建筑工程施工中虚拟仿真技术的应用与探索--基于云道虚拟仿真结构APP升级开发--以鸭绿江软土路基变形预测为例

建筑工程施工中虚拟仿真技术的应用与探索--基于云道虚拟仿真结构APP升级开发--以鸭绿江软土路基变形预测为例

刘鸽1吕洪淼2,牛君媛1刘慧莹1张峰硕1温立杰1

(1辽东学院 土木工程专业,2辽东学院 指导教师,辽宁 丹东 118003)

大学生创新训练计划项目：基于云道虚拟仿真结构APP升级开发--以鸭绿江软土路基变形预测为例

摘要：虚拟仿真又称虚拟现实技术或模拟技术，是一个虚拟的系统模仿另一个真实系统的技术。现有关于虚拟仿真实训教学在具体专业中应用的系统研究较少，关于虚拟仿真教学实训资源和教学实践两方面都提出了不同的要求。由北京云道咨询公司开发云道虚拟仿真软件具备广泛的虚拟仿真计算功能，但数值计算上不精确，可进行的操作空间较少，且只能计算简单的杆件，对于复杂的弹塑性模型受力模拟不精确、分析困难。通过虚拟仿真软件开发后以鸭绿江地域软土路基为例进行路基变形预测。丹东滨海湿地土质多为软土。而公路工程中常见的危害因素即为软土地基，如果没有经过有效的软基处理，就会导致路基密实度不够，不能满足道路工程压实度要求。

关键词：虚拟仿真 软件升级 变形预测 精确

一、目的

计算机及其信息技术的飞速发展为建筑工程设计提供了强有力的技术支撑，计算数学、计算力学、计算工程科学和工程管理学的发展为建筑工程设计提供了新的科学知识，大型复杂工程建设和创新产品的研发则为建筑工程设计提供了强大的动力。虚拟仿真是一个虚拟的系统模仿另一个真实系统的技术。现有关于虚拟仿真实训教学在具体专业中应用的系统研究较少，关于虚拟仿真实训教资源和教学实践两方面都提出了不同的要求。例如，在教育资源方面，教育“要充分利用现代信息技术，开发虚拟工厂、虚拟车间、虚拟工艺、虚拟实验”，针对各级各类教育的不同需求，讲选和开发套虚拟仿真实训实验系统在实践教学方面，各级各类教育“加强实践教学，创新仿真实训资源应用模式，提高使用效益”。虚拟仿真实验教学应用采用的技术手段主要包括以下几种:可视化技术，多媒体技术，人机交互技术，仿真技术，虚拟现实技术，虚拟仿真技术等。从狭义上讲，虚拟仿真是指20世纪40年代伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一类试验研究的新技术；从广义上来说，虚拟仿真则是在人类认识自然界客观规律的历程中一直被有效地使用着。由于计算机技术的发展，仿真技术逐步自成体系，成为继数学推理、科学实验之后人类认识自然界客观规律的第三类基本方法，而且正在发展成为人类认识、改造和创造客观世界的一项通用性、战略性技术。

本项目通过虚拟仿真软件开发后以鸭绿江地域软土路基为例进行路基变形预测。丹东滨海湿地处于鸭绿江畔，辽东平原，在黄海和渤海之间，气候潮湿，土质多为软土。而公路工程中常见的危害因素即为软土地基，如果没有经过有效的软基处理，就会导致路基密实度不够，不能满足道路工程压实度要求。在道路前期使用过程中，受到行车负荷等因素的影响，会导致道路路面不均匀沉降，从而产生严重的裂缝现象，对道路正常通车造成影响，甚至会诱发交通事故。软土基层容易受到雨水的侵蚀，从而使道路路基力学性能遭到破坏而软化，从而使道路路基承载力下降，对道路通行能力造成损坏，从而影响道路使用寿命和安全性能。

二、意义

近年来，仿真技术已成为产品全生命周期中的关键技术，能够使用户在产品研发的各个环节显著改善性能、有效降低成本、提高研发效率，支持科学家和工程师进行理论研究与创新设计。但是在应用过程中出现的“难学、难用、难推广”的行业痼疾，阻碍了仿真技术的普惠应用。仿真APP是面向具体产品设备的专用仿真工具，是参数化模型、仿真流程、工业知识和专家经验的集成固化。

