数值模拟在“地下工程信息技术”课程中的探索与应用

［摘 要］ 随着城市地下空间工程信息化技术的快速发展，数值模拟技术在城市地下空间工程的设计、施工和运营维护等方面发挥了重要作用，如何将数值模拟技术引入城市地下空间工程专业本科教学，是解决信息化教学与工程实践不匹配的关键。为了促进学生掌握地下空间建筑地基的变形和稳定性的分析方法，提高学生解决实际地下工程问题的能力，提出通过调整课程教学，重视和加强工程案例教学，构建地下空间建筑案例库的思路，对城市地下空间专业信息化课程的教学过程进行优化，使课程教学更加适合学科建设的发展。

［关键词］ 数值模拟；地下空间工程；信息技术；教学改革

［基金项目］ 2021年度福建工程学院本科教研教改项目“基于三维建模技术的地下工程信息课程教学改革研究”（jg2021015）

［作者简介］ 王 恒（1989—），男，福建福州人，博士，福建工程学院土木工程学院讲师，主要从事岩土工程研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）07-0121-04 ［收稿日期］ 2022-12-30

一、研究背景

数字化建模技术是建设工程领域最为热点的技术之一，2019年，住房城乡建设部发布了《关于完善质量保障体系提升建筑工程品质的指导意见》，其中明确强调：要推进建筑信息模型（BIM）、大数据、移动互联网、云计算、物联网、人工智能等技术在设计、施工、运营维护全过程的集成应用。加快推进国家规划已明确的重大工程和基础设施建设，城市地下空间的开发与利用将迎来高速发展时期。

地下空间工程是指在地面以下的岩体或土层中修建地下建（构）筑物的工程，包括工业与民用工程和地下综合体等，在解决土地紧张和交通拥堵等问题中发挥了重要作用［1-2］。然而，地下工程多属隐蔽工程，目前存在项目缺乏科学系统的规划，以及协同设计体系与技术规范不完善等问题。数字化建模具有体现工程全寿命阶段设计的巨大优势，已经在工民建和道路桥梁等工程建设中得到了成功应用［3-4］。目前，地下空间工程专业的人才需求缺口较大，特别是能够服务生产一线的应用型、复合型、创新型人才。

以新工科建设为契机，培养理论基础扎实、创新与实践能力突出、适应现代城市地下空间开发领域的高层次专业人才势在必行。在“地下工程信息技术”课程中引入数字化建模技术，将传统的土木工程与信息数字化技术融合，能够让学生在建模中更为直观有效地了解实际施工流程，将所学专业课程知识应用于计算结果分析，激发学生的学习兴趣。

二、“地下工程信息技术”课程特点

“地下工程信息技术”课程是福建工程学院城市地下空间工程学生所必须掌握的一门专业选修课程，课程的主要目标是培养学生通过数值建模手段分析地下建筑物施工过程中变形和稳定性的能力。目前，地下空间专业信息技术的教学方法仍以传统的CAD技术教学为主，例如，对于城市建设常见的双基坑开挖，或者隧道开挖临近已有基坑的典型地下空间工程，传统教学方法仅能在绘制CAD图纸的基础上，根据现行规范计算单一建筑物的变形或者稳定性，最终仅有抽象的二维平面模型，无法直观地对临近地下空间建筑物的施工过程进行精确的三维动态模拟，缺乏施工信息管理，这将给施工方案优化和节约施工的成本带来极大的不便。以笔者所在的城市地下空间专业为例，在以传统的CAD技术作为辅助教学工具时，学生的学习兴趣普遍不高，主要问题包括以下几点。

（一）CAD教学图纸与实际工程实践脱节

在具体授课过程中，常以典型的城市地下空间工程（基坑、隧道等）作为分析案例，课程的学习中学生不仅需要具备扎实的专业基础知识，还要对所分析的地下工程建筑物的三维立体形态有初步的认识，传统的CAD技术只能绘制单一的简化平面图或者立面图，无法提供生动、形象的三维立体模型。另外，作为一门实践性很强的课程，传统的CAD教学手段的教学重点仍停留在强调绘制建筑物图纸细节的正确性和掌握理论绘图技巧，强调根据图纸和规范分析地下结构的受力特性，忽略了地下空间工程的实践性。

