數值模擬在“地下工程信息技術”課程中的探索與應用

王恒

［摘 要］ 隨著城市地下空間工程信息化技術的快速發展，數值模擬技術在城市地下空間工程的設計、施工和運營維護等方面發揮了重要作用，如何將數值模擬技術引入城市地下空間工程專業本科教學，是解決信息化教學與工程實踐不匹配的關鍵。為了促進學生掌握地下空間建筑地基的變形和穩定性的分析方法，提高學生解決實際地下工程問題的能力，提出通過調整課程教學，重視和加強工程案例教學，構建地下空間建筑案例庫的思路，對城市地下空間專業信息化課程的教學過程進行優化，使課程教學更加適合學科建設的發展。

［關鍵詞］ 數值模擬；地下空間工程；信息技術；教學改革

［基金項目］ 2021年度福建工程學院本科教研教改項目“基于三維建模技術的地下工程信息課程教學改革研究”（jg2021015）

［作者簡介］ 王 恒（1989—），男，福建福州人，博士，福建工程學院土木工程學院講師，主要從事巖土工程研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2024）07-0121-04［收稿日期］ 2022-12-30

一、研究背景

數字化建模技術是建設工程領域最為熱點的技術之一，2019年，住房城鄉建設部發布了《關于完善質量保障體系提升建筑工程品質的指導意見》，其中明確強調：要推進建筑信息模型（BIM）、大數據、移動互聯網、云計算、物聯網、人工智能等技術在設計、施工、運營維護全過程的集成應用。加快推進國家規劃已明確的重大工程和基礎設施建設，城市地下空間的開發與利用將迎來高速發展時期。

地下空間工程是指在地面以下的巖體或土層中修建地下建（構）筑物的工程，包括工業與民用工程和地下綜合體等，在解決土地緊張和交通擁堵等問題中發揮了重要作用［1-2］。然而，地下工程多屬隱蔽工程，目前存在項目缺乏科學系統的規劃，以及協同設計體系與技術規范不完善等問題。數字化建模具有體現工程全壽命階段設計的巨大優勢，已經在工民建和道路橋梁等工程建設中得到了成功應用［3-4］。目前，地下空間工程專業的人才需求缺口較大，特別是能夠服務生產一線的應用型、復合型、創新型人才。

以新工科建設為契機，培養理論基礎扎實、創新與實踐能力突出、適應現代城市地下空間開發領域的高層次專業人才勢在必行。在“地下工程信息技術”課程中引入數字化建模技術，將傳統的土木工程與信息數字化技術融合，能夠讓學生在建模中更為直觀有效地了解實際施工流程，將所學專業課程知識應用于計算結果分析，激發學生的學習興趣。

二、“地下工程信息技術”課程特點

“地下工程信息技術”課程是福建工程學院城市地下空間工程學生所必須掌握的一門專業選修課程，課程的主要目標是培養學生通過數值建模手段分析地下建筑物施工過程中變形和穩定性的能力。目前，地下空間專業信息技術的教學方法仍以傳統的CAD技術教學為主，例如，對于城市建設常見的雙基坑開挖，或者隧道開挖臨近已有基坑的典型地下空間工程，傳統教學方法僅能在繪制CAD圖紙的基礎上，根據現行規范計算單一建筑物的變形或者穩定性，最終僅有抽象的二維平面模型，無法直觀地對臨近地下空間建筑物的施工過程進行精確的三維動態模擬，缺乏施工信息管理，這將給施工方案優化和節約施工的成本帶來極大的不便。以筆者所在的城市地下空間專業為例，在以傳統的CAD技術作為輔助教學工具時，學生的學習興趣普遍不高，主要問題包括以下幾點。

