2019年度国家虚拟仿真实验教学项目申报表

学 校 名 称 华南理工大学

实 验教 学 项目 名 称 钢筋混凝土板的设计性虚拟

仿真耐火实验

所 属 课 程 名 称 建筑结构抗震与防灾

所 属 专 业 代 码 081001

实验教学项目负责人姓名 吴波

有 效 链 接 网 址 http://jtxy.scut.owvlab.net/vlab/gjhntb.html

教育部高等教育司 制

二〇一九年七月

填写说明和要求

1. 以 Word 文档格式，如实填写各项。

2. 表格文本中的中外文名词第一次出现时，要写清全

称和缩写，再次出现时可以使用缩写。

3. 所属专业代码，依据《普通高等学校本科专业目录

（2012 年）》填写 6 位代码。

4. 不宜大范围公开或部分群体不宜观看的内容，请特

别说明。

5. 表格各栏目可根据内容进行调整。

1.实验教学项目教学服务团队情况

1-1 实验教学项目负责人情况

姓 名 吴波 性别 男 出生年月 1968年 10月

学 历 研究生 学位 博士 电 话 020－87114274

专业技

术职务

教 授

博 导

行政

职务院长 手 机 13002045156

院 系 土木与交通学院土木系 电子邮箱bowu@scut.edu

.cn

地 址 广州市天河区五山路 381号 邮 编 510640

教学研究情况：主持的教学研究课题（含课题名称、来源、年限，不超过 5项）；作为第一署名人在国内外公开发行的刊物上发表的教学研究论文（含题

目、刊物名称、时间，不超过 10项）；获得的教学表彰/奖励（不超过 5项）。

教学研究课题

1.土木工程重点专业，广东省高等学校重点专业建设项目，2017

2.土木工程卓越全英建设，“中央高校教育教学改革专项资金”支持项目，

2017-2019（每年）

3.土木工程本科生国际交流项目，“中央高校教育教学改革专项资金”支持项

目，2017-2019（每年）

教学表彰/奖励

1.以工程教育认证为驱动的土木工程一流本科专业建设，华南理工大学教学成

果特等奖，2019

2.新世纪土木工程专业教学改革的研究与实践，华南理工大学教学成果一等

奖，2010

3.2018 年“创青春”浙大双创杯全国大学生创业大赛金奖（指导老师奖）

4.2018 年第四届中国“互联网+”大学生创新创业大赛银奖（指导老师奖）

学术研究情况：近五年来承担的学术研究课题（含课题名称、来源、年限、本

人所起作用，不超过 5项）；在国内外公开发行刊物上发表的学术论文（含题

目、刊物名称、署名次序与时间，不超过 5项）；获得的学术研究表彰/奖励

（含奖项名称、授予单位、署名次序、时间，不超过 5项）

学术科研课题

1.再生混合混凝土构件制备与应用关键技术（2017YFC0703303），国家重点

研发计划课题，2017.09～2020.12，176万元，主持

2.废弃混凝土高效循环利用的基础理论与方法研究（51438007），国家自然科

学基金重点项目，2015.01～2019.12，360万元，主持

3.再生块体混凝土及其部分预制组合柱的力学性能深化研究（51778240），国

家自然科学基金面上项目，2018.01～2021.12，74万元，主持

学术论文

1. Wu B, Jin H M. Compressive fatigue behavior of compound concrete containingdemolished concrete lumps. Construction and Building Materials, 2019, 210: 140-156

2. Wu B, Yu Y, Zhao X Y. Residual mechanical properties of compound concretecontaining demolished concrete lumps after exposure to high temperatures. FireSafety Journal, 2019, 105: 62-78

3. Wu B, Zhang Q, Chen G M. Compressive behavior of thin-walled circular steeltubular columns filled with steel stirrup-reinforced compound concrete.Engineering Structures, 2018, 170: 178-195

4. Wu B, Li Z, Chen Z P, Zhao X L. Tensile-splitting behaviors of compoundconcrete containing demolished concrete lumps. Journal of Materials in CivilEngineering, 2018, 30(3): 04018014

5. Wu B, Xiong W, Liu F T. Fire behaviours of concrete columns with prior seismicdamage. Magazine of Concrete Research, 2017, 69(7): 365-378

