第八节：建筑基础构造认知虚拟仿真实验
一、实验背景
随着建筑行业数字化转型的加速，传统建筑学基础教育中"重理论、轻实践"的弊端日益凸显。在传统教学模式中，学生因场地限制、材料消耗、施工安全风险等因素，难以完整参与实体房屋建造的全流程实践。尤其对于民居建筑这一承载地域文化与功能需求的载体，其建造过程涉及基础构造、结构体系、空间功能等多维度知识融合，仅通过二维图纸和课堂讲解难以实现深层次认知。虚拟仿真技术通过三维建模、动态交互和实时反馈，能够突破物理条件限制，还原真实建造场景，成为建筑教育革新的重要工具。
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认识与了解 虚拟仿真实验
案例学习：传统建筑遗产测量虚拟仿真实验
案例学习：房屋勘察系统虚拟仿真实验
二、实验名称：《建筑基础构造认知虚拟仿真实验》
三、实验原理：
本实验以“认知-实践-迭代”为核心逻辑，基于虚拟仿真技术的沉浸性、交互性与系统性特征，构建符合建筑学认知规律的数字化实践框架。其原理设计围绕以下三个维度展开：
1.理论基础：建筑构造认知的数字化映射
通过虚拟环境中的主动操作（如构件拼装、工序调整），引导学生从“被动接收”转向“动态建构”，在模拟真实建造的试错过程中，自主构建对基础构造层级关系、力学逻辑与工艺标准的认知体系。利用三维可视化，将抽象的建筑力学知识转化为具象的空间操作体验，通过“手脑协同”强化对构造原理的具身化理解。
实践操作学习：建筑虚拟仿真实验操作（大连市城市馆）
2.技术实现：全流程建造场景的虚拟重构
基于SketchUp软件建立地基、墙体、梁柱等构件的模型库，支持材料属性（强度、密度）、几何尺寸的动态调整。通过事件驱动机制设定建造顺序规则（如“先基础后主体”），若违反工序则触发警示（如墙体倾斜动画），强化工程规范意识。
3.认知机制：知识迁移与能力转化的闭环设计
遵循“构件单元→子系统→整体系统”的认知规律，实验分为三个阶段：微观解析：单构件功能认知（如柱梁基础的截面尺寸与承载力关系）；中观整合：子系统协同验证（如基础-墙体-楼板的荷载传递模拟）；宏观调控：全流程建造优化（调整材料、尺寸参数以平衡经济性与安全性）。
四、实验目的 ：
1.通过虚拟建造流程，帮助学生将建筑构造、结构力学等理论知识具象化，理解柱、梁、板、墙等承重构件的力学传递关系。
2.从地基开挖到门窗安装，逐层解析民居建筑的构造层次，掌握不同构件的功能定位、材料属性与施工工艺标准。
3.通过模拟建造顺序与工序衔接，建立"基础承载→结构支撑→围护整合"的系统性工程逻辑，强化空间组织与功能协调能力。
4.在虚拟环境中模拟常见施工隐患（如基础沉降、墙体失稳），引导学生理解建筑规范与安全设计的底层逻辑。
五、实验步骤：
交互性操作步骤说明：共 10 步
序号 | 步骤名称 | 步骤目标 要求 | 步骤合理用时（分钟） | 目标达成度 赋分模型 | 步骤满分 | 知识点 |
具体如下：
| 1 | 地基构建 | 软件建模房屋地基土层，模型尺寸符合规范 | 15 | 占总目标达成度10% 满分10，未达成不得分，操作报错会扣分 | 10 | 了解地基的基础概念、种类以及荷载情况，地基是建筑物荷载传递的第一环节，其稳定性决定整体结构安全。 |