（一）CAD教學圖紙與實際工程實踐脫節

在具體授課過程中，常以典型的城市地下空間工程（基坑、隧道等）作為分析案例，課程的學習中學生不僅需要具備扎實的專業基礎知識，還要對所分析的地下工程建筑物的三維立體形態有初步的認識，傳統的CAD技術只能繪制單一的簡化平面圖或者立面圖，無法提供生動、形象的三維立體模型。另外，作為一門實踐性很強的課程，傳統的CAD教學手段的教學重點仍停留在強調繪制建筑物圖紙細節的正確性和掌握理論繪圖技巧，強調根據圖紙和規范分析地下結構的受力特性，忽略了地下空間工程的實踐性。

（二）課程教學參與度不高

作為本科生，工程實踐相對缺乏，學生對所要分析的地下建筑物的整體受力，以及所要關注的容易破壞的部位缺乏認識，容易出現抵觸情緒。在傳統的教學理念下，學生不愿意花大量時間查閱相關地下工程案例，每名學生儲備的知識水平存在差異，當遇到困難時，往往不是詢問教師如何解決，而是選擇模仿其他同學的圖紙，逐漸會有學生對課程不感興趣，久而久之陷入師生互動氛圍不佳的惡性循環。同時，傳統CAD繪圖相對枯燥漫長，除講授時間外，在短時間的課堂練習中，學生通常無法完成教師布置的工作量，只能在課余時間完成，導致學生經常因為各種原因停留在上一節課的進度。這種情況不僅會使學生產生應付課程的情緒，還會影響教師的新課授課進度。

（三）考核成果差異化

“地下工程信息技術”課程的考核包括課上的提問、作業以及最后的現場考試。由于CAD繪圖的嚴謹性，變動幾何尺寸參數后，可能會導致根據圖紙得到的計算結果不滿足規范要求的情況，每名學生的平時作業題目和最后考試題目相同。然而，由于少部分學生不自覺，往往會出現某個學生出現某個計算錯誤，少部分學生也出現一模一樣的計算結果，這就給教師對每名學生的公平公正評分帶來了極大的困難。另外，考試題目的類型一般是實際工程高度簡化后的模型，沒有與實際工程結合，過于強調理論知識，沒有達到課程考核學生分析實際案例能力的目的。

三、數值模擬在地下空間工程中的應用

隨著信息技術在城市地下空間工程的迅猛發展，數值計算是對地下隱蔽建筑物進行變形和穩定性分析的最有效方法［5-6］。傳統地下空間工程的技術規范常采用高度簡化的二維模型，對于地下建筑物空間效應顯著的問題也往往簡化為平面模型。然而，地下形狀復雜的基坑、綜合管廊和地鐵隧道等為典型三維建筑物，大量的實測數據顯示采用平面模型簡化得到的與實際不符，可能會出現錯誤的破壞模式等問題。近年來，隨著我國城市大型地下工程項目的出現，施工事故也難免出現，造成了巨大的經濟損失。對于地質條件復雜和施工環境惡劣的地下空間工程項目，在設計和施工前的階段，如何進行沉降預測和穩定性評價，優化施工方案，保證施工的順利開展，成為城市地下空間工程必不可少的環節。因此，使用作為輔助計算工具，且能考慮復雜的地下水條件、建筑結構與土相互作用的數值模擬技術非常必要。

目前，已有多種有限元程序擁有豐富的巖土本構模型，以及能夠快速上手的操作界面，并且計算內核穩定高效。數值模擬軟件基本具備以下幾個特點：從計算類型看，能夠對地下空間工程的變形和穩定性進行分析，可對涉及孔隙壓力消散的工程進行固結計算分析，可對涉及地下水流動的問題進行流固耦合分析，對涉及穩定性的問題進行極限平衡分析，能夠對涉及地震的問題進行動力分析；從城市地下空間工程看，可對復雜形狀、多個或者坑中坑的基坑，加筋擋土墻和邊坡，并行隧道或交叉隧道，臨近地下工程施工對樁基的影響，以及水位驟降對水庫壩體的穩定性影響等進行分析。同時，地下工程數值分析軟件通常具有友好的交互式圖形界面，包括地基土的參數輸入、施工荷載設定、不同施工步驟設定、邊界條件和結算結果輸出等。在建立復雜的地下空間建筑物的幾何模型后，還能夠自動高效地生成有限元網格，避免由于結構尖角形成的網格奇異。根據不同的地下空間工程（隧道、基坑和綜合管廊等）的開挖施工特點，預先建立工程施工動態仿真數值模擬，包括施工過程的數值模擬和施工過程中的動態反演分析。通過數值模擬分析能夠讓設計和施工人員了解各類地下空間工程結構的基本知識，直觀認識施工過程中地下空間工程結構的受力特性和演變。