学术研究表彰/奖励

1.废旧混凝土再生利用关键技术及工程应用，国家科技进步二等奖，排名 1，2018

2.混凝土结构耐火关键技术及应用，国家科技进步二等奖，排名 1，2014

3.再生混合混凝土结构关键技术及工程应用，教育部高等学校科技进步一等

奖，排名 1，2016

1-2 实验教学项目教学服务团队情况

1-2-1 团队主要成员（含负责人，5人以内，）

序号 姓名 所在单位专业技术

职务行政职务 承担任务 备注

1 吴 波华南理工大学

土木与交通学院教 授 院 长

项目

总负责

2 熊 焱华南理工大学

土木与交通学院副教授

防灾减灾

子实验主任

项目设计

开发与

实验教学

3 季 静华南理工大学

土木与交通学院教 授 副院长

项目设计

开 发

4 侯 爽华南理工大学

土木与交通学院副教授

结构实验

室副主任

实验教学

辅 助

5 赵新宇华南理工大学

土木与交通学院副教授

结构耐火

实验室主任

实验教学

辅 助

1-2-2 团队其他成员

序号 姓名 所在单位专业技术

职务行政职务 承担任务 备注

1 臧建波华南理工大学

土木与交通学院博士生

实验教学

辅助

2 赵国伟华南理工大学

土木与交通学院硕士生

实验教学

辅助

3 曹 燕北京润尼尔数字

科技有限公司工程师 技术支持

4 吴远淦北京润尼尔数字

科技有限公司工程师 技术支持

5 王云昊北京润尼尔数字

科技有限公司工程师 技术支持

6 张煦博北京润尼尔数字

科技有限公司工程师 技术支持

项目团队总人数：11（人）高校人员数量：7（人）企业人员数量：4（人）

注：1.教学服务团队成员所在单位需如实填写，可与负责人不在同一单位。

2.教学服务团队须有在线教学服务人员和技术支持人员，请在备注中说明。

2.实验教学项目描述

2-1 名称

钢筋混凝土板的设计性虚拟仿真耐火实验

2-2 实验目的

火灾是威胁公共安全的一种主要灾害形式，每年都给人类带来重大损失。

我国每年发生建筑火灾 15万起，直接财产损失 1.6亿元。因此，积极探索建

筑结构耐火性能及抗火设计方法，加强建筑结构的抗火能力，确保建筑结构

抗火安全性能具有重要意义。

我国现行规范规定楼板作为确定耐火极限等级的基准。钢筋混凝土楼板是

目前最普遍、应用最多的一种结构形式。因此，本教学团队在本科生“建筑结

构抗震与防灾”课程中开设了“火灾害及结构抗火设计”专题，并于 2006年在

国内率先开展了“钢筋混凝土板的耐火性能实验”教学。该教学活动获得学生

和业界的一致好评，国内多所高校教师前来学习取经。

十余年的实体实验教学中，我们也发现了一些问题：学生在进行钢筋混凝

土楼板的抗火设计及其耐火实验时，往往因为考虑问题不够仔细周全，楼板

的设计耐火极限和实验结果有较大偏差，甚至出现错误；由于从楼板设计到

浇筑施工再到耐火实验，周期较长，实验成本较高，学生发现错误后不可能

有重新再来一遍的机会；实体实验具有较高的危险性和不可逆性。

因此，通过本虚拟仿真实验项目达到以下目的：

1、以虚代实：学生通过线上学习相关理论知识，师生互动交流，完成对

基础理论和专业知识的梳理归纳。

2、以虚补实：现代高科技手段构造出逼真的实验室画面，极大地增强了

体验者的沉浸感、临场感和真实感，学生通过在线“游览”实验室，完成对相

关仪器设备认知，及其使用方法了解。

3、虚实结合：学生通过在虚拟环境中进行试件设计、加工制作、仪表布

设、数据采集、试件观测，并做出试件耐火极限的判定，线上考核通过后预

约开放实验室进行线下实体实验操作。独立完成、全程参与钢筋混凝土楼板

的抗火设计及其耐火实验的全过程，有利于学生实践应用能力和动手操作能

力培养。

4、以虚验实：学生通过预设钢筋混凝土楼板的荷载比和耐火极限，给出

板的配筋设计及荷载设计，利用虚拟平台开展明火实验，得出实验结果，对

预设目标加以验证，并进行分析研判。通过学生“尝试错误”的过程，使学生