| 2 | 基础构建 | 软件建模房屋基础承重构建，模型尺寸符合规范 | 15 | 占总目标达成度10% 满分10，未达成不得分，操作报错会扣分 | 10 | 通过三维虚拟仿真技术对基础的学习，使学生了解基础设计的要点，基础设计需综合考虑上部荷载、地基条件和经济合理性。 |
| 3 | 柱体构建 | 在基础上建模柱体，模型尺寸符合规范 | 15 | 占总目标达成度10% 满分10，未达成不得分，操作报错会扣分 | 10 | 通过三维虚拟仿真技术对柱体的学习，使学生了解柱体的截面尺寸。柱体作为主要竖向承重构件，其截面尺寸直接影响结构安全性。 |
| 4 | 梁体构建 | 在柱体上搭建房屋梁体，模型尺寸符合规范 | 15 | 占总目标达成度10% 满分10，未达成不得分，操作报错会扣分 | 10 | 通过三维虚拟仿真技术对梁体的学习，使学生了解梁体的受力、功能。梁体承担楼面荷载传递功能，需满足抗弯和抗剪要求。 |
| 5 | 楼板构建 | 梁体上建模房屋楼板，模型厚度符合规范 | 15 | 占总目标达成度10% 满分10，未达成不得分，操作报错会扣分 | 10 | 通过三维虚拟仿真技术对楼板的学习，使学生了解楼板的荷载以及厚度。楼板设计需同时满足刚度、强度和耐久性要求。 |
| 6 | 墙体构建 | 柱体之间建模房屋楼板，模型尺寸符合规范 | 15 | 占总目标达成度10% 满分10，未达成不得分，操作报错会扣分 | 10 | 通过三维虚拟仿真技术对墙体的学习，使学生了解墙体的厚度、用途。墙体既是围护结构，也是抵抗水平荷载的重要构件。 |
| 7 | 预留门、窗洞口构建 | 楼板中建模门窗的洞口，开口尺寸符合规范 | 15 | 占总目标达成度10% 满分10，未达成不得分，操作报错会扣分 | 10 | 通过三维虚拟仿真技术对门窗洞口的学习，使学生了解门窗洞口的尺寸。洞口周边需采取构造措施补偿墙体强度削弱。 |
| 8 | 坡屋面构建或平屋面构建 | 梁体最上层建模坡屋面或平屋面，屋面尺寸符合规范 | 15 | 占总目标达成度10% 满分10，未达成不得分，操作报错会扣分 | 10 | 通过三维虚拟仿真技术对屋面的学习，使学生了解坡屋面、平屋面的差异、排水性能。屋面形式选择需综合考虑气候条件和使用功能。 |
| 9 | 门窗安装构建 | 门窗的洞口中建模门窗，尺寸符合规范 | 15 | 占总目标达成度10% 满分10，未达成不得分，操作报错会扣分 | 10 | 通过三维虚拟仿真技术对门窗的学习，使学生了解门窗安装流程。门窗安装质量直接影响建筑使用功能和能耗表现。 |
| 10 | 检查与修正 | 检查整体房屋模型尺寸，并且修正其错误的结构与尺寸数据。 | 45 | 占总目标达成度10% 满分10，未达成不得分，操作报错会扣分 | 10 | 使学生了解虚拟检测流程，通过虚拟检测可有效预防施工阶段的构造冲突问题。 |
六、实验考核要求
1.操作规范性
能正确使用虚拟软件（如建模流程、尺寸设置等）遵守建模的操作流程。操作过程中无违规行为（如尺寸规范问题等）。
2.任务完成度
完整完成指定模型的建模任务，建模环节符合尺寸要求（精度、表面质量、合理性），任务完成时间合理，无超时或遗漏步骤。
3.实验报告
报告结构完整，包含实验目的、流程记录、数据分析、问题总结，对建模过程中的关键步骤和尺寸参数选择进行理论分析，对实验中遇到的虚拟设备操作问题提出改进方案。
4.实验态度
按时参加实验，全程专注参与，主动记录实验数据，积极与教师或同学讨论疑难问题。
