教学改革与科学研究

（1）教学改革立项、进展、完成等情况

自然通风是建筑被动式设计的一项重要内容，也是建筑节能的关键。其中，太阳能热压通风就是一种将太阳能这一可再生能源应用到建筑通风的一种节能、低碳、绿色的技术。其原理是利用太阳光热效应在建筑中产生局部热压，驱动室内气体流动，通过合理的建筑设计，在建筑中形成有组织的自然通风，不仅可以代替机械通风换气，还可以在某些情况下降低室内温度，改善室内舒适性。因此，建筑设计中考虑太阳能热压拔风效应具有非常好的社会和环境效益，应在教学中予以突出。本次开发的建筑热压拔风效应虚拟仿真实验教学项目，发挥计算机流体动力学技术和虚拟仿真技术的优势，通过生动、形象的虚拟流场模拟仿真自然通风的实体实验，避免了实体实验在空间、成本和技术方面的困难，有助于改善自然通风的教学效果，激发学生学习兴趣和潜能，增强学生创新设计能力，调动建筑节能设计的积极性。

钢筋混凝土实验通过对钢筋混凝土构件性能测试基本方法、测试装置的工作原理等知识的讲授、应变片和位移计等测试仪器的安装操作以及实验现象的观察和挠度、力、裂缝等实验数据的测试和整理等环节，要求学生了解钢筋混凝土梁正截面抗弯、斜截面抗剪等破坏的全过程，掌握钢筋混凝土构件的力学机理和几种不同的破坏形式，熟悉混凝土构件试验研究的方法，并得到试验基本技能的训练。本虚拟仿真实验系统拟开发一套软件能实现钢筋混凝土构件加载试验的三维实景模拟，实验过程的仿真，针对矩形截面混凝土梁、柱构件，程序采用三维虚拟仿真建模形式，模拟各种钢筋混凝土梁、柱的外形及配筋，模拟各种加载及测试设备，再现各种构件的裂缝发生和开展以及构件的整体和局部变形。具有真实立体、演示生动、便于人工控制等特点，将课堂上抽象的知识形象化，克服了实际做实验时费时、费力的缺点。引入本虚拟仿真实验系统后，本课程将采用线上和线下相结合的教学模式，实现虚拟仿真课前预习－实体实验－课后进行其它构件的虚拟仿真实验，全面提高学生的参与度和满意度。钢筋混凝土结构虚拟仿真实验平台开发分为两期，第一期开发钢筋混凝土梁正截面受弯试验，包括适筋梁、超筋梁、少筋梁三种构件，以及实验管理和考核系统两大部分；第二期开发钢筋混凝土梁斜截面受剪试验、钢筋混凝土柱受偏压试验，包括剪压破坏、斜压破坏、斜拉破坏、柱大偏压破坏、柱小偏压破坏等五种构件。第一期开发的软件已经在2017年秋冬学期的实验课程中试用，在2018年秋冬学期的实验课程中正式投入使用。第二期开发包括网络版的开发从2019年3月到2019年8月历时五个月。目前平台开发包括客户端版和网络版已全部完成，全部投入使用。截至目前共有468名学生使用该教学系统，实验教学效果良好，学生好评如潮。

超重力离心模拟试验是指在超重力环境下开展的各类试验，指在超重力离心机营造的人工超重力环境中开展的多相介质物质运动试验。超重力试验主要包括两大类：一类研究极端超重力场中物质运动新现象和新规律，如超重力环境下合金材料的高通量制备，其试样即为要制备成的材料；另一类基于超重力效应和相似理论研究常重力场中多相介质物质大时空运动过程，试验模型即为缩尺模型。在现有的培养方案中，关于超重力离心模拟的概论、理论基础及工程应用等尚较少提及，目前并没有专门针对超重力离心模拟的系统性课程。本虚拟仿真实验系统拟从超重力离心模拟原理、离心机试验过程、超重力离心模拟应用三个层次对超重力离心模拟进行演示和模拟。本课程的相关知识点将把超重力离心模拟的基本概念、功能及应用，结合虚拟仿真展示给学生，给学生更加直观和近距离的体验和认识，对提高学生对科学或工程问题的认识、增强学生实验能力、拓展知识面有着巨大的促进作用。