从中审视、体验中知错、改错、防错，进一步提高了学生的自辨能力。

将“虚实结合”、“线上线下”等教学模式有机融合，激发了学生学习兴

趣，提高教学质量；同时，向社会开放共享了一流学科的优质教育资源，起

到了一流大学对社会文化发展的引领作用。因此，本项目具有重要的理论意

义及实用价值。

2-3 实验课时

（1）实验所属课程所占课时：32课时

（2）该实验项目所占课时： 4课时

2-4 实验原理（简要阐述实验原理，并说明核心要素的仿真度）

（1）了解钢筋混凝土板耐火实验的设备、仪表及其工作原理

——通过虚拟动画高品质构建出实验场地，以及对亚热带建筑科学国家实

验的“巡游”，了解不同实验室实验对象；对结构耐火实验室的“巡游”，了解

实验室内“三大”高温实验炉的工作尺寸、实验对象、加载能力等；

——水平构件耐火试验炉主要用于足尺寸梁、板等水平构件的高温模拟试

验，其加载能力为 120吨；

——对实验仪表设备进行介绍，了解其工作原理。

图 1实验场地仪表设备介绍

（2）掌握混凝土抗压强度和钢筋抗拉强度试验值与标准值区别

——通过虚拟实验对给定材料（混凝土和钢筋）强度进行测试，并对试件

破坏历程及最终形态给予生动描述；

——掌握实验设计中应采用材料（混凝土和钢筋）强度的试验值（由实验

中材料强度测试获得），而非材料强度的标准值；

图 2实验材料强度测试

（3）掌握均布荷载模拟和仪表科学布设方法

——通过逐步给出操作步骤提示，规范、科学地指导学生完成对虚拟试件

的荷载模拟及仪表布设；

——实验中楼板受到的均布活荷载由荷重块以均布分布的方式进行模拟；

——实验中受弯构件背火面温度采集点须布置于板背火面温度特征点上；

——考虑板的宽度影响，位移计须在板中部均匀布置。

图 3荷载和仪表科学布设

（4）掌握钢筋混凝土板明火实验全过程操作、实验采集及结果输出

——通过虚拟动画高逼真展示钢筋混凝土板明火实验的全过程：控制台点

火、试验炉点火生成升温曲线、试验炉内板受火后变形和裂缝开展情况、板

背火面热电偶采集数据生成温度-时间曲线、跨中位移计采集数据生成挠度-时

间曲线。

——借助虚拟仿真手段对实体实验中无法观测到的试验炉内板受火后变形

和裂缝开展情景给以科学、逼真展示，表现了“以虚补实”的优越性。

——为便于研究，以及便于对研究结果进行对比，国际标准化组织建议高

温模拟实验采用ISO834标准火灾升温曲线。

——我国规范GB/T 9978规定：板在耐火实验期间，跨中挠度超过极限弯

曲变形量，或者背火面测得的平均温度比初始温度>140℃，均判定板达到耐

火极限。

图 4钢筋混凝土板明火实验及其结果曲线

知识点：共 6个

（1）试件设计 荷载比是常温下施加在板上荷载所产生的跨中弯矩与实际材

料所能承受的弯矩之比；板的耐火极限是指任一板按标准升温曲线进行

耐火试验，从板受火作用时算起，到板失去承载能力，或者失去隔热性

时为止的这段时间，用小时（h）或分钟（min）表示；高温下钢筋的抗

拉强度折减计算；高温下板正截面受弯承载力。

（2）加工制作 绑扎钢筋时受力钢筋和分布钢筋的放置位置根据单向板或双

向板类型来确定；施工中钢筋保护层厚度的控制通过钢筋保护层垫块实

现；试件浇筑和养护要求。

（3）荷载布设 采用沿板背火面均匀布置荷重块的方法模拟楼板受均布荷载

的特性。

（4）仪表安装 考虑板的宽度影响，在板中部均匀布置位移计；根据板高温

下极限弯曲变形量选取位移计的量程。

（5）数据采集与分析 由高温炉炉膛内温度采集系统得到炉膛内实际温度—

时间曲线，由热电偶采集系统得到板背火面测点温度—时间曲线，由位

移计采集系统得到板跨中挠度—时间曲线。

（6）耐火极限判断 由板耐火极限的判定标准，根据从板受火作用时算起，

到板失去承载能力，或者失去隔火作用时为止的时间，判断板的耐火极

限。

2-5 实验仪器设备（装置或软件等）

计算机，虚拟软件：钢筋混凝土板设计性虚拟仿真耐火实验教学系统软

件；虚拟仪器设备：虚拟水平构件耐火试验炉、万能试验机、热电偶、位移

