数字孪生融入高等混凝土结构学课程的应用探讨

刘世明1,2，陈贡联1,2，李尚宇1,2，陈震1,2，李晓克1,2

华北水利水电大学土木与交通学院，河南郑州；450045

摘要

随着智能建造技术被列入《“十四五”建筑业发展规划》重点发展方向，数字孪生作为连接物理空间与虚拟空间的核心工具，正推动土木工程教育向数字化深度转型。本文以高等混凝土结构学课程为载体，系统探讨数字孪生技术在教学设计、实验仿真和工程实践中的应用模式。通过构建“理论—模型—仿真—反馈”一体化教学框架，解决传统课程中结构行为可视化不足、时变过程难量化、复杂工况难验证三大痛点。实践表明，该模式可显著提升研究生对复杂混凝土结构全生命周期性能的认知深度，助力复合型创新人才培养。

关键词

高等混凝土结构学；数字孪生；教学改革；智能建造；虚实交互

正文

项目名称：土木水利高等混凝土结构学

项目编号：YJS2025JC01

项目类型：河南省研究生教育改革与质量提升工程项目

1 引言

高等混凝土结构学是土木工程和土木水利研究生核心课程，传统教学依赖理论推导与简化模型，学生对超限结构非线性行为、耐久性退化等宏观抽象概念理解存在瓶颈。而数字孪生技术通过实时同步实体结构与其虚拟映射，为结构响应可视化、损伤过程动态推演提供了技术支撑。将数字孪生融入课程教学，符合新工科“交叉融合、实践创新”的要求。

2 数字孪生技术教育适配性分析

2.1 技术特征与课程痛点对应

采用数字孪生技术可以解决如下课程痛点：首先，通过动态映射解决时变行为教学盲区（如收缩徐变、疲劳累积损伤）；其次，通过多源融合集成BIM模型、传感器数据与力学仿真（ANSYS/ABAQUS）,解决机理分析与展示问题；最后，通过模拟灾害工况下结构失效路径（地震、火灾）等进行高等结构的预测预警。

2.2 数字孪生技术教学价值矩阵

通过数字孪生技术后，在高等混凝土结构学课程方面的价值见表1。由表1可知，相较与传统授课缺陷，在构造认知效率、机理描述、成本和周期方面具有显著的优势。

表1 数字孪生技术教学价值

项目	传统授课缺陷	数字孪生赋能方案
构造认知效率	二维图纸静态展示	三维BIM模型交互操作
机理描述	简化公式预测承载力	实时荷载-响应曲线动态生成
实验成本和周期	试验成本高周期长	参数化虚拟试验平台

3 课程融合路径设计及面临的挑战

3.1 模块化知识重构

采用数字孪生技术，构建高等混凝土结构学“五阶螺旋式”知识模块应包括以下基本内容基础层（元模型构建、数据驱动机制等数字孪生理论模块）、技能层（BIM轻量化建模、传感器布置策略等）、核心层（混凝土损伤本构模型开发）、融合层（多源数据同步转换系统）和创新层（机器学习优化设计）等。

3.2 典型教学案例设计
（1）案例1：大跨预应力混凝土梁数字孪生体构建

建立大跨预应力混凝土梁案例的主要步骤包括：1）采用Revit建立参数化BIM模型；2）导入MATLAB生成预应力损失优化函数；3）Unity引擎开发裂缝发展AR可视化模块；4）现场监测数据驱动模型自修正。

（2）案例2：氯离子侵蚀下混凝土耐久性演化预测

建立大跨预应力混凝土梁案例的主要步骤包括：建立扩散-反应耦合数学模型；COMSOL多物理场仿真可视化离子浓度梯度和预测不同保护层厚度的服役寿命衰减曲线。

3.3 实施数字孪生技术所面临的挑战

目前阶段实施数字孪生技术所面临的挑战包括：跨学科师资培养滞后（需掌握物联网、数据科学等技能）；教学平台建设成本较高（一台工作站≥20万元，5G工业网关≥5万元）和虚实数据接口标准化缺失。

4 结论

数字孪生技术为高等混凝土结构学课程提供了沉浸式认知环境，其“感知-分析-决策”的技术闭环与学生“认知-实践-创新”的能力培养形成深度契合。未来需加强校企协同实验室建设，开发轻量化教学专用数字孪生平台，推动课程与智能建造产业需求同步进化。

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