大型鋼結構廠房設計建造虛擬仿真實驗是哈爾濱工業大學建設的虛擬仿真實驗課、國家級一流本科課程。該實驗課程在實驗空間平台授課，課程負責人為武岳，授課教師為劉昌永、張文元、范峰、沈世釗等。據2021年8月實驗空間官網顯示，該課程做實驗人數49，其中優秀1人、達標24人、不達標24人，實驗通過率51.0%。
該虛擬仿真實驗課程以鋼結構教學中最為典型的大跨度單層廠房為例，結合虛擬仿真技術，通過讓學生像“搭積木”一樣自行設計建造廠房，並藉助3D漫遊技術從不同視角觀察結構，幫助學生理解複雜鋼結構體系的構成，培養學生探究精神；在此基礎上，還可藉助後台分析軟體對所建結構進行靜力、自振和地震回響分析，綜合內力、變形及用鋼量等分析結果，幫助學生對設計合理性做出評判並提出改進措施，提升學生的知識綜合運用能力，形成學習反饋閉環。
基本介紹
- 中文名：大型鋼結構廠房設計建造虛擬仿真實驗
- 外文名：Virtual Simulation Experiment on the Design and Construction of Steel Structure for Large-scale Industrial Building
- 類別：虛擬仿真實驗課、國家級一流本科課程
- 建設院校：哈爾濱工業大學
- 授課平台：實驗空間
- 課程負責人：武岳
- 授課教師：劉昌永、張文元、范峰、沈世釗、王玉銀、邵永松、丁玉坤、周華樟
- 實驗學時：2學時
課程建設,開設歷程,服務規劃,課程性質,課程背景,課程定位,適應對象,課程簡介,課程步驟,實驗方法,操作步驟,實驗記錄,課程特色,教學計畫,面向高校,面向社會,教學目標,教學要點,學習預備,知識能力,預設參數,裝置軟體,運行條件,考核標準,教師簡介,
課程建設
開設歷程
2017年5月1日，大型鋼結構廠房設計建造虛擬仿真實驗課程在哈爾濱工業大學上線；
2017年5月15日，大型鋼結構廠房設計建造虛擬仿真實驗課程面向社會開放；
2019年3月6日，大型鋼結構廠房設計建造虛擬仿真實驗課程被中華人民共和國教育部認定為2018年度“國家虛擬仿真實驗教學項目”；
2020年11月24日，大型鋼結構廠房設計建造虛擬仿真實驗課程被中華人民共和國教育部認定為首批“國家級一流本科課程（虛擬仿真實驗教學一流課程）”。
服務規劃
該實驗課程依託“哈爾濱工業大學國家級土建工程實驗教學中心”，計畫在項目認定後5年裡進一步在內涵建設、教學推廣和服務社會等方面加強建設。例如，可藉助平台所記錄的每一位學生的實驗數據，隨著數據的積累，可以根據大數據分析結果對學生的知識掌握情況以及不同教學效果進行總結，不斷完善教學手段，豐富學習資源。此外，還可以進一步將該課程團隊的科研成果融入實驗教學內容，拓寬實驗參數範圍、豐富實驗教學場景。還要進一步拓寬實驗教學手段，在虛擬仿真網站平台的基礎上，開發手機移動端模擬平台。
課程性質
課程背景
中國的鋼產量已連續20餘年（截至2017年）居世界第一，大力發展鋼結構對於化解產能、實現可持續發展意義重大，迫切需要高質量的鋼結構專業人才。但在傳統鋼結構課程教學中，由於受到場地、經費和人員安全等方面的限制，僅能開展少量的構件受力演示實驗，學生動手能力缺乏鍛鍊；不僅如此，由於學生很難近距離接觸到實際工程結構，導致學生對各種體系構造的理解不深，綜合運用所學知識解決工程問題的能力不強。
課程定位
該實驗以鋼結構教學中最為典型的大跨度單層廠房為例，結合虛擬仿真技術，圍繞鋼結構旬符煉的體系構成和受力性能問題，開展虛擬仿真實驗教學探索。在實驗方案設計上，實現了自主搭建、仿真分析和閉環評價的三位一體思路，更有助於激發學生學習興趣，培養學生的動手能力、空間想像力和創新能力。
適應對象
該虛擬仿真實驗課程適合土木工程專業本科大三或大四學生參與操作。
課程簡介
實驗原理說明：
該實驗是實現鋼結構學習從“構件”向“結構”過渡的重要環節，所涉及的原理包括：
1.複雜空間桿繫結構的形狀穩定性原理。抹婚狼即在滿足使用功能的前提下，通過柱、屋架和支撐的合理組合，獲得穩定的、具有良好承載能力的結構體系，這是實際工程設計中最能體現設計者能力和水平的問題，直接決定了設計方案的合理性和可行性。