數值模擬已廣泛應用于基坑工程的結構受力分析。例如，筆者采用數值模擬的手段研究了深基坑開挖對臨近橋梁樁基變形的影響，探討了不同基坑開挖深度、基坑與樁基間距、橋樁和支護樁剛度等因素下的樁身彎矩和剪力的演變規律，使設計人員對樁基變形特征有初步認識。同時，以二維模型為基礎，對開挖過程中不同位置土體的應力路徑變化規律開展分析，根據應力路徑變化特征對設計中的土工設計參數進行優化。采用有限元建立了基坑開挖的三維模型，探討了樁基變形的機理，同時對比了二維模型和三維模型計算結果的差異，提出了能夠將三維模型等效為二維模型的判斷方法，對橋梁樁基提出了加固措施，最后與實測數據對比，驗證了采用數值模擬方法分析地下空間基坑開挖工程的有效性，為實際工程的設計和施工提供了大量分析數據。筆者所具備的數值模擬的能力為“地下工程信息技術”課程改革打下了堅實的基礎。

以上分析表明目前地下空間信息化理論教學與實際工程的信息化需求發展極度不匹配，這勢必將推進地下空間工程專業本科生培養中現代信息技術與教育教學的深度融合，計算機輔助設計教學必須快速實現新的轉變，從傳統的教學逐步轉入以數值模擬三維建模為依托的融入式教學。在地下空間工程的高等教育中，學生作為受教育的主體，必須掌握先進技術的使用技能，才能成為行業的先行者?！暗叵鹿こ绦畔⒓夹g”作為城市地下空間專業的重要課程，需要融合數值建模技術，不能局限于傳統CAD技術的教學，要逐步融入針對數值模擬技術及其支撐理論的教學，優化“地下工程信息技術”課程，強化教學內容與體系改革。

四、地下空間信息化教學改革探索

數值模擬技術蘊含工程全壽命階段設計的理念，為課程設計改革提供了新思路，利用數值模擬的技術特點，筆者提出了“重視和加強工程案例教學，構建地下空間應用案例庫”的教學改革思路，以我院地下空間工程專業開設的專業基礎課，以及大學生創新創業訓練計劃和全國性的重大學科競賽為載體，推動數值模擬在“地下工程信息技術”課程教學中的應用，具體措施如下。

（一）建立與數值模擬技術一致的培養方案和教學任務

依據城市地下空間工程專業的特性及對數值模擬技術的需求，進行相關的人才培訓，并制定合適的教學任務。同時，邀請專家進行理論知識和實踐的強化訓練培訓，使教學人員更好地掌握數值模擬技術理論和操作技能。對現有的教學知識體系進行改良和擴充，在“地下工程信息技術”課程內容設置上，學生需要將數值模擬技術和專業知識體系整合起來，把數值模擬軟件應用到不同的工程案例分析中，促使學生更加全面深刻地掌握專業知識。

（二）加強工程實例教學

將理論和實踐緊密結合，構建“地下工程信息技術”教學案例庫是信息化教學體系構建的重點。注重收集國內外基于三維建模技術的地下空間工程領域的重點工程應用案例。在已有收集案例的基礎上，通過運用專業知識對案例進行深入分析，使學生熟悉數值模擬技術建模的技巧，提高分析、解決專業問題的能力，并激發他們的學習興趣，培養學生對數值模擬軟件的應用能力。