传感器、数据采集系统、吊车等。

2-6 实验材料（或预设参数等）

虚拟材料：模板、钢筋（牌号HPB300；直径 8 mm）、混凝土（强度等

级C25）、导线等。

2-7 实验教学方法（举例说明采用的教学方法的使用目的、实施过程与实施

效果）

教学方法及目的

（1）交互式教学：学生登录实验平台进行相关专业知识学习、试件耐火

性能预设及其实验验证、在线知识考核，即时检验学习效果，学习中遇到问

题可通过实验帮助中的学习交流平台与教师或其他同学交流讨论。通过在虚

拟环境中的师生间、生生间、人机间的相互交流和相互作用达到交互式的教

学效果，达到学生通过自主学习、合作学习、探究学习，在交互中扎实掌握

理论知识，熟练操作技能的目的。

（2）探究式教学：通过三维动画逼真构建出实验室内场景，极大增强体

验者的沉浸感、临场感和真实感，激发学生对实验室内主要大型仪器设备功

能用途的探究。在给定实验材料、构件尺寸和常温荷载比的条件下，引导学

生探究设计出具有预定耐火极限钢筋混凝土板的正确方法，通过虚拟明火实

验验证预设目标，并对结果差异给出合理分析。通过探究式教学达到培养学

生运用自学和探究获得的知识，学会举一反三，解决类似或相关的问题，从

而牢牢掌握专业知识和实操技巧。

（3）支架式教学：本虚拟仿真实验项目以培养学生的问题解决能力和自

主学习能力为目标。系统平台一步一步地为学生的学习构设适当的、小步调

的线索或提示，让学生通过这些提示一步一步的攀升，逐渐发现和解决构件

设计、试件加工，仪表布设和明火实验过程中的问题；设置了一些相关知识

点的选择判断，让学生自己去分析、探索，学生给出答案后系统立即判别正

误，显示正确解答。通过实验过程适时提示，帮助学生沿概念框架逐步攀

升，掌握所要了解和学习的知识，提高问题解决能力，成长为一个独立的学

习者。

实施过程

图 5教学实施过程图

本项目主要由实验准备、试件设计、实验操作以及实验总结四大部分组

成。

学生首先预习掌握相关专业知识，再进入到虚拟实验室内对相关仪器设

备进行认知，熟悉掌握仪器设备的使用方法；然后进入试件的设计阶段，包

括试件的配筋设计和荷载设计；之后进入实验操作阶段，包括试件的加工制

作、仪表布设、明火实验、数据采集及火损试件观测；最后进行实验的分

析、撰写实验报告，以及相关知识点的考核。

应用《钢筋混凝土板的设计性虚拟仿真耐火实验》教学平台，构建覆盖

实验“预备、设计、实施、考核”全过程的“虚实结合”教学过程，既较好解决

实体实验由于成本高、周期长、危险大而限制每个学生参与实验全过程的问

题，同时给学生提供一个独立思考和实践的时、空平台，还可增强学生进入

实体实验室前对试件制作加工流程、仪器设备规范操作、实验数据采集分析

的感性认识，更好的保障实体实验《钢筋混凝土板的设计性耐火实验》项目

“完整、高效、绿色、环保”的实施。

实施效果

（1）通过《钢筋混凝土板的设计性虚拟仿真耐火实验》教学系统的应

用，每位学生个体均可以完成从实验前相关专业知识的学习准备，到试件设

计、试件加工制作、荷载布设、仪器安装、温度变形量测、数据采集分析，

直至耐火极限判定以及撰写实验报告的全过程。培养学生综合运用所学的基

础理论和专业知识，并解决实际问题的能力。

（2）《钢筋混凝土板的设计性虚拟仿真耐火实验》教学系统提供给学生

充分思考、从各种途径需求解决方法的时间和鼓励学生试错，从失败中学

习，不断总结经验，获得最佳设计的空间。

2-8 实验方法与步骤要求（学生交互性操作步骤应不少于 10步）

（1）实验方法描述：

学生借助电脑、平板、智能手机等网络终端设备，访问《钢筋混凝土板的

设计性虚拟仿真耐火实验》教学系统，依据各自的身份认证、登录、进入、

点击相应的功能模块，开展钢筋混凝土板的设计性虚拟仿真耐火实验的操作

与学习。

在实验中，学生需要整合多门基础理论和专业知识，在给定实验材料、构

件尺寸和常温荷载比的条件下，设计出具有预定耐火极限的钢筋混凝土板，

