基于VR技术的机场航站楼虚拟仿真教学探索

齐 麟，乔 龙，梅凤清，梁梓博

(中国民航大学，天津 300300)

1 概述

未来高等教育重点是培养技能过硬、实践实用、综合全能的新时代人才，需要不断改进高校教育，适应于未来的发展趋势。而工科的人才更应注重理论与实践结合，培养复合型人才[1-3]。近年来，随着计算机技术的高速发展智慧教育融入高校教育，基于VR技术的各种教学仿真实验已经成为推动高校教学的强大“推手”。特别是在一些特殊的高校，借助于虚拟教学实验，便于拓展学生思维，助力行业发展。

现在各大高校课程多种多样，特别是规划设计类的课程，实践应用性强而且密切联系生产实际，理论教学学生只能够利用所学的机场规划与设计、材料力学、结构力学等理论知识解释实际工程设计过程中的结构失稳和破坏现象，但是在真正的工程实践中，情况错综复杂，单纯的理论是远远不够的，只有“理论+实践”才能更好地解决问题，线上虚拟仿真实验成为最好的实践平台。

2 建设背景

为了满足机场航站区建筑设计能够达到教学和能力培养要求，将数字技术与学习教育结合，强化学生基础理论知识的理解，促进对应教学的发展与提升。利用虚拟现实技术丰富建筑类课程教学提升实践能力，实现以学生为中心，从而使教学过程以“教师传授知识”转变为“学生主动学习知识”的过程[4-5]。通过虚拟实验驱动教学，打破从前“先教后学”的模式，激励学生自主学习创新，实现课堂的部分翻转，最后可以通过航站楼虚拟仿真教学实验进行检测、收集相关反馈意见，符合“新工科”教学改革长远发展的需要，对学校其他设计课程有示范作用。同时虚拟仿真教学，保证学生与机器虚拟物自然交互，能够将设计施工过程在虚拟世界中真实化，获得真实的感受。

机场航站楼的规划与设计是一门理论和实践密不可分的课程，既强调理论知识的复杂性、全面性，又强调培养创造能力、分析能力和解决问题的实践能力。如果配套相关的虚拟仿真实验课程，不仅可以锻炼学生的实践操作能力以及融会理论知识的能力，而且可以极大提高学生对课程的兴趣，更益于学生的深度学习。然而，目前的学习形式单一，对于一些抽象问题很难真正理解。本文借助Unity 3D开发平台构建机场航站楼仿真设计实验，把理论课程知识和实践设计相结合，打破了时间、空间以及“生硬”教学限制，让更多的学生能够培养实践能力，同时提升学生在课堂上的创造活力，优化了相关课程的教学体系。

3 航站楼虚拟仿真

航站楼是机场与外界联络的重要场所，是旅客乘坐飞机的必要场所，在机场中具有非常关键的作用。通过虚拟仿真实验了解航站楼的建设过程，有利于学生理论知识与实践结合，有利于老师上课清晰的传授知识，有利于毕业生快速的融入未来工作。

3.1 教学方法

通过老师课堂理论知识讲解，借助虚拟现实技术把实践操作与实验技能相结合。通过创新的虚拟仿真实验教学，培养学生利用技术手段与所学课程理论基础知识进行开放式设计，训练学生的实践创造能力和分析处理复杂问题的能力。

通过教学实验仿真平台，学生可以自主在仿真实验中布置机场航站楼的功能；可以选择特定的建筑形式与基础，并以此一步一步进行航站楼的布局和结构设计。当然借助平台的辅助，学生可以轻易规划出符合规范的设计方案。基于Unity 3D平台的三维渲染，学生可以即时得到设计方案的效果反馈。虚拟仿真实验教学是与课程内容相辅相成的。一方面，虚拟仿真平台的内容设置与核心课程能够较好形成衔接，易于学生理解且形成考察的知识要点；另一方面，虚拟仿真平台交互界面及其交互方式需要进行精心的设计，为学生提供良好的教学沉浸式体验，学生才既能够按课程规定内容进行学习，又能够在虚拟学习中充分自由发挥，进行设计创作。基于虚拟仿真平台的预设参数，在各个设计步骤提供多种选项，使学生充分理解课程知识点。通过设置不同的内容和功能模块，提高学生自主学习热情，满足不同层次学生的实践创新能力。按不同学生层次开设不同深度的设计项目，如布置钢筋混凝土单向板肋梁楼盖和双向板肋梁楼盖两种设计方案，供学生选择设计。增加建筑结构识图教学环节，完成航站楼建筑结构平法表示的识图仿真教学。