2.大跨度、重載廠房結構的靜、動力分析理論與方法。需要設計者具有紮實的結構力學知識，並能夠對結構服役期可能遇到的最不利荷載情況做出準確判斷；還能夠頌獄愉套熟練操作有限元軟立連件完成結構受力分析，並依據所得的應力比、最大位移及用鋼量等信息對設計合理性做出判斷。
該實驗課程有以下9個知識點：
- 廠房鋼結構的組成及構件布置原則；
- 廠房鋼結構的橫向和縱向傳力體系；
- 鋼屋架的形式及連線構造；
- 支撐的種類、功能及連線構造；
- 檁條及屋（牆）面板的布置原則、截面形式及連線構造；
- 廠房鋼結構分析需要考慮的荷載種類及組合工況；
- 廠房鋼結構的靜力分析方法及受力特點；
- 廠房鋼結構的動力分析方法及地震回響特點；
- 依據規範對結構設計合理性進行判斷並完善設計。
課程步驟
實驗方法
該實驗以鋼結構教學中最為典型的單層廠房為例，在虛擬仿真平台上，讓學生自行設計和建造結構體系，從而更加直觀地理解單層廠房鋼結構體系的構成、各組成構件的作用及相關設計理論。實驗學時數為2學時，實驗方法包括：
1.虛擬建模：讓學生結合試驗任務書和之前所學的課堂知識，自行從構件庫中選擇所需的構件類型及尺寸，搭建單層廠房鋼結構體系。蒸充妹對應實驗步承促探船驟1-11步，通過學習要求學生掌握知識點1-5。
2.仿真分析：藉助後台分析軟體對所建造結構進行靜力和動力分析，演示結構特徵回響，包括構件應力比、結構變形、振動時程等。對應實驗步驟12-15步，通過學習要求學生掌握知識點6-8。
3.閉環評價：結合分析結果，由系統自動生成反饋意見，結合師生線上互動，幫助學生進一步完善設計。對應實驗步驟16-17步，通過學習要求學生掌握知識點9。
操作步驟
學生互動性操作步驟：17
操作環節 | 具體步驟 |
|---|---|
一、廠房虛擬建造 | 步驟1：基礎施工 步驟2：鋼柱吊幾歡鴉裝 步驟3：柱間支撐安裝 步驟4：吊車梁安裝 步驟5：屋架搭設 步驟6：屋面支撐安裝 步驟7：吊車安裝 步驟8：抗風柱吊裝 步驟9：檁條及牆梁安裝 步驟10：屋面板及牆面板安裝 |
二、3D漫遊 | 步驟11: 3D虛擬漫遊 隨堂測試一（5分鐘） |
三、結構仿真分析 | 步驟12：荷載匯集 步驟13：結構靜力分析 步驟14：結構模態分析 步驟15：結構抗震分析 隨堂測試二（5分鐘） |
四、設計評價與改進 | 步驟16：結果分析及判斷 步驟17：設計改進 |
（註：表格內容參考資料）
實驗記錄
是否記錄每步實驗結果：是
實驗結果與結論要求：實驗報告
其他描述：
實驗報告包含以下三部分內容：
- 操作過程，包括由學生搭建的廠房實體模型、結構有限元模型，以及靜動力分析結果；
- 隨堂測試結果，根據學生兩次測試情況由系統自動給出測試成績；
- 300字左右的實驗總結，包括對廠房構成方式的探討、對結構回響特徵的分析以及對相關知識點的總結等，由學生手動輸入。
課程特色
實驗方案設計思路
- 面向中國國家發展重大需求，解決高質量鋼結構專業人才培養問題。
- 突出“以學生為中心”和“學習成效驅動”的教育理念。
評價體系
學生自我評價與教師累加式評價相結合，實現成效驅動目標：
- 學生自我評價。主要是結合結構回響仿真分析和師生線上互動，建立“設計-評價-改進”的學習反饋閉環，形成學習成效驅動機制。依據所搭建結構由程式自動生成有限元模型並匯集荷載，藉助後台分析軟體對所建結構進行靜力、振動模態和地震回響分析，演示結構在不同工況下的應力分布及變形情況；並且由系統依據所設計結構的內力、變形及用鋼量情況自動生成反饋意見；在此基礎上，結合學生討論和師生線上互動，幫助學生進一步完善設計，從而形成學習反饋閉環，實現持續改進。
- 教師累加式評價。教師可以在後台隨時查看學生的實驗操作情況，最終依據實驗報告從體系搭建、結構分析、隨堂測試和實驗總結四個方面進行考核，最終通過各部分成績累加得到總成績。
傳統教學的延伸與拓展
單層鋼結構廠房是鋼結構教學中的重點和難點，是體現鋼結構教學從構件向體系過渡的重要環節。該實驗以廠房建造為驅動，實現從構件到體系的多方面知識綜合運用，提升學生的空間想像力、實際操作能力和解決問題能力。實驗涉及構件、節點、體系以及荷載、回響等多方面結構知識的運用，還鍛鍊了學生的實際操作能力和對設計結果的評判能力，為學生搭建了理論聯繫實際的橋樑。教學實踐表明，通過該實驗訓練，加深了學生對相關理論知識的理解，提高了學生解決實際工程問題的能力，克服了傳統教學中存在的問題，為培養高質量的鋼結構專業人才奠定了基礎。