虚拟仿真软件的二次开发模拟受力分析对于虚拟仿真实训教学保障机制及评价机制进行完善，丰富了高校教学理论的同时论证了虚拟仿真实训教学促进高校学生专业实习的有效性，能进一步拓宽虎拟仿真实训教学的应用领域，也为同行们提供重要的借鉴。此项研究也来自高职院校基层，适应职业教育特色，有利于促进虚拟仿真实训教学在高职院校中的推广及教学应用，客观的评价方式也使学生的成绩评价更加公正，老师的教学精力也能够大大节约。

3.研究目标      

3-1界面简洁、操作简单

基于云道智能虚拟仿真软件进行二次开发升级的APP具备界面简洁、操作简单的特点，提高使用体验和工作效率。APP的界面简洁明了，减少冗余的信息和按钮，使用户能够快速找到所需的功能和操作。功能集成合理，将相关的功能模块进行整合，避免用户频繁切换界面和操作。反馈机制及时有效，提供实时的反馈和提示，帮助用户快速发现和解决问题。用户体验良好，考虑用户的使用习惯和需求，提供便捷的操作和友好的交互方式。

3-2多种材料进行虚拟仿真

本项目以云道智能软件为基础，对其进行模式重构二次开发，建立自主化、升级化、普惠化的仿真平台和商业模式，使仿真技术的终端用户由百万级的仿真专家转变为数千万的普通工程师，实现仿真技术的普惠应用，可以通过此应用进行建筑设计领域的更多材料进行模拟分析，支持多种土体材料的输入和不同荷载情况的模拟，可以灵活地进行不同场景下的仿真分析，提供一种高效、准确的软土路基弹塑性分析工具，帮助更好地设计和优化工程方案，提高工程质量和效率。成为产品设计与制造流程中不可逾越的一种强制性的工艺。

4.拟解决关键问题

（1）参数化图库的生成技术。目前云道虚拟仿真软件未供应标准件库和通用件库，然而在产品开发过程中标准件和通用件是常用而复杂的零件，如果没有标准件库和通用件库，就需要进行大量的自主设计和制造，导致开发周期长、成本高。因此参数化图库的生成技术是虚拟仿真软件二次开发升级中的关键问题之一，通过参数化建模技术，将标准件和通用件的模型进行参数化，以便用户可以根据自己的需求进行修改和定制、将参数化模型存储到数据库中，以便用户可以方便地进行访问和使用、通过自动化设计技术，实现标准件和通用件模型的自动化设计和制造，以提高生产效率和降低成本。

（2）建立弹塑性理论体系，对材料本构关系和应力应变关系进行建模和分析，使其可以对模型的弹塑性变形进行分析。弹塑性理论体系是材料力学和结构力学的重要理论基础，能够描述材料的弹性和塑性变形过程，并通过应力应变关系来计算实际工程应力和变形。通过弹塑性理论体系，计算实际工程应力和变形，并对材料的弹性和塑性变形进行分析和评估，结合材料力学和结构力学的理论和实验数据，采用数学模型和计算方法，对材料的弹性和塑性行为进行建模和分析，以提高工程设计和分析的准确性和可靠性。

（3）基于云道智能模拟软件进行二次开发：完善现有的自编程序，满足数值模拟计算的需要，验证软土路基模型合理性，并预测不同含水率、负温作用、应力下鸭绿江软土路基变形规律，是本项目研究成果能够进行工程推广应用的关键技术。

参考文献

[1]焦文俊.基于虚拟仿真技术的建筑工程绿色施工技术研究[J].建筑技术开发,2019,46(08):146-147.

[2] 陈玮.芦宏斌.鲁茗莉.虚拟仿真技术在产品开发中的应用研究 2013年06期

[3] 李勇.毋珊云.黄宏胜自动机虚拟仿真信息集成建模方法研究 2011年02期

[4] 谭啸 虚拟仿真构建产品创新能力 2006年6月05日

[5] 刘海芳.基于虚拟仿真技术的结构可靠性分析方法研究 2016年