完成该板的加工制作，开展该板从荷载布设、仪器安装、高温变形量测直至

达到耐火极限的全过程明火实验，分析该板实测耐火极限与预定耐火极限的

差异原因，撰写实验报告。该实验有较高的自由度，学生在设计过程中可能

由于概念不清晰，或计算出错而给出错误方案，若没有及时发现处理会导致

试件无法达到预定耐火极限，是一个多过程多结局的实验。

（2）学生交互性操作步骤说明：

第 1步：门户登录；

第 2步：在给定实验材料、构件尺寸和常温荷载比的条件下，预设钢筋混凝

土的耐火极限和荷载比；

实验目的：使学生掌握荷载比的概念及其计算和钢筋混凝土板耐火极限定

义。

第 3步：进行具有预定耐火极限钢筋混凝土板的钢筋设计；

实验目的：使学生掌握钢筋混凝土板抗火设计方法中钢筋的配置和设计。

第 4步：进行具有预定耐火极限钢筋混凝土板的荷载设计；

实验目的：使学生掌握钢筋混凝土板抗火设计方法中荷载的布置和设计。

图 6板配筋及荷载配筋设计

第 5步：对钢筋混凝土板进行加工制造，包括试件支模、绑扎钢筋、浇筑振

捣和试件养护；

实验目的：使学生熟悉钢筋混凝土板耐火实验试件的制备过程。

第 6步：测试给定钢筋的屈服强度实验值和给定混凝土的轴心抗压强度实验

值；

实验目的：使学生熟悉混凝土抗压强度和钢筋抗拉强度实验测试方法。

图 7给定材料强度测试

第 7步：待钢筋混凝土板浇筑养护完毕后，对板进行热电偶的科学布设；

实验目的：使学生熟悉热电偶的使用和布设方法。

第 8步：根据荷载设计结果，对板进行荷载的合理布设；

实验目的：使学生熟悉楼板均布荷载的模拟及其布设。

第 9步：通过计算板高温下极限弯曲变形量选取合理量程的位移计，并进行

科学布设安装；

实验目的：使学生熟悉位移计的使用和布设方法。

图 8热电偶、荷载、位移计布设

第 10步：点击打开耐火试验炉点火按钮，使耐火炉按ISO834标准升温曲线

升温；

实验目的：使学生了解高温试验炉的操作以及高温炉升温曲线与ISO834标准

火灾升温曲线的差异。

第 11步：点击热电偶和位移计采集系统按钮，查看板背火面测点温度—时间

曲线和板跨中挠度—时间曲线；

实验目的：使学生熟悉热电偶和位移计采集的试验数据及其绘制的挠度-时间

曲线和温度-时间曲线的发展情况。

图 9钢筋混凝土板明火实验及其结果曲线

第 12步：分析判断板的耐火极限；

实验目的：使学生掌握钢筋混凝土板耐火极限的判定标准，并根据试验结果

分析判断钢筋混凝土板耐火极限。

图 10分析判断板耐火极限

第 13步：达到耐火极限后，点击关闭耐火试验炉按钮；

实验目的：使学生了解高温试验炉的操作。

第 14步：待耐火炉温度达到室温时，用吊车吊出钢筋混凝土板，观测板的变

形和裂缝开展情况；

实验目的：使学生了解高温作用后钢筋混凝土板变形及其损伤。

图 11观测板变形和裂缝开展情况

第 15步：撰写实验报告。

图 12撰写实验报告

2-9 实验结果与结论要求

（1）是否记录每步实验结果：是否

（2）实验结果与结论要求：实验报告心得体会其他

（3）其他描述：

无

2-10 考核要求

重点考核学生的基础理论和专业知识的掌握及其综合应用能力、实践操

作能力等。考核包括理论与实践、过程和结果相结合的形式，通过在实验准

备和实验操作的一些关键节点设置理论知识考点分数，以及学生是否能设计

出具有预定耐火极限的钢筋混凝土板，并进行判断和分析等来打分。具体评

分表如下：

考核要求 考核内容 评分细则

实验准备（10%）荷载比计算 6

板耐火性能的判定标准 4

明火试验

（70%）

试件设计(30%)

钢筋设计 12

荷载设计 18

实验操作(20%)

根据受力特点判断板类型 4

判断单向板板底钢筋配筋图 4

施工中钢筋保护层厚度控制 4

荷重块布置 4

位移计布置 4

分析结论(20%)

板背火面温度—时间曲线 2

板跨中挠度-时间曲线 2

实测耐火极限 6

结果分析 6

小结 4

知识考核(20%)