教學計畫
面向高校
針對不同高校的特點，建立高校分類服務計畫，結合不同高校的教學需求，提供不同的虛擬實驗教學方案。該實驗課程計畫在認定後一年內實現東北四省高校的教學資源共享，三年內實現全中國範圍內高校的平台開放和資源共享，五年內實現向國際有合作交流高校的推介，真正實現“向世界實踐教學貢獻中國方案”。
面向社會
該實驗課程將以“大力發展裝配式鋼結構”的產業政策為導向，進一步深化校企合作，逐步實現傳統鋼結構教學與現代鋼結構產業的融合。利用虛擬仿真技術為企業提供員工知識普及和“高危”技術培訓；還可充分發揮高校的科研優勢，將自主研發的教學、科研成果與企業共享；並藉助企業支持，進一步開發滿足實際工程建設需求的實驗教學內容，豐富該實驗課程的實驗教學資源。
教學目標
- 掌握大型鋼結構廠房的體系構成，培養學生空間想像力；
- 熟悉鋼結構靜、動力分析流程，增強對大型鋼結構回響特點的理解；
- 學會根據分析結果判斷結構設計合理性，並提出有效改進措施，提升解決複雜工程問題能力。
教學要點
- 教學方法
探究性學習
傳統的鋼結構實驗教學中，由於受到實驗器材和場地的限制，每個學生的操作時間有限，往往只能按照實驗大綱的要求匆匆做一遍，學生的理解大多停留在走馬觀花的層面。而該實驗結合虛擬仿真技術，突破了硬體條件的限制，不具體規定操作步驟，讓學生根據對所學知識的理解來自主搭建，即便搭建錯了也沒關係，系統會提示，允許學生多次嘗試。上述過程更接近於實際工程設計的流程。通過讓學生自己選擇構件類型並動手搭建成結構體系，反覆摸索並總結廠房鋼結構體系的構成規律，激發學生的學習興趣。而且，還可以藉助3D漫遊技術，培養學生的空間想像力。通過以上訓練，學生普遍反映對單層廠房的體系構成理解更加深刻了，並由此對鋼結構體系有了更清晰的認識，達到了舉一反三的效果。
互動式學習
為了幫助學生加深理解知識、有效解決問題，試驗中設定了多個互動環節。一是在軟體中對於各種構件會有相關原理文字自動同步顯示和語音解說；二是在實驗過程中設定了兩個隨堂測試環節，可以及時檢驗學生對實驗相關知識的理解；三是軟體中設定了交流空間，學生可以隨時通過留言與同學和老師線上交流；最後，在實驗報告中學生可以把實驗的心得寫下來，供教師評分時把握，必要時也可由教師與學生進行線下交流。
綜合性訓練
該實驗在整個教學環節中起到承前啟後的作用。一方面作為大四的學生已經對結構設計理論有了較全面的認識，另一方面還缺乏綜合運用這些知識的能力。該實驗涉及構件、節點、體系以及荷載、回響等多方面結構知識的運用，還鍛鍊了學生的實際操作能力和對設計結果的評判能力，從而為即將開始的畢業設計做好準備。
藉助“搭積木”式的虛擬建造技術，體驗大跨度鋼結構廠房建造全過程，實現從被動學習向主動探究的轉變。實驗中，不是老師手把手教，也不是老師演示學生看，而是讓學生自行從構件庫中選擇所需的構件類型及尺寸，像“搭積木”一樣嘗試搭建單層廠房鋼結構，通過反覆摸索加深認識，激發學生的學習興趣。並且可以藉助3D漫遊技術從不同視角了解結構體系構成及特點，與課堂教學形成相輔相成的關係。這些實驗手段都是傳統教學中無法實現的。
藉助網路平台，實現多層次互動，幫助學生加深理解知識、有效解決問題。在軟體中設有廠房知識學習版塊，對於各種構件會有相關原理文字自動同步顯示和語音解說。此外，在實驗過程中設定了兩個隨堂測試環節，可以及時檢驗學生對實驗相關知識的理解。軟體中還設定了交流空間，學生可以隨時通過留言與同學和老師線上交流。最後，在實驗報告中學生可以把實驗的心得寫下來，供教師評分時把握，必要時也可由教師與學生進行線下交流。
學習預備
知識能力
實驗操作者應：
- 已學習過鋼結構基本原理、結構力學、荷載與結構設計等課程；
- 能夠較熟練操作1-2種結構分析類軟體；
- 已通過生產實習等教學環節對工業廠房有所了解。
預設參數
該實驗所有鋼材均採用Q235B級鋼。實驗預設參數如下：
- 廠房幾何尺寸：縱向長度90m±3m，橫向跨度30m。基礎頂面高度0.0m，柱頂高度22m，牛腿高度16m。鋼屋架端部高度1990mm，跨中高度3490mm。