充分考虑教师的教学经验和学生的认知与知识水平，制定合理有效的仿真实验。在机场航站楼虚拟仿真实验教学过程中，保证组织合理，教育教学资源调配合理。教师对机房、电脑、投影、软件、打印机等必要的教学资源进行安排与分配，当好调节者。利用自身丰富的专业知识与教学经验及时给予学生必要的技术指导，在学生遇到困难时提供必要的支持与帮助。

教学通过航站楼仿真实验，探索师生互动、教学、测评一体化的教学互动模式。通过在平台内置的评估系统功能，对学生的设计方案在建筑设计、结构选型、结构设计、规范掌握、施工图设计等方面进行评估，通过反馈评估其综合设计能力。借助仿真平台构建规范设计预评估表单，可支持多人评价及后期的多因子变量分析及数据化分析，力求实现项目设计评价的规范化。

3.2 航站楼仿真教学实验

航站楼的设计与施工过程都需要严密的逻辑步骤，但机场航站楼设计与施工逻辑又是截然不同的。接下来将介绍机场航站楼的设计步骤：

1)航站楼整体规划设计说明。以典型航站楼为例，该机场位于内陆城市郊区，地基存在软土层，航站楼构型为“C”型，由主楼和直段指廊两部分组成。航站楼分为上下两层：到港层和离港层。航站楼到港层(1层)包括贵宾候机区、远机位候机区、迎客区、行李提取区与办公区；离港层(2层)包括普通候机区、办票区、安检区与出发等待区。机场航站楼是通过组合结构形式建立，内部为2层混凝土框架结构，局部有夹层，外部为大跨度空间结构，屋盖选用钢网架结构。网架部分设置两道伸缩缝，与下部混凝土结构伸缩缝的位置基本对应。同时，明确航站楼建设地区地理环境条件、抗震相关参数、荷载参数以及使用规范。

2)布置航站楼地基轴网。轴网的绘制主要便于后期航站楼构型的确定和柱子的放置，同时轴网的布置便于对机场航站楼的内部分区，对航站楼整体构型规划和内部结构的规划。应该注意的是，在规划时建筑中的轴网轴线间距有一定要求，即轴线间隔一般为300 mm的整数倍。

3)布置航站楼柱子。机场航站楼属于大跨度结构，柱子的布置比较严格，基于航站楼的特殊结构，与一般房屋建筑不同。航站楼一般采用“楼套楼”的建筑布局，即航站楼内部结构是混凝土结构，外部再“套上一层钢结构”屋盖。所以，航站楼各个部分柱子材料、尺寸以及截面构型都会有所差异。当然总体来说，与生活中其他建筑物相同，航站楼内部的混凝土部分柱子没有工字型、槽型的，使用结构功能稳定的圆截面柱或者矩形截面柱。

4)布置航站楼内部混凝土结构横梁部分。与常见建筑物的设计一致，混凝土部分梁搭建在柱子上，只有在完成柱子的布置后，才能进行梁的布置。一般地，梁在建筑中必须满足梁跨比(即梁的高度与跨度的比值)要求，但是对于机场航站楼结构的特殊性，现在大部分航站楼采用新型的井字梁代替传统的单梁，以实现机场航站楼内部“大跨度”。

5)布置航站楼内部混凝土结构楼板部分。楼板结构主要用于分散荷载、传递荷载，其结构性能很大程度上决定建筑结构的整体性能。但是，我们不能完全“强楼板弱其他”，楼板厚度与跨度必须满足一定要求，才能保证建筑整体效益最优。

6)航站楼内部混凝土结构部分特殊结构处理。特殊结构包括楼梯口、电梯口以及墙洞等。对于结构进行开洞对整个结构的影响很大，容易出现应力集中现象。另外对于设计而言，我们只是需要知道结构的最终受力情况以及其他性能，所以在检验楼梯对于整个建筑结构的影响时，只需要通过荷载形式即可，并不需要实物。

7)布置航站楼屋盖。航站楼屋盖结构为了保证跨度的要求可以采用网架、网壳、桁架、张弦梁、张拉膜以及其他新颖的大跨度结构。各种结构性能差异较大，网架、网壳以及桁架结构性能较稳定，但由于全国各地域差异，为展现“人文智慧”采用各种新颖的屋盖结构。