结构力学课程借助虚拟实验，能直观反映结构受力变形机理及计算原理的虚拟仿真实验体系，或虚实结合的仿真与演示试验装置，并应用于教学实践，变纯理论为理论与机理性实验结合。结构力学虚拟仿真实验体系建设包括6各环节：几何瞬变与常变体系变形或变位仿真模拟子系统、静定结构传力路径虚拟仿真子系统、拱和曲梁受力变形机理仿真演示实验子系统、机动法作静定结构影响线虚实结合演示实验子系统、支座移动作用下梁和刚架位移图线生成全过程虚拟实验子系统、荷载作用下超静定结构受力变形特性仿真模拟子系统。2017年度进行了项目调研，收集相关资料，制定详细的项目实施方案和技术路线，完成了课程建设逐项内容的前期准备工作，前三个模拟子系统的实际工作也已完成。结构力学虚拟仿真针对课程中的重点和难点问题，构建以问题为导向，体现结构受力变形特性，反映结构分析原理，具有机理性、过程性和学习辅助性的轻量型手机与电脑兼容虚拟仿真系统。其手机APP轻量系统可以随时随地操作演练并且兼备电脑端操作功能,便于课堂课后演示互动。课程平台含自动演示、手动操作、原理分析等功能，可连续改变参数，可设置单一或组合参数。经过两年多的建设，项目已完成7个仿真模块的设计、APP开发和多轮的测试工作，已设计开发了完整的Android手机APP系统一套、相应的电脑版兼容运行系统一套。包含5个模块的该系统第一版，自2018年9月开始在本校秋冬学期的结构力学课程教学中全面使用；2019年12月，包含7个模块的系统更新版开始应用于教学，并提供了在线运行、学习和下载等功能。

大型深基坑工程虚拟仿真教学系统主要分为三大模块：一是基坑实景漫游及基本概念学习；二是基坑支护方案虚拟设计与施工；三是远程监控及数据分析。根据不同的授课对象及学生学习的不同阶段，开放相应的模块供学生学习体验。基坑实景漫游及基本概念学习模块目前已有两个方案备选。第一个方案是采用类似游戏过关晋级，先易后难，从最基本的简单放坡、土钉墙等基坑围护形式入手，慢慢深化到悬臂式围护结构、撑锚式围护结构等。在每一个级别关卡里，学生可以通过操控手柄进行相关操作，可以身临其境的感受基坑支护结构的具体形式，并熟悉相应的基本概念。通过在体验过程中实时互动答题，强化学生对该种围护结构基本概念的学习，全部回答正确者可以进入下一关。这种体验式学习，可以使学生在类似游戏过关中轻松掌握基坑围护结构的基本概念，教师可以根据学生体验过程的时间、漫游过程等，对学生进行考核。第二种方案采用角色扮演的形式。先让学生扮演实习生的角色，通过3D仿真施工动画来向学生教授不同基坑围护形式的应用知识。这种方式不仅能够让学生对各种基坑围护形式形成更加直观的印象，还能强化学生对课程重点知识点的记忆和理解。施工动画结束后，学生的角色也相继发生改变，从实习生变为项目主管。此阶段要求学生将上个阶段所学到的知识应用到实践中，去指导“实际工程”。

基坑支护方案虚拟设计与施工模块是本系统的核心，具体包含以下模块和步骤：第一步是建立数据交互式输入子模块。在这个模块中，学生可以输入岩土体基本物理力学指标参数、基坑的平面形状和尺寸、开挖深度等，然后选择合适的基坑围护形式，具体可分为：简单放坡、土钉墙、重力式、排桩、地下连续墙以及双排桩等。同时根据基坑的周围环境，确定各变形量控制指标。第二步是调用理正深基坑或者启明星软件对基坑的变形量及稳定性进行验算，如果各项验算都能通过，则把计算结果反馈填写到虚拟设计系统里；如果验算不满足，则要调整围护方案再进行验算，直至满足为止。第三步是施工全过程模拟。在既定的场地参数下，首先生成三维空间场地，然后根据选定的围护方案模拟具体的施工过程，如围护桩施工，加支撑以及土方开发等，可以让学生全方位了解基坑施工的全过程。