（二）课程教学参与度不高

作为本科生，工程实践相对缺乏，学生对所要分析的地下建筑物的整体受力，以及所要关注的容易破坏的部位缺乏认识，容易出现抵触情绪。在传统的教学理念下，学生不愿意花大量时间查阅相关地下工程案例，每名学生储备的知识水平存在差异，当遇到困难时，往往不是询问教师如何解决，而是选择模仿其他同学的图纸，逐渐会有学生对课程不感兴趣，久而久之陷入师生互动氛围不佳的恶性循环。同时，传统CAD绘图相对枯燥漫长，除讲授时间外，在短时间的课堂练习中，学生通常无法完成教师布置的工作量，只能在课余时间完成，导致学生经常因为各种原因停留在上一节课的进度。这种情况不仅会使学生产生应付课程的情绪，还会影响教师的新课授课进度。

（三）考核成果差异化

“地下工程信息技术”课程的考核包括课上的提问、作业以及最后的现场考试。由于CAD绘图的严谨性，变动几何尺寸参数后，可能会导致根据图纸得到的计算结果不满足规范要求的情况，每名学生的平时作业题目和最后考试题目相同。然而，由于少部分学生不自觉，往往会出现某个学生出现某个计算错误，少部分学生也出现一模一样的计算结果，这就给教师对每名学生的公平公正评分带来了极大的困难。另外，考试题目的类型一般是实际工程高度简化后的模型，没有与实际工程结合，过于强调理论知识，没有达到课程考核学生分析实际案例能力的目的。

三、数值模拟在地下空间工程中的应用

随着信息技术在城市地下空间工程的迅猛发展，数值计算是对地下隐蔽建筑物进行变形和稳定性分析的最有效方法［5-6］。传统地下空间工程的技术规范常采用高度简化的二维模型，对于地下建筑物空间效应显著的问题也往往简化为平面模型。然而，地下形状复杂的基坑、综合管廊和地铁隧道等为典型三维建筑物，大量的实测数据显示采用平面模型简化得到的与实际不符，可能会出现错误的破坏模式等问题。近年来，随着我国城市大型地下工程项目的出现，施工事故也难免出现，造成了巨大的经济损失。对于地质条件复杂和施工环境恶劣的地下空间工程项目，在设计和施工前的阶段，如何进行沉降预测和稳定性评价，优化施工方案，保证施工的顺利开展，成为城市地下空间工程必不可少的环节。因此，使用作为辅助计算工具，且能考虑复杂的地下水条件、建筑结构与土相互作用的数值模拟技术非常必要。

目前，已有多种有限元程序拥有丰富的岩土本构模型，以及能够快速上手的操作界面，并且计算内核稳定高效。数值模拟软件基本具备以下几个特点：从计算类型看，能够对地下空间工程的变形和稳定性进行分析，可对涉及孔隙压力消散的工程进行固结计算分析，可对涉及地下水流动的问题进行流固耦合分析，对涉及稳定性的问题进行极限平衡分析，能够对涉及地震的问题进行动力分析；从城市地下空间工程看，可对复杂形状、多个或者坑中坑的基坑，加筋挡土墙和边坡，并行隧道或交叉隧道，临近地下工程施工对桩基的影响，以及水位骤降对水库坝体的稳定性影响等进行分析。同时，地下工程数值分析软件通常具有友好的交互式图形界面，包括地基土的参数输入、施工荷载设定、不同施工步骤设定、边界条件和结算结果输出等。在建立复杂的地下空间建筑物的几何模型后，还能够自动高效地生成有限元网格，避免由于结构尖角形成的网格奇异。根据不同的地下空间工程（隧道、基坑和综合管廊等）的开挖施工特点，预先建立工程施工动态仿真数值模拟，包括施工过程的数值模拟和施工过程中的动态反演分析。通过数值模拟分析能够让设计和施工人员了解各类地下空间工程结构的基本知识，直观认识施工过程中地下空间工程结构的受力特性和演变。

数值模拟已广泛应用于基坑工程的结构受力分析。例如，笔者采用数值模拟的手段研究了深基坑开挖对临近桥梁桩基变形的影响，探讨了不同基坑开挖深度、基坑与桩基间距、桥桩和支护桩刚度等因素下的桩身弯矩和剪力的演变规律，使设计人员对桩基变形特征有初步认识。同时，以二维模型为基础，对开挖过程中不同位置土体的应力路径变化规律开展分析，根据应力路径变化特征对设计中的土工设计参数进行优化。采用有限元建立了基坑开挖的三维模型，探讨了桩基变形的机理，同时对比了二维模型和三维模型计算结果的差异，提出了能够将三维模型等效为二维模型的判断方法，对桥梁桩基提出了加固措施，最后与实测数据对比，验证了采用数值模拟方法分析地下空间基坑开挖工程的有效性，为实际工程的设计和施工提供了大量分析数据。笔者所具备的数值模拟的能力为“地下工程信息技术”课程改革打下了坚实的基础。