- 結構形式：鋼柱採用實腹式工字形截面，屋架採用雙角鋼構成的梯形鋼屋架，並與柱頭鉸接或剛接。屋面採用檁條和壓型鋼板構成的輕型屋面，牆面採用牆梁和壓型鋼板構成的輕型圍護結構。屋面不設天窗。
- 荷載參數：布置兩台50t中級工作制橋式吊車。屋面活荷載不考慮積灰荷載和上人荷載，但需考慮雪荷載和懸掛荷載，具體荷載取值見下面分組。所有構件自重由程式自動考慮。
第一組：7度設防（0.10g），設計地震動分組為第一組；基本風壓0.55kN/m，B類地貌；保溫材料自重0.2 kN/m，雪荷載0.45 kN/m，懸掛荷載0.2 kN/m。
第二組：8度設防（0.20g），設計地震動分組為第一組；基本風壓0.45kN/m，C類地貌；保溫材料自重0.1 kN/m，雪荷載0.4 kN/m，懸掛荷載0.3 kN/m。
第三組：7度設防（0.10g），設計地震動分組為第二組；基本風壓0.65kN/m，B類地貌；保溫材料自重0.1 kN/m，雪荷載0.4 kN/m，懸掛荷載0.3 kN/m。
裝置軟體
該虛擬仿真平台由哈爾濱工業大學與中國建築科學研究院、廈門鳳凰創壹軟體有限公司聯合開發。該平台基於虛擬現實三維互動引擎運行的網路環境，能夠實現大量並行用戶快速下載及構建渲染動態三維互動場景。平台採用虛擬現實技術製作各種具有物理屬性的構件、連線件及三維互動虛擬實驗場景，用戶可根據實驗要求自主操作，達到可身臨其境進行虛擬仿真實驗目的。
平台共包含5個模組：
- 系統登錄及任務確認模組。學生登錄系統，由系統隨機分配實驗參數，包括廠房幾何尺寸及荷載取值等，從而保證每位同學都能夠獨立完成實驗操作。此外，也設定了教師登錄入口，可在後台實時觀察學生操作及分析結果。
- 廠房結構虛擬搭建模組。由學生根據任務書，自行從構件庫中選擇所需的構件類型，並結合之前所學課堂知識確定構件尺寸，按照基礎、鋼柱、屋架、支撐、檁條、屋（牆）面板的順序，依次搭建廠房鋼結構體系。搭建完成後，系統會自動檢查體系完整性，如有缺失會進行提示。
- 三維漫遊模組。可實現對結構三維模型或其部件任意方向旋轉及視點變換的功能，所有部件都可360 度全方位觀看，具有直觀立體、真實互動的效果，並提供三維動畫演示與相關原理文字自動同步顯示和語音解說，方便用戶深度理解實驗內容與原理。
- 廠房結構靜動力分析模組。藉助後台分析軟體對所建造結構進行靜力和動力分析，演示結構特徵回響；結合分析結果，由系統自動生成反饋意見，結合師生線上互動，幫助學生進一步完善設計。
- 實驗報告生成模組。綜合實驗結果、學生實驗心得以及實驗過程中的隨堂測試成績，由系統自動生成實驗報告，由教師根據以上內容給出實驗成績。
該實驗所需硬體設備為一台計算機，Xeon CPU E3-1230 3.3GHZ以上，記憶體8G以上，硬碟500G，獨立顯示卡GTX650以上，顯存2G（建議用nVIDIA）。
運行條件
具體條件 | 具體要求 |
|---|---|
網路條件要求 | 說明客戶端到伺服器的頻寬要求（需提供測試頻寬服務）：>10M，可提供軟體進行頻寬測試 說明能夠提供的並發回響數量（需提供線上排隊提示服務）：1000 |
用戶作業系統要求 | |
用戶非作業系統軟體配置要求 | 需要特定外掛程式：是 外掛程式名稱：hagongda課程外掛程式 外掛程式容量：35M 下載地址：（見該課程“網路要求”部分） 其他計算機終端非作業系統軟體配置要求（需說明是否可提供相關軟體下載服務）：瀏覽器IE9以上，登錄頁面提供軟體下載連結 |
用戶硬體配置要求 | 計算機硬體配置要求：Intel Xeon CPU E3-1230 3.3GHZ以上 ，8G記憶體，硬碟500G，獨立顯示卡GTX650以上，顯存2G（建議用nVIDIA） 其他計算終端硬體配置要求：無 |
用戶特殊外置硬體要求 | 計算機特殊外置硬體要求：無 其他計算終端特殊外置硬體要求：無 |
（註：表格內容參考資料）
考核標準
要求學生在規定時間（2個學時）內完成結構虛擬建造及相關驗算，最終依據實驗報告，從以下四個方面進行考核：
- 體系搭建考核：結構體系是否完整，是否符合大跨度單層廠房結構的幾何穩定性要求，是否滿足使用功能要求，分值30分；
- 結構分析考核：是否有遺漏的荷載工況及組合，結構的內力及變形是否滿足鋼結構設計規範的要求，結構用鋼量是否在合理範圍內，分值為30分；