材料强度实验值、标准值、

设计值的大小关系10

建筑耐火等级评判基准 2.5

钢筋混凝土板抗火性能主要

影响参数7.5

总 分(100%) 100

2-11 面向学生要求

（1）专业与年级要求：

土木工程及相关专业，大学二年级以上。

（2）基本知识和能力要求：

具备结构力学、混凝土结构理论、混凝土结构设计等知识。

2-12 实验项目应用及共享情况

（1）本校上线时间：2017-10-20（2）已服务过的本校学生人数：200（3）是否纳入到教学计划：是 否

(勾选“是”，请附所属课程教学大纲，所属课程教学计划或授课提

纲。）

（4）是否面向社会提供服务：是 否

（5）社会开放时间：2019-03-01，已服务人数：300

3.实验教学项目相关网络及安全要求描述

3-1 有效链接网址

http://jtxy.scut.owvlab.net/vlab/gjhntb.html

3-2 网络条件要求

（1）说明客户端到服务器的带宽要求（需提供测试带宽服务）

①基于公有云服务器部署的系统，5M-10M带宽 ②基于局域网服务器部署的

系统，10M-50M带宽

（2）说明能够支持的同时在线人数（需提供在线排队提示服务）

支持 100个学生同时在线并发访问和请求，如果单个实验被占用，则提

示后面进行在线等待，等待前面一个预约实验结束后，进入下一个预约队

列。

3-3 用户操作系统要求（如 Windows、Unix、IOS、Android 等）

（1）计算机操作系统和版本要求

Windows7及以上

（2）其他计算终端操作系统和版本要求

无

（3）支持移动端：是否

3-4 用户非操作系统软件配置要求（如浏览器、特定软件等）

（1）需要特定插件 是否

（勾选“是”，请填写）插件名称插件容量下载链接

（2）其他计算终端非操作系统软件配置要求（需说明是否可提供相关软件下

载服务）

浏览器推荐使用谷歌（Google Chrome）浏览器 55.0以上版本、火狐

（Firefox）浏览器 50.0以上版本

3-5 用户硬件配置要求（如主频、内存、显存、存储容量等）

（1）计算机硬件配置要求

计算机硬件配置需求（最低） 计算机硬件配置需求（推荐）

中央处理器： Intel® Core™ i5-

7400-3.0GHz-4 核 4 线程

内存：8GB

硬盘空间：100GB

图形处理器：NVIDIA® GeForce®GTX 960

显存：2G 及以上

显示器：16:9 分辨率 1280*720 及

以上

网络带宽：10Mbps

操作系统：Windows 7

中央处理器： Intel® Core™i5-8500-3.0GHz-6 核 6 线程

内存：16GB

硬盘空间：500GB

图形处理器：NVIDIA® GeForce®GTX 1060

显存：4G 及以上

显示器：16:9 分辨率 1920*1080

网络带宽：50Mbps

操作系统：Windows 10

浏览器：Chrome、Firefox 等

（2）其他计算终端硬件配置要求

无

3-6 用户特殊外置硬件要求（如可穿戴设备等）

（1）计算机特殊外置硬件要求

无

（2）其他计算终端特殊外置硬件要求

无

3-7 网络安全

（1）项目系统是否完成国家信息安全等级保护 是否

（勾选“是”，请填写）二级

4.实验教学项目技术架构及主要研发技术

指标 内容

系统架构图及简要说明

钢筋混凝土板的设计性虚拟仿真耐火实验项

目的开放运行依托于开放式虚拟仿真实验教学管

理平台的支撑，二者通过数据接口无缝对接，保

证用户能够随时随地的通过浏览器访问该项目，

并通过平台提供的面向用户的智能指导、自动批

改服务功能，尽可能帮助用户实现自主的实验，

加强实验项目的开放服务能力，提升开放服务效

果。

开放式虚拟仿真实验教学管理平台以计算机

仿真技术、多媒体技术和网络技术为依托，采用

面向服务的软件架构开发，集实物仿真、创新设

计、智能指导、虚拟实验结果自动批改和教学管

理于一体，是具有良好自主性、交互性和可扩展

性的虚拟实验教学平台。总体架构图如图 13所示。

图 13系统总体架构图

如图所示，支撑项目运行的平台及项目运行

的架构共分为五层，每一层都为其上层提供服

务，直到完成具体虚拟实验教学环境的构建。下

面将按照从下至上的顺序分别阐述各层的具体功

能。

（1）数据层

钢筋混凝土板的设计性虚拟仿真耐火实验项

目涉及到多种类型虚拟实验组件及数据，这里分

别设置虚拟实验的基础元件库、实验课程库、典

型实验库、标准答案库、规则库、实验数据、用

户信息等来实现对相应数据的存放和管理。

（2）支撑层

支撑层是虚拟仿真实验教学与开放共享平台

的核心框架，是实验项目正常开放运行的基础，

负责整个基础系统的运行、维护和管理。支撑平

台包括以下几个功能子系统：安全管理、服务容

器、数据管理、资源管理与监控、域管理、域间

信息服务等。

（3）通用服务层

通用服务层即开放式虚拟仿真实验教学管理

平台，提供虚拟实验教学环境的一些通用支持组

件，以便用户能够快速在虚拟实验环境完成虚拟

仿真实验。通用服务包括：实验教务管理、实验

教学管理、理论知识学习、实验资源管理、互动

交流、实验报告管理、教学效果评、项目开放与

共等，同时提供相应集成接口工具，以便该平台

能够方便集成第三方的虚拟实验软件进入统一管

理。

（4）仿真层

仿真层主要针对基于钢筋混凝土板的设计性

虚拟仿真耐火实验进行相应的器材建模、实验场

景构建、提供实验通用的仿真器，比如亚热带建

筑科学国家重点实验室场景环境搭建、实验室内

主要设备模型构建，钢筋混凝土设计性虚拟仿真

耐火实验流程中的重要环节设置交互点，还原试

件设计、试件制备、高温试验、数据分析的完整

流程，最后为上层提供实验结果数据的格式化输

出。

（5）应用层

基于底层的服务，最终基于钢筋混凝土板的

设计性虚拟仿真耐火实验项目教学与开放共享。

该框架的应用层具有良好的扩展性，实验教师可

根据教学需要，利用服务层提供的各种工具和仿

真层提供的相应的器材模型，设计各种典型实验

实例，最后面向学校开展实验教学应用。

实验教

学项目

开发技术

VR AR MR 3D仿真 二维动画

HTML5其他WebGL技术

开发工具

Unity3D 3D Studio Max MayaZBrushSketchUpAdobe FlashUnreal Development KitAnimate CCBlenderVisual Studio其他 Photoshop