远程监控及数据分析模块可以让学生体验基坑施工对围护结构及周围环境的影响情况。首先根据选定的具体项目，建立基坑工程场地及围护结构三维空间模型；然后根据现场实际施工进度进行虚拟开挖，并把现场监测数据输入系统。系统则根据输入的位移、应力等数据把围护结构和周围环境的变化直观模拟出来，形成直观的图形或者表格，并和预设的监测预警指标进行比对，如果发现实测值大于所设定的安全监控指标后，将启动报警程序。学生也可以自己假设不同阶段的监测值进行虚拟体验，对应不同的监测项目超标则启动不同的虚拟破坏模式，给学生以切实震撼的体验。

桥梁工程虚拟仿真实验课程针对室内实验无法模拟，不具备相关的实验装备及条件；进行模拟实验成本过高；现场学习只能观察到桥梁施工的某个特定阶段，无法了解整个施工期等实际情况，建设虚拟仿真实验。以拱桥施工及监测的全过程为研究平台，结合3D建模、计算机网络、动画模拟、人机交互等手段，以二维和三维结合的方式，逼真展示桥梁的施工过程、施工监控、健康监测、灾害模拟等环节，展示内容包括桥梁施工过程的动画，施工中的应力应变挠度变化，运营阶段的应力应变挠度变化等健康状况以及遇到极端灾害（如地震、船撞等）时的动画效果和此时的内力监测结果。该虚拟仿真实验期望达到与有限元分析软件进行对接、实现桥梁健康监测、模拟偶然荷载等效果。该虚拟实验还提供实验教务管理功能、实验教学管理功能、实验前理论学习功能、实验报告管理功能、实验成绩统计查询等功能、支持多网站编辑等。该课程目前一期建设已经完成，包括桥梁工程的基础知识和某拱桥施工的全过程，该部分预计19年初投入虚拟仿真课堂使用，可帮助学生掌握在桥梁建设过程中的重要知识点。

建筑风环境分析对象是大尺寸的建筑或建筑群，以及变化无常的各种气象条件（如风、热和辐射），使得实际实验的设计非常复杂，成本也非常高，多数情况下，实验条件无法实现和复制，因此传统的现实实验难以开展。而虚拟仿真实验是一个很好的替代方案，利用计算流体动力学技术，借助计算机进行虚拟仿真建筑（群）的环境。建筑环境虚拟仿真实验课程共包括4个实验内容：建筑布局对月牙楼周边路面风环境的影响、月压楼中庭对中庭内房间自然通风的影响、景观湖水对减缓城市热岛效应的作用、城市通风廊道布局对城市污染物扩散的影响。该项目共分两期建设：第一期包括风环境的两类实验项目，即建筑风环境和建筑通风，第二期包括建筑热环境实验项目和污染物扩散实验项目。2018年已完成了第一期建设课程软件的框架和4个实验内容中的2个实验：室外风环境和室内侧风环境。

（2）科学研究等情况

中心顾问陈云敏主持的国家重大科技基础设施“超重力离心模拟与实验装置”项目通过初步设计和概算批复，取得建筑工程施工许可并于2019年11月18日启动开工建设。2019年承担科研项目/课题包括面上项目、重点项目、优秀青年基金等。获国家发明专利100余项，SCI收录文章200余篇。同时承办多项大型会议

表1.承办大型会议情况

序号	会议名称	主办单位名称	会议主席	参加人数	时间	类型
1	第十一届南中国海海啸国际研讨会	浙江大学建筑工程学院	刘海江	100余人	2019年10月27至29日	全球性
2	2019亚洲力学会议	中国力学学会和北京国际力学中心	杨卫	137人	2019年8月24日至27日	区域性
3	第14届中日韩国际风工程学术研讨会	中国土木工程学会风工程专业委员会、日本风工程学会和韩国风工程学会	楼文娟	60人	2019年3月29日至31日	区域性
4	第三届全国青年工程风险分析和控制研讨会	中国土木工程学会工程风险与保险研究分会	吕庆	130余人	2019年8月9日至10日	全国性
5	西湖论坛	中国工程院土木、水利与建筑工程学部、中国土木工程学会土力学及岩土工程分会、浙江省科学技术协会、浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心	龚晓南	168人	2019年10月18至20日	全国性

注：主办或协办由主管部门、一级学会批准的会议。请按全球性、区域性、双边性、全国性等排序，并在类型栏中标明。