- 隨堂測試考核：兩次隨堂測試，每次為8道選擇題，主要是結合已完成的實驗步驟，強化相關知識點，兩次總成績為16分；
- 實驗總結考核：包括對廠房構成方式的探討、對結構回響特徵的分析以及對設計進一步最佳化的想法等，分值為24分。
教師簡介
武岳，哈爾濱工業大學土木工程學院副院長、教授、博士生導師，主要研究方向：大跨空間結構、結構風工程、綠色智慧型建造。
劉昌永，博士，副教授、博士生導師、國家一級註冊結構工程師，哈爾濱工業大學土木工程學院建設管理系副主任，主要開展鋼-混凝土組合結構、大型基礎設施施工技術、BIM與智慧建造等方面的教學、科研與社會服務工作。
張文元，男，漢族，1972年生，博士，教授、博士生導師，哈爾濱工業大學土木工程學院鋼木學科組主任，研究領域：結構工程，高層建築鋼結構、工業建築鋼結構、輕型鋼結構。
范峰，博士，教授、博士生導師、長江學者，國家一級註冊結構工程師，哈爾濱工業大學空間結構研究中心主任，土木工程學院鋼結構及木結構學科組副主任。
沈世釗，教授、博士生導師、兩院院士，曾任哈爾濱建築大學校長，致力於大跨空間結構新興領域的開拓，在前沿研究中取得重要成果。
王玉銀，博士，教授、博士生導師、龍江學者特聘教授，中國鋼結構協會鋼-混凝土組合結構分會理事長、哈爾濱工業大學土木工程學院院長、哈爾濱工業大學金屬與組合結構研究中心副主任。
邵永松，博士，哈爾濱工業大學土木工程學院教授、博士生導師，主要研究方向：鋼結構穩定理論、高層鋼結構與輕型鋼結構、鋼結構腐蝕，鋼結構工程檢測與結構評價。
丁玉坤，男，回族，哈爾濱工業大學土木工程學院副教授、博士生導師，主要從事鋼結構方面的教學和科研工作。
周華樟，男，漢族，1979年生，講師、碩士生導師，國家一級註冊結構工程師，主要研究方向：木結構。
適應對象
該虛擬仿真實驗課程適合土木工程專業本科大三或大四學生參與操作。
課程簡介
實驗原理說明：
該實驗是實現鋼結構學習從“構件”向“結構”過渡的重要環節，所涉及的原理包括：
1.複雜空間桿繫結構的形狀穩定性原理。即在滿足使用功能的前提下，通過柱、屋架和支撐的合理組合，獲得穩定的、具有良好承載能力的結構體系，這是實際工程設計中最能體現設計者能力和水平的問題，直接決定了設計方案的合理性和可行性。
2.大跨度、重載廠房結構的靜、動力分析理論與方法。需要設計者具有紮實的結構力學知識，並能夠對結構服役期可能遇到的最不利荷載情況做出準確判斷；還能夠熟練操作有限元軟體完成結構受力分析，並依據所得的應力比、最大位移及用鋼量等信息對設計合理性做出判斷。
該實驗課程有以下9個知識點：
- 廠房鋼結構的組成及構件布置原則；
- 廠房鋼結構的橫向和縱向傳力體系；
- 鋼屋架的形式及連線構造；
- 支撐的種類、功能及連線構造；
- 檁條及屋（牆）面板的布置原則、截面形式及連線構造；
- 廠房鋼結構分析需要考慮的荷載種類及組合工況；
- 廠房鋼結構的靜力分析方法及受力特點；
- 廠房鋼結構的動力分析方法及地震回響特點；
- 依據規範對結構設計合理性進行判斷並完善設計。
課程步驟
實驗方法
該實驗以鋼結構教學中最為典型的單層廠房為例，在虛擬仿真平台上，讓學生自行設計和建造結構體系，從而更加直觀地理解單層廠房鋼結構體系的構成、各組成構件的作用及相關設計理論。實驗學時數為2學時，實驗方法包括：
1.虛擬建模：讓學生結合試驗任務書和之前所學的課堂知識，自行從構件庫中選擇所需的構件類型及尺寸，搭建單層廠房鋼結構體系。對應實驗步驟1-11步，通過學習要求學生掌握知識點1-5。
2.仿真分析：藉助後台分析軟體對所建造結構進行靜力和動力分析，演示結構特徵回響，包括構件應力比、結構變形、振動時程等。對應實驗步驟12-15步，通過學習要求學生掌握知識點6-8。
3.閉環評價：結合分析結果，由系統自動生成反饋意見，結合師生線上互動，幫助學生進一步完善設計。對應實驗步驟16-17步，通過學習要求學生掌握知識點9。
操作步驟
學生互動性操作步驟：17
操作環節 | 具體步驟 |
|---|---|
一、廠房虛擬建造 | 步驟1：基礎施工 步驟2：鋼柱吊裝 步驟3：柱間支撐安裝 步驟4：吊車梁安裝 步驟5：屋架搭設 步驟6：屋面支撐安裝 步驟7：吊車安裝 步驟8：抗風柱吊裝 步驟9：檁條及牆梁安裝 步驟10：屋面板及牆面板安裝 |
