科研支持教学

       身居教学第一线、科研第一线和工程第一线的教师将优质工程建设和科学研究成果转化为人才培养内容是同济大学土木工程学院的优良传统,早在2005年即进行了同济大学实验教学改革项目“土木工程专业本科生开展科研试验的设想与探索”,随后开设了相应的实验教学项目。学院教师从事科学研究以提高自身学术修养、增强人才培养能力,因此注重也善于从科研和服务项目中提炼合适的案例,不断充实实验教学的内容。尤其对于土木工程学科复杂工程的精细化研究、可视化建造发展趋势,数值仿真和虚拟实现已成为一种重要研究手段,也有利于将其转化人虚拟仿真实验教学项目。

 

       虚拟现实类实验项目中,基于BIM的研究成果是实验项目的直接来源,如钢框架结构建造、空间结构建造、上海中心大厦BIM建造等项目。虚实结合类实验项目中,参数化虚拟实验来源于教师从事多年结构性态的数值仿真研究及其结果的(后台)数据库建立,使得复杂结构的虚拟实验实时化。结构性态仿真类实验项目,则绝大多数来源于科学研究成果,具体转化的实验内容说明如下。

 

       ⑴ 在建筑工程方向,除将大型复杂结构的试验数据系统(包括模型资料、试验视频、数值仿真结果等)对本科生开放、实现资源共享外,还专门针对复杂结构的振动台实验进行了科研支撑教学的实验教改项目。学院利用已完成的632m上海中心、环球金融中心、上海浦东国际机场等数百个振动台模型实验结果、以及相应的大型数值仿真分析结果,建立了数据库,开发了“复杂结构振动台试验虚拟仿真系统”,供学有余力的同学进行选修(计入创新拓展项目学分)。通过此虚拟振动台系统可避免时间、空间和经费限制,最大程度地让学生有机会完整了解振动台试验的全过程,培养独立进行振动台模型等大型试验的能力。

 

       ⑵ 桥梁工程方向,将桥梁“数值风洞”这一前沿研究成果转化为“桥梁风洞数字模拟试验”虚拟仿真项目,可以让学生直观地“看见”风的作用以及桥梁在风荷载下的行为,无须进行费时、费力、费钱的大型风洞试验即可得到同样的感性认识和知识理解与综合。

 

        ⑶ 岩土工程方向,虚拟仿真实验教学中心建设紧密结合目前地下空间开发的热点和国内重大工程,理论结合实际,将973首席科学家项目“地下结构健康服役的数字化保障与控制体系”、国家科技支撑项目“城市深层地下空间与地下综合体开发技术及数字化研究”、科技攻关项目“特大型盾构隧道数字控制关键技术研究与应用”等课题研究成果转化为“基坑施工及性态虚拟仿真实验”项目和“隧道工程虚拟仿真数字化实验”项目等,建立了数字化多媒体实验室(参见下图),使学生不仅身临其境于地下建筑中,而且得到定量的分析结果,从感性认识上升到了理性认识。

 


图a 基坑工程虚拟仿真分析


 图b 隧道工程数字化网络信息平台

 

        ⑷ 水利工程方向,在承担国家海洋局等重大科研项目时,即列出专门的人才培养模块,将研究成果转化为教学成果,如“暴雨引起的洪水虚拟模拟及动态演进”、“海滩养护工程的全过程展示”等虚拟教学实验项目。
 近五年来,学院年均科研经费2.5亿元,为虚拟仿真实验教学提供了强大的科研支撑,其中单项经费100万元以上的科研支撑教学项目就达数百项。