以上分析表明目前地下空间信息化理论教学与实际工程的信息化需求发展极度不匹配，这势必将推进地下空间工程专业本科生培养中现代信息技术与教育教学的深度融合，计算机辅助设计教学必须快速实现新的转变，从传统的教学逐步转入以数值模拟三维建模为依托的融入式教学。在地下空间工程的高等教育中，学生作为受教育的主体，必须掌握先进技术的使用技能，才能成为行业的先行者。“地下工程信息技术”作为城市地下空间专业的重要课程，需要融合数值建模技术，不能局限于传统CAD技术的教学，要逐步融入针对数值模拟技术及其支撑理论的教学，优化“地下工程信息技术”课程，强化教学内容与体系改革。

四、地下空间信息化教学改革探索

数值模拟技术蕴含工程全寿命阶段设计的理念，为课程设计改革提供了新思路，利用数值模拟的技术特点，笔者提出了“重视和加强工程案例教学，构建地下空间应用案例库”的教学改革思路，以我院地下空间工程专业开设的专业基础课，以及大学生创新创业训练计划和全国性的重大学科竞赛为载体，推动数值模拟在“地下工程信息技术”课程教学中的应用，具体措施如下。

（一）建立与数值模拟技术一致的培养方案和教学任务

依据城市地下空间工程专业的特性及对数值模拟技术的需求，进行相关的人才培训，并制定合适的教学任务。同时，邀请专家进行理论知识和实践的强化训练培训，使教学人员更好地掌握数值模拟技术理论和操作技能。对现有的教学知识体系进行改良和扩充，在“地下工程信息技术”课程内容设置上，学生需要将数值模拟技术和专业知识体系整合起来，把数值模拟软件应用到不同的工程案例分析中，促使学生更加全面深刻地掌握专业知识。

（二）加强工程实例教学

将理论和实践紧密结合，构建“地下工程信息技术”教学案例库是信息化教学体系构建的重点。注重收集国内外基于三维建模技术的地下空间工程领域的重点工程应用案例。在已有收集案例的基础上，通过运用专业知识对案例进行深入分析，使学生熟悉数值模拟技术建模的技巧，提高分析、解决专业问题的能力，并激发他们的学习兴趣，培养学生对数值模拟软件的应用能力。

（三）介绍数值模拟技术的前沿热点

通过数值模拟技术的专题讲座，多方位补充数值模拟技术在地下空间工程领域应用的相关专业知识，选取数值模拟软件应用的热点问题进行介绍，包括地下空间地质三维建模的实现，建筑三维的可视化、构件材料信息的数字化、模拟地下工程的施工过程，激发学生的求知欲，培养学生的应用能力。在前述的工程实例分析和专题讲座后，精心设计题目，适量安排小组讨论，让学生自己认识和运用工程结构数值模拟知识，并提出最优方案。在此过程中，号召相关专业的教师对学生组建的小组竞赛团队做出相关的建议和指导。

（四）建设工程案例库

提高学生查阅相关资料的积极性，鼓励学生通过互联网等途径，参与收集国内外经典的基于数值模拟计算建模的地下空间工程应用案例。在每一学年精心设计课程考试题目，提高学生面对复杂工程的建模能力，可以更好地巩固教学效果，为将来从事实际工程设计打下坚实的基础。同时，将考试成绩优秀学生建立的模型补充到案例库。提倡相关专业教师也参与到构建工程案例库的工作中，在参与横向课题和工程评审的工作中收集相关案例，进一步丰富和完善工程案例库。

（五）优化课程教学手段

在课堂教学中，在讲授到关键知识点之前，先列举出模拟实际工程案例的难点，让学生进行讨论，提出解决办法。例如，采用哪种材质模拟地下结构、如何选取参数以及设定施工步骤等，让学生运行程序分析计算结果，对计算结果的有效性进行讨论，让学生参与课程建模，提升对数值模拟建模技术的兴趣。在教材推广、课件完善和构建案例库的基础上，合理规划技术专题讲座和安排基础绘图作业，对理论教学情况进行总结和反馈，分析现有案例采用的效果，分析存在问题的原因。根据存在的问题调整课程内容，进一步补充新的应用案例。在完成几届学生教学任务的基础上，根据学生的总体反映，结合教学工作的总结和反馈意见，筛选专题讲座中学生感兴趣的部分，优化课程内容，完善教学大纲。