二、3D漫遊 | 步驟11: 3D虛擬漫遊 隨堂測試一（5分鐘） |
三、結構仿真分析 | 步驟12：荷載匯集 步驟13：結構靜力分析 步驟14：結構模態分析 步驟15：結構抗震分析 隨堂測試二（5分鐘） |
四、設計評價與改進 | 步驟16：結果分析及判斷 步驟17：設計改進 |
（註：表格內容參考資料）
實驗記錄
是否記錄每步實驗結果：是
實驗結果與結論要求：實驗報告
其他描述：
實驗報告包含以下三部分內容：
- 操作過程，包括由學生搭建的廠房實體模型、結構有限元模型，以及靜動力分析結果；
- 隨堂測試結果，根據學生兩次測試情況由系統自動給出測試成績；
- 300字左右的實驗總結，包括對廠房構成方式的探討、對結構回響特徵的分析以及對相關知識點的總結等，由學生手動輸入。
課程特色
實驗方案設計思路
- 面向中國國家發展重大需求，解決高質量鋼結構專業人才培養問題。
- 突出“以學生為中心”和“學習成效驅動”的教育理念。
評價體系
學生自我評價與教師累加式評價相結合，實現成效驅動目標：
- 學生自我評價。主要是結合結構回響仿真分析和師生線上互動，建立“設計-評價-改進”的學習反饋閉環，形成學習成效驅動機制。依據所搭建結構由程式自動生成有限元模型並匯集荷載，藉助後台分析軟體對所建結構進行靜力、振動模態和地震回響分析，演示結構在不同工況下的應力分布及變形情況；並且由系統依據所設計結構的內力、變形及用鋼量情況自動生成反饋意見；在此基礎上，結合學生討論和師生線上互動，幫助學生進一步完善設計，從而形成學習反饋閉環，實現持續改進。
- 教師累加式評價。教師可以在後台隨時查看學生的實驗操作情況，最終依據實驗報告從體系搭建、結構分析、隨堂測試和實驗總結四個方面進行考核，最終通過各部分成績累加得到總成績。
傳統教學的延伸與拓展
單層鋼結構廠房是鋼結構教學中的重點和難點，是體現鋼結構教學從構件向體系過渡的重要環節。該實驗以廠房建造為驅動，實現從構件到體系的多方面知識綜合運用，提升學生的空間想像力、實際操作能力和解決問題能力。實驗涉及構件、節點、體系以及荷載、回響等多方面結構知識的運用，還鍛鍊了學生的實際操作能力和對設計結果的評判能力，為學生搭建了理論聯繫實際的橋樑。教學實踐表明，通過該實驗訓練，加深了學生對相關理論知識的理解，提高了學生解決實際工程問題的能力，克服了傳統教學中存在的問題，為培養高質量的鋼結構專業人才奠定了基礎。
教學計畫
面向高校
針對不同高校的特點，建立高校分類服務計畫，結合不同高校的教學需求，提供不同的虛擬實驗教學方案。該實驗課程計畫在認定後一年內實現東北四省高校的教學資源共享，三年內實現全中國範圍內高校的平台開放和資源共享，五年內實現向國際有合作交流高校的推介，真正實現“向世界實踐教學貢獻中國方案”。
面向社會
該實驗課程將以“大力發展裝配式鋼結構”的產業政策為導向，進一步深化校企合作，逐步實現傳統鋼結構教學與現代鋼結構產業的融合。利用虛擬仿真技術為企業提供員工知識普及和“高危”技術培訓；還可充分發揮高校的科研優勢，將自主研發的教學、科研成果與企業共享；並藉助企業支持，進一步開發滿足實際工程建設需求的實驗教學內容，豐富該實驗課程的實驗教學資源。
教學目標
- 掌握大型鋼結構廠房的體系構成，培養學生空間想像力；
- 熟悉鋼結構靜、動力分析流程，增強對大型鋼結構回響特點的理解；
- 學會根據分析結果判斷結構設計合理性，並提出有效改進措施，提升解決複雜工程問題能力。
教學要點
- 教學方法
探究性學習
傳統的鋼結構實驗教學中，由於受到實驗器材和場地的限制，每個學生的操作時間有限，往往只能按照實驗大綱的要求匆匆做一遍，學生的理解大多停留在走馬觀花的層面。而該實驗結合虛擬仿真技術，突破了硬體條件的限制，不具體規定操作步驟，讓學生根據對所學知識的理解來自主搭建，即便搭建錯了也沒關係，系統會提示，允許學生多次嘗試。上述過程更接近於實際工程設計的流程。通過讓學生自己選擇構件類型並動手搭建成結構體系，反覆摸索並總結廠房鋼結構體系的構成規律，激發學生的學習興趣。而且，還可以藉助3D漫遊技術，培養學生的空間想像力。通過以上訓練，學生普遍反映對單層廠房的體系構成理解更加深刻了，並由此對鋼結構體系有了更清晰的認識，達到了舉一反三的效果。