8)设置航站楼屋面板、玻璃幕墙。屋面板和玻璃幕墙的设置使得航站楼设计更加完善，更符合真实情况，避免设计过程中出现的偶然与不足。

9)施加荷载。主要考虑航站楼中的静荷载与动荷载。其中静荷载主要包括楼板、楼梯、屋面以及玻璃幕墙自重荷载。动荷载主要是风荷载、地震荷载以及雪压荷载等。

10)布置航站楼地基基础。机场航站楼的设计与施工步骤主要差异在于对地基的处理，施工过程肯定是以地基处理开始，然后一步一步完成航站楼的施工。然而航站楼的设计是对上部的设计完成后，最后对航站楼的地基基础进行验算，进而完成航站楼的设计。不容置疑航站楼地基基础的设置是最为关键的一步，只有地基基础承载力满足要求，整个设计才是安全合理的。

根据航站楼的设计步骤，通过VR技术，基于Unity 3D平台开发机场航站楼设计仿真实验，在完成机场航站楼虚拟仿真设计实验的UI设计，航站楼模型的制作与开发，航站楼的程序脚本搭建、功能开发及交互逻辑优化后，最终完成机场航站楼设计仿真实验的开发。下面将简单介绍实验过程。

首先，点击进入航站楼设计仿真实验模块，熟悉相关基础操作就可以开始动手实践航站楼设计建造过程，界面如图1所示。

仿真实验主要是通过一步一步的实践操作，通过动画形式将理论知识形式化，让枯燥无味的课堂变得生动有趣。在进入具体机场航站楼实践设计操作界面后，学生需要根据航站楼的设计逻辑，一步步的完成航站楼设计。主要包括了解设计概况，布置轴网(确定航站楼构型)，布置柱子、梁、楼板以及特殊结构，设置屋盖结构，布置屋面板、玻璃幕墙，完成航站楼地基基础设计等，界面如图2～图4所示。

值得一提的是，为了增加机场航站楼虚拟仿真设计实验的乐趣，在设计仿真实验过程中增加一些理论考核题目，一步步引导学生完成机场航站楼的设计操作，进而可以将课堂上的理论知识融入实验中。界面如图5所示。

最终通过老师在课堂上的理论知识讲授，对学生知识体系框架进行构建。之后通过进入实验室虚拟仿真的实践操作，完成线上线下课程的搭配学习，实现“理论+实践”的结合，节约教育成本的同时，加深了课程的深度与趣味。同时线上机场航站楼虚拟仿真实验具有重要的实践教改意义：

1)新的教学组织形式。将“创新、实践、分享”的理念与课程教学相结合，基于项目任务进行教学组织，通过教学仿真实践培养学生的创新思维，使学生在掌握实际操作能力的同时培养创新意识、创造能力和创新思维，实现“在创造中学习”。

2)体验式虚拟仿真教学。教学过程中做到线上线下虚实结合、以学生为主体。基于机场航站楼设计仿真实验平台，利用仿真模拟软件、建筑结构和构造模型、施工工艺和动画模拟，加强对学生创新思维能力和动手实践能力的锻炼与培养。

3)准确的教师定位。教师是教学的第一实践者，承担为学生提供必要指导的责任。在项目组学生分工合作的过程中发挥引导与鼓励作用，形成良好的合作氛围，当好指导者。

4)新的评价方法。通过仿真实验平台教师的评价与反馈，可以评测学生对课程内容及设计要点的理解，同时促进了课程教学的全面性、客观性和准确性。

然而，在此实验教学中仍有许多不足，包括实验教学时间有限、设备资源有限等。后期可以通过增加对仿真实验教学资源的加大投入，以保证问题的缓解，同时为解决时间限制问题，学校可以加大对仿真实验室的开放程度，打破时间界限。

4 结语

通过运用Unity 3D等设计开发工具，机场航站楼虚拟仿真设计实验可以实现在机器与人思维的交互碰撞，完成设计。学生可以在仿真实验环境中反复进行设计，巩固课程理论知识，提高学生自主学习的能力，同时仿真实验操作简单，学生能够轻松上手。通过机场航站楼设计仿真实验的成功示范，学校内其他设计专业课程也可以逐步实践，进一步促进工科专业线上线下混合教育改革的深入实施。