运行环境

服务器

CPU 6核、内存 16 GB、磁盘 100 GB、显存 2GB、GPU型号无

操作系统

Windows ServerLinux其他具体版本

数据库

MysqlSQL ServerOracle其他

备注说明 （需要其他硬件设备或服务器数量多

于台时请说明）

项目品质（如：

单场景模型总面

数、贴图分辨

率、每帧渲染次

数、动作反馈时

间、显示刷新

率、分辨率等）

单场景模型总面数：900000面 贴图分辨率：

1024*1024动作反馈时间：1秒以内 显示刷新

率：高于 30Hz（fps） 正常分辨率

1920*1080

5.实验教学项目特色

（体现虚拟仿真实验项目建设的必要性及先进性、教学方式方法、评价体系

及对传统教学的延伸与拓展等方面的特色情况介绍。）

（1）实验方案设计思路：

1) 以科研反哺教学

本虚拟实验教学项目是在吴波教授及其团队科研成果和教学实践基础上

开发的。钢筋混凝土板的配筋设计及荷载设计组合工况共计 144种，通过虚

拟明火实验采集、生成板背火面温度-时间曲线和板跨中挠度-时间曲线共计

288条。144种工况及其实验数据曲线是吴波教授及其团队二十余年结构抗火

科研成果和大量试验数据积累下，由吴波教授指导、一名博士研究生和一名

硕士研究生采用 ABAQUS有限元软件，对高温下钢筋混凝土板三维瞬态温

度场和三维力学性能进行非线性分析模拟得到的。

2) 对实体实验总结凝练

本虚拟平台构设框架是十余年实体实验：“钢筋混凝土板的耐火性能实

验”在总结经验、反思不足后凝练而成。实体钢筋混凝土耐火实验由于成本

高、周期长、危险大、过程不可逆等原因，每个学生难以全程参与，且为了

避免实验操作失误而造成试件对试验炉的损坏、或其他意外事故，实体实验

一般是由经验丰富的实验员操作，学生基本全程观摩、缺少独立思考、学习

主动性不高，学习效果欠佳。学生通过虚拟仿真实验学习、操作、线上考核

通过后，可预约开放实验室进行线下实体实验操作。

3) 多过程多结局实验

本虚拟仿真实验教学管理平台采用先进的计算机仿真技术、多媒体技术

和网络技术，实验项目场景高逼真还原了结构耐火实验室场景实体实验全过

程，使得本虚拟仿真实验教学变得更加生动、直观、规范。在实验中，学生

需要整合多门基础理论和专业知识，在给定实验材料、构件尺寸和常温荷载

比的条件下，设计出具有预定耐火极限的钢筋混凝土板，完成该板的加工制

作，开展该板从荷载布设、仪器安装、高温变形量测直至达到耐火极限的全

过程明火实验，分析该板实测耐火极限与预定耐火极限的差异原因，撰写实

验报告。该实验有较高的自由度，学生在设计过程中可能由于概念不清晰，

或计算出错而给出错误方案，若没有及时发现处理会导致试件无法达到预定

耐火极限，是一个多过程多结局的实验。

（2）教学方法创新：

依托网络，借助PC平板等网络终端设备，登录访问《钢筋混凝土板的设

计性虚拟仿真耐火实验》，通过在线设计、操作、互动、答题等方式在线完

成《钢筋混凝土板的设计性虚拟仿真耐火实验》中教学内容的学习，解决以

往学生在进入实体实验室对钢筋混凝土板耐火实验“规范化”操作流程感性认

识不足、核心知识点掌握不全面的缺点，还为我们引入MOOC、翻转课堂等

新型教学模式，实施形成考核评价体系创造了条件。

（3）评价体系创新：

虚实结合，过程与结局综合评价，根据反馈及时改进。此外，试件设

计、加工制作和实验验证等 “多位一体”,通过理论计算和实验操作更加全面地

考核和评价学生。实体实验中难以获得的每个学生操作的不足、前后的进步

等过程性评价，虚拟仿真通过自动考核系统就很便捷地得到了实现，教师可

获知学生的易犯错误等进行重点点评，学生可根据自己的错误进行针对性改

正。

（4）对传统教学的延伸与拓展：

通过在线上先学习该虚拟仿真项目，打破时间壁垒，在给定时间内独立