互動式學習
為了幫助學生加深理解知識、有效解決問題，試驗中設定了多個互動環節。一是在軟體中對於各種構件會有相關原理文字自動同步顯示和語音解說；二是在實驗過程中設定了兩個隨堂測試環節，可以及時檢驗學生對實驗相關知識的理解；三是軟體中設定了交流空間，學生可以隨時通過留言與同學和老師線上交流；最後，在實驗報告中學生可以把實驗的心得寫下來，供教師評分時把握，必要時也可由教師與學生進行線下交流。
綜合性訓練
該實驗在整個教學環節中起到承前啟後的作用。一方面作為大四的學生已經對結構設計理論有了較全面的認識，另一方面還缺乏綜合運用這些知識的能力。該實驗涉及構件、節點、體系以及荷載、回響等多方面結構知識的運用，還鍛鍊了學生的實際操作能力和對設計結果的評判能力，從而為即將開始的畢業設計做好準備。
藉助“搭積木”式的虛擬建造技術，體驗大跨度鋼結構廠房建造全過程，實現從被動學習向主動探究的轉變。實驗中，不是老師手把手教，也不是老師演示學生看，而是讓學生自行從構件庫中選擇所需的構件類型及尺寸，像“搭積木”一樣嘗試搭建單層廠房鋼結構，通過反覆摸索加深認識，激發學生的學習興趣。並且可以藉助3D漫遊技術從不同視角了解結構體系構成及特點，與課堂教學形成相輔相成的關係。這些實驗手段都是傳統教學中無法實現的。
藉助網路平台，實現多層次互動，幫助學生加深理解知識、有效解決問題。在軟體中設有廠房知識學習版塊，對於各種構件會有相關原理文字自動同步顯示和語音解說。此外，在實驗過程中設定了兩個隨堂測試環節，可以及時檢驗學生對實驗相關知識的理解。軟體中還設定了交流空間，學生可以隨時通過留言與同學和老師線上交流。最後，在實驗報告中學生可以把實驗的心得寫下來，供教師評分時把握，必要時也可由教師與學生進行線下交流。
學習預備
知識能力
實驗操作者應：
- 已學習過鋼結構基本原理、結構力學、荷載與結構設計等課程；
- 能夠較熟練操作1-2種結構分析類軟體；
- 已通過生產實習等教學環節對工業廠房有所了解。
預設參數
該實驗所有鋼材均採用Q235B級鋼。實驗預設參數如下：
- 廠房幾何尺寸：縱向長度90m±3m，橫向跨度30m。基礎頂面高度0.0m，柱頂高度22m，牛腿高度16m。鋼屋架端部高度1990mm，跨中高度3490mm。
- 結構形式：鋼柱採用實腹式工字形截面，屋架採用雙角鋼構成的梯形鋼屋架，並與柱頭鉸接或剛接。屋面採用檁條和壓型鋼板構成的輕型屋面，牆面採用牆梁和壓型鋼板構成的輕型圍護結構。屋面不設天窗。
- 荷載參數：布置兩台50t中級工作制橋式吊車。屋面活荷載不考慮積灰荷載和上人荷載，但需考慮雪荷載和懸掛荷載，具體荷載取值見下面分組。所有構件自重由程式自動考慮。
第一組：7度設防（0.10g），設計地震動分組為第一組；基本風壓0.55kN/m，B類地貌；保溫材料自重0.2 kN/m，雪荷載0.45 kN/m，懸掛荷載0.2 kN/m。
第二組：8度設防（0.20g），設計地震動分組為第一組；基本風壓0.45kN/m，C類地貌；保溫材料自重0.1 kN/m，雪荷載0.4 kN/m，懸掛荷載0.3 kN/m。
第三組：7度設防（0.10g），設計地震動分組為第二組；基本風壓0.65kN/m，B類地貌；保溫材料自重0.1 kN/m，雪荷載0.4 kN/m，懸掛荷載0.3 kN/m。
裝置軟體
該虛擬仿真平台由哈爾濱工業大學與中國建築科學研究院、廈門鳳凰創壹軟體有限公司聯合開發。該平台基於虛擬現實三維互動引擎運行的網路環境，能夠實現大量並行用戶快速下載及構建渲染動態三維互動場景。平台採用虛擬現實技術製作各種具有物理屬性的構件、連線件及三維互動虛擬實驗場景，用戶可根據實驗要求自主操作，達到可身臨其境進行虛擬仿真實驗目的。
平台共包含5個模組：
- 系統登錄及任務確認模組。學生登錄系統，由系統隨機分配實驗參數，包括廠房幾何尺寸及荷載取值等，從而保證每位同學都能夠獨立完成實驗操作。此外，也設定了教師登錄入口，可在後台實時觀察學生操作及分析結果。
- 廠房結構虛擬搭建模組。由學生根據任務書，自行從構件庫中選擇所需的構件類型，並結合之前所學課堂知識確定構件尺寸，按照基礎、鋼柱、屋架、支撐、檁條、屋（牆）面板的順序，依次搭建廠房鋼結構體系。搭建完成後，系統會自動檢查體系完整性，如有缺失會進行提示。