（三）介紹數值模擬技術的前沿熱點

通過數值模擬技術的專題講座，多方位補充數值模擬技術在地下空間工程領域應用的相關專業知識，選取數值模擬軟件應用的熱點問題進行介紹，包括地下空間地質三維建模的實現，建筑三維的可視化、構件材料信息的數字化、模擬地下工程的施工過程，激發學生的求知欲，培養學生的應用能力。在前述的工程實例分析和專題講座后，精心設計題目，適量安排小組討論，讓學生自己認識和運用工程結構數值模擬知識，并提出最優方案。在此過程中，號召相關專業的教師對學生組建的小組競賽團隊做出相關的建議和指導。

（四）建設工程案例庫

提高學生查閱相關資料的積極性，鼓勵學生通過互聯網等途徑，參與收集國內外經典的基于數值模擬計算建模的地下空間工程應用案例。在每一學年精心設計課程考試題目，提高學生面對復雜工程的建模能力，可以更好地鞏固教學效果，為將來從事實際工程設計打下堅實的基礎。同時，將考試成績優秀學生建立的模型補充到案例庫。提倡相關專業教師也參與到構建工程案例庫的工作中，在參與橫向課題和工程評審的工作中收集相關案例，進一步豐富和完善工程案例庫。

（五）優化課程教學手段

在課堂教學中，在講授到關鍵知識點之前，先列舉出模擬實際工程案例的難點，讓學生進行討論，提出解決辦法。例如，采用哪種材質模擬地下結構、如何選取參數以及設定施工步驟等，讓學生運行程序分析計算結果，對計算結果的有效性進行討論，讓學生參與課程建模，提升對數值模擬建模技術的興趣。在教材推廣、課件完善和構建案例庫的基礎上，合理規劃技術專題講座和安排基礎繪圖作業，對理論教學情況進行總結和反饋，分析現有案例采用的效果，分析存在問題的原因。根據存在的問題調整課程內容，進一步補充新的應用案例。在完成幾屆學生教學任務的基礎上，根據學生的總體反映，結合教學工作的總結和反饋意見，篩選專題講座中學生感興趣的部分，優化課程內容，完善教學大綱。

結語

數值模擬建模技術具有精確化、可視化和信息化的特點，在城市地下空間工程信息化快速發展的浪潮下，數值模擬技術在地下空間工程建筑設計、工程施工和維護等領域的應用愈發廣泛。將數值模擬技術融入城市地下空間工程專業的信息化教學，將課程體系與實際工程需求緊密結合，重視工程案例實踐教學，建立地下空間工程案例庫，提高學生分析和解決實際工程問題的能力，對促進地下空間工程專業的發展具有重要意義。

參考文獻

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［6］紀棋嚴，劉宇，林夏艷，等.研究生精品課程“海洋數值模擬”建設與探索［J］.教育教學論壇，2022（19）：9-12.

The Application of Numerical Simulation on the Course of Underground Engineering

Information Technology

WANG Heng

（School of Civil Engineering， Fujian University of Technology， Fuzhou， Fujian 350118， China）

Abstract： With the rapid development of information technology of urban underground space engineering， numerical simulation technology plays an important role in the design， construction， operation and maintenance of urban underground space engineering. How to introduce the numerical simulation into the undergraduate course of urban underground space engineering is the key problem to solve the mismatch between information teaching and engineering practice. In order to promote students to master the analysis method of deformation and stability of underground space building foundation， improve their ability to solve practical problems， this paper proposes to explore the education reform of the urban underground space professional information course by adjusting curriculum teaching， emphasizing and strengthening engineering case， and constructing the database of underground space building， and makes the course teaching more suitable for the development of subject construction.

Key words： numerical simulation; underground engineering; information technology; teaching reform