完成钢筋混凝土板的抗火设计及耐火实验操作，有利于学生的试件设计能力

和实践操作能力的培养；钢筋混凝土板设计性耐火实验线上考核通过后才能

预约开放实验室进行线下实体实验操作训练，如此，以虚代实、以虚补实、

以虚验实、虚实结合，可最大程度解决实体实验教学中面临的问题，提高教

学质量。另外，还能通过线上的学生之间、师生之间的交流，答疑解惑，不

断进步。此外，手机移动端的应用，突破空间限制，可随时随地进行学习。

6.实验教学项目持续建设服务计划

（本实验教学项目今后年继续向高校和社会开放服务计划及预计服务人数）

（1）项目持续建设与服务计划：

1) 特色与创新资源项目建设和更新：横向发展：扩充虚拟仿真实验教学平

台的试件种类和操作种类。纵向发展：将实验材料、构件尺寸或者板的

类型等更多参数由学生设计，让学生对楼板设计性耐火实验有更深刻的

体验。此外，还可以增加英文模式，提高海外留学生的建筑结构抗火设

计和耐火实验操作技能。

2) 开放式虚拟仿真实验教学资源建设和更新：增强《钢筋混凝土板的设计

性虚拟仿真耐火实验》教学平台对优质资源的共享能力和稳定性，满足

更大的用户并发访问。加强虚实统一管理能力，结合我校虚拟仿真实验

项目的教学情况，建立对外开放的虚拟仿真实验教学资源库。

（2）面向高校的教学推广应用计划：

目前本教学平台可满足土木工程专业教学，教学平台尚可对工程力学专

业开放使用；此后，通过持续建设，可推广到土木工程及相关专业海外留学

生群体的教学中。

（3）面向社会的推广应用计划：

本实验可面向土木工程及相关专业本科生及研究生、参加土木工程及相

关专业继续教育或培训的学员、从事建筑结构设计人员使用。加强虚实统一

管理能力，结合我校虚拟仿真实验项目的教学情况，建立对外开放的虚拟仿

真实验教学资源库。项目被认定为国家虚拟仿真实验教学项目后 1年内面向

高校和社会免费开放并提供教学服务，1年后至 3年内免费开放服务内容不

少于 50%，3年后免费开放服务内容不少于 30%，总开放时间不少于 5年。

7.知识产权

软件著作权登记情况

软件著作权登记情况 已登记 未登记

完成软件著作权登记的，需填写以下内容

软件名称 钢筋混凝土板的设计性虚拟仿真耐火实验

是否与项目名称一致 是 否

著作权人 华南理工大学

权利范围 校方独有

登记号 2019SR0896647

8.诚信承诺

本人承诺：所申报的实验教学设计具有原创性，项目所属学校对本实验

项目内容（包括但不限于实验软件、操作系统、教学视频、教学课件、辅助

参考资料、实验操作手册、实验案例、测验试题、实验报告、答疑、网页宣

传图片文字等组成本实验项目的一切资源）享有著作权，保证所申报的项目

或其任何一部分均不会侵犯任何第三方的合法权益。

本人已认真填写、检查申报材料，保证内容真实、准确、有效。

实验教学项目负责人（签字）：

年 月 日

9.附件材料清单

1.政治审查意见

2.校外评价意见

3.《建筑结构抗震与防灾》课程教学大纲及教学计划

4.计算机软件著作权登记证书

10.申报学校承诺意见

本校已按照申报要求对申报的虚拟仿真实验教学项目“钢筋混凝土板的设

计性虚拟仿真耐火实验”在校内进行公示，并审核实验教学项目的内容符合申

报要求和注意事项、符合相关法律法规和教学纪律要求等。经评审评价，现择

优申报。

本虚拟仿真实验教学项目如果被认定为“国家虚拟仿真实验教学项目”，

学校将严格贯彻《教育部高等教育司关于加强国家虚拟仿真实验教学项目持续

服务和管理有关工作的通知》（教高司函〔2018〕56 号）的要求，承诺将监督

和保障该实验教学项目面向高校和社会开放，并提供教学服务不少于 5 年，支

持和监督教学服务团队对实验教学项目进行持续改进完善和服务。

主管校领导（签字）：

（学校公章）

年 月 日