- 三維漫遊模組。可實現對結構三維模型或其部件任意方向旋轉及視點變換的功能，所有部件都可360 度全方位觀看，具有直觀立體、真實互動的效果，並提供三維動畫演示與相關原理文字自動同步顯示和語音解說，方便用戶深度理解實驗內容與原理。
- 廠房結構靜動力分析模組。藉助後台分析軟體對所建造結構進行靜力和動力分析，演示結構特徵回響；結合分析結果，由系統自動生成反饋意見，結合師生線上互動，幫助學生進一步完善設計。
- 實驗報告生成模組。綜合實驗結果、學生實驗心得以及實驗過程中的隨堂測試成績，由系統自動生成實驗報告，由教師根據以上內容給出實驗成績。
該實驗所需硬體設備為一台計算機，Xeon CPU E3-1230 3.3GHZ以上，記憶體8G以上，硬碟500G，獨立顯示卡GTX650以上，顯存2G（建議用nVIDIA）。
運行條件
具體條件 | 具體要求 |
|---|---|
網路條件要求 | 說明客戶端到伺服器的頻寬要求（需提供測試頻寬服務）：>10M，可提供軟體進行頻寬測試 說明能夠提供的並發回響數量（需提供線上排隊提示服務）：1000 |
用戶作業系統要求 | |
用戶非作業系統軟體配置要求 | 需要特定外掛程式：是 外掛程式名稱：hagongda課程外掛程式 外掛程式容量：35M 下載地址：（見該課程“網路要求”部分） 其他計算機終端非作業系統軟體配置要求（需說明是否可提供相關軟體下載服務）：瀏覽器IE9以上，登錄頁面提供軟體下載連結 |
用戶硬體配置要求 | 計算機硬體配置要求：Intel Xeon CPU E3-1230 3.3GHZ以上 ，8G記憶體，硬碟500G，獨立顯示卡GTX650以上，顯存2G（建議用nVIDIA） 其他計算終端硬體配置要求：無 |
用戶特殊外置硬體要求 | 計算機特殊外置硬體要求：無 其他計算終端特殊外置硬體要求：無 |
（註：表格內容參考資料）
考核標準
要求學生在規定時間（2個學時）內完成結構虛擬建造及相關驗算，最終依據實驗報告，從以下四個方面進行考核：
- 體系搭建考核：結構體系是否完整，是否符合大跨度單層廠房結構的幾何穩定性要求，是否滿足使用功能要求，分值30分；
- 結構分析考核：是否有遺漏的荷載工況及組合，結構的內力及變形是否滿足鋼結構設計規範的要求，結構用鋼量是否在合理範圍內，分值為30分；
- 隨堂測試考核：兩次隨堂測試，每次為8道選擇題，主要是結合已完成的實驗步驟，強化相關知識點，兩次總成績為16分；
- 實驗總結考核：包括對廠房構成方式的探討、對結構回響特徵的分析以及對設計進一步最佳化的想法等，分值為24分。
教師簡介
武岳，哈爾濱工業大學土木工程學院副院長、教授、博士生導師，主要研究方向：大跨空間結構、結構風工程、綠色智慧型建造。
劉昌永，博士，副教授、博士生導師、國家一級註冊結構工程師，哈爾濱工業大學土木工程學院建設管理系副主任，主要開展鋼-混凝土組合結構、大型基礎設施施工技術、BIM與智慧建造等方面的教學、科研與社會服務工作。
張文元，男，漢族，1972年生，博士，教授、博士生導師，哈爾濱工業大學土木工程學院鋼木學科組主任，研究領域：結構工程，高層建築鋼結構、工業建築鋼結構、輕型鋼結構。
范峰，博士，教授、博士生導師、長江學者，國家一級註冊結構工程師，哈爾濱工業大學空間結構研究中心主任，土木工程學院鋼結構及木結構學科組副主任。
沈世釗，教授、博士生導師、兩院院士，曾任哈爾濱建築大學校長，致力於大跨空間結構新興領域的開拓，在前沿研究中取得重要成果。
王玉銀，博士，教授、博士生導師、龍江學者特聘教授，中國鋼結構協會鋼-混凝土組合結構分會理事長、哈爾濱工業大學土木工程學院院長、哈爾濱工業大學金屬與組合結構研究中心副主任。
邵永松，博士，哈爾濱工業大學土木工程學院教授、博士生導師，主要研究方向：鋼結構穩定理論、高層鋼結構與輕型鋼結構、鋼結構腐蝕，鋼結構工程檢測與結構評價。
丁玉坤，男，回族，哈爾濱工業大學土木工程學院副教授、博士生導師，主要從事鋼結構方面的教學和科研工作。
周華樟，男，漢族，1979年生，講師、碩士生導師，國家一級註冊結構工程師，主要研究方向：木結構。
