炼袁为教师提供参与工程建设的机会袁教师通过对工程操作的实际了解袁是提高教师自身工程经验

的有效途经[8]教师袁组建教曰学也团可队培养以通过缺有丰乏经富验实的际青工年程教经师验曰的

聘请企业中实践经验丰富的工程技术人才袁以兼职身份加入教师队伍中袁可以快速的将工程生产的实践经验带入学校课堂中袁或者到校开设专题讲座袁解

答教师尧学生的疑问曰与企业合作开发虚拟仿真实验教学软件和系统袁鼓励学生参入教学平台的建设中既可以提高教师学生的实践经验和能力袁又激发学生对专业的兴趣尧好奇心和进一步学习探索的欲望袁同时也加强企业与学校之间的合作袁促进双方先进的理念和管理模式交流学习.

三是设置开放性实践课程袁增强学生实践创新能力.

通过利用实验室计算机尧软件等实验设备袁在课余时间开设实践教学课程袁老师指导和协助学生实践操作袁实现学生在课余时间对自己学习的理论

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知识进行实践锻炼袁让学生能够将自己学习中的想法和创意袁投入到实践中袁形成一些具有一定创造性的小成果.例如吉首大学通过设置实验室开放基金项目袁为老师和学生提供一定的经费袁学生在老师的指导下袁可以在实验室内开展实验和实践教学.通过多年的实施袁引导学生积极投入到实验室科研和教学活动中袁最大限度发挥实验设备的作用袁锻炼了学生的实践能力.4

结论

虚拟仿真技术具有耗能低尧效率高尧时效性强尧开放度高等特点袁解决了学生多而实验设备少的困境袁为学生实践与创新能力的提升提供了新的教学模式.通过Roadleader软件的虚拟仿真技术袁进行道路工程设计的实践教学袁实现了道路工程全过程数字化的教学改革袁教学效果显著改善袁进一步提高学生的专业技能尧实践技能和信息技术应用能力袁是落实教育信息化2.0行动计划的具体举措.要要要参要考要要文要要献要要院

要要要要要要要要要也1页龚真德实验鸿,设朱兵计,与顾实红践艳[,等J].教育.能源文动化力论坛类专业,2016(虚拟仿05):

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的研究与实现

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也8页的赵思玉考红[.J高校].教育教土木学工论坛程专业,2016(教05)师:工26-程27.

经验提升

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