土木工程設(shè)計(jì)實(shí)踐課程中結(jié)構(gòu)軟件的應(yīng)用

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0引言

著眼于城市建設(shè)行業(yè)對卓越結(jié)構(gòu)工程師實(shí)踐創(chuàng)新能力的需求［1］，在本校土木工程專業(yè)低年級和高年級本科課程中持續(xù)設(shè)置設(shè)計(jì)類實(shí)踐課程。一方面，引入結(jié)構(gòu)繪圖軟件(如探索者、浩辰CAD)、結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件(SAP2000，PKPM，盈建科)以及BIM軟件(Revit軟件)，建立適合本科低年級建筑工程設(shè)計(jì)實(shí)踐的教學(xué)框架;另一方面，以SAP2000，PKPM為主要工具，在低年級設(shè)計(jì)實(shí)踐訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，建立本科高年級軟件設(shè)計(jì)實(shí)踐課程框架。以上在本校建筑工程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中所使用的軟件，均為城市建設(shè)領(lǐng)域的主流結(jié)構(gòu)軟件，實(shí)用性強(qiáng)且易于掌握。本文介紹了用于課程教學(xué)結(jié)構(gòu)軟件的功能與特點(diǎn)，以及其在本校土木工程專業(yè)建筑工程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)中的教學(xué)安排、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)資源，具有一定借鑒和參考價(jià)值。

1結(jié)構(gòu)軟件簡介

1．1探索者(TSSD)軟件

探索者軟件的主要功能是繪制結(jié)構(gòu)平面圖，包括:梁、柱、墻、樓梯、雨篷陽臺(tái)、承臺(tái)、基礎(chǔ)。軟件提供結(jié)構(gòu)繪圖中常用的圖面標(biāo)注編輯工具，包括:尺寸、文字、鋼筋、表格、符號、比例變換等多個(gè)工具，幾乎覆蓋了所有在圖中可能遇到的問題解決方案，可以大幅度提高工程師的繪圖速度。TSSD還具有板、梁、柱、基礎(chǔ)、承臺(tái)、樓梯的計(jì)算功能。

1．2浩辰CAD結(jié)構(gòu)軟件

浩辰CAD結(jié)構(gòu)軟件可以快速生成復(fù)雜的直線和圓弧軸網(wǎng)，可成批布置梁、柱、墻、基礎(chǔ)，并對其平面尺寸、位置、輯，可自動(dòng)布置樓板正筋、負(fù)筋、附加箍筋、附加吊筋，標(biāo)注配筋值和尺寸，快速繪制樓板配筋圖。該軟件還具有齊備的結(jié)構(gòu)繪圖輔助工具，包括鋼筋、尺寸、文字、表格、符號等結(jié)構(gòu)專業(yè)的繪圖工具，能夠?qū)κ┕D進(jìn)行文字、尺寸、標(biāo)高、標(biāo)號的標(biāo)注、編輯、修改。

1．3SAP2000軟件

SAP2000軟件是通用結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)軟件，在我國工程界得到了廣泛的應(yīng)用，主要適用于比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如橋梁，體育場，大壩，海洋平臺(tái)，工業(yè)建筑，發(fā)電站，輸電塔，高層建筑。SAP2000具有強(qiáng)大的功能，如建模功能(二維模型、三維模型等)、編輯功能(增加模型、增減單元、復(fù)制與刪除等)、分析功能(時(shí)程分析、動(dòng)力反應(yīng)分析、push-over分析等)、荷載功能(節(jié)點(diǎn)荷載、桿件荷載、板荷載、溫度荷載等)以及設(shè)計(jì)功能等。上述功能的實(shí)現(xiàn)均是在同一個(gè)可視化界面中實(shí)現(xiàn)的，用戶界面十分友好。

1．4PKPM軟件

PKPM軟件擁有先進(jìn)的結(jié)構(gòu)分析軟件包，容納了國內(nèi)最流行的各種計(jì)算方法，如平面桿系、矩形及異形樓板、墻、板的三維殼元及薄壁桿系、梁板樓梯及異形樓梯、各類基礎(chǔ)、砌體及底框抗震、鋼結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)分析、建筑抗震鑒定加固設(shè)計(jì)等。全部結(jié)構(gòu)計(jì)算模塊能夠反映我國規(guī)范要求的荷載效應(yīng)組合，設(shè)計(jì)表達(dá)式，抗震設(shè)計(jì)的各項(xiàng)要求。

1．5盈建科(YJK)軟件

盈建科軟件是多、高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元計(jì)算分析與設(shè)計(jì)軟件，采用人機(jī)交互方式引導(dǎo)用戶逐層布置結(jié)構(gòu)構(gòu)件并輸入荷載，通過樓層組裝完成模型的建立。結(jié)構(gòu)計(jì)算采用空間桿單元模擬梁、柱及支撐等桿系構(gòu)件，采用在殼元基礎(chǔ)上凝聚而成的墻元模擬剪力墻，對于樓板提供剛性板和各種類型的彈性板計(jì)算模型，能夠自動(dòng)完成荷載效應(yīng)組合、考慮抗震要求的調(diào)整、構(gòu)件設(shè)計(jì)及驗(yàn)算等。

1．6Revit結(jié)構(gòu)軟件

Revit是我國建筑業(yè)BIM體系中使用最廣泛的軟件之一。Revit結(jié)構(gòu)是一款功能強(qiáng)大的工具，能創(chuàng)建鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。使用鋼結(jié)構(gòu)模塊，利用Revit結(jié)構(gòu)軟件提供的建筑信息模型創(chuàng)建模型，可快捷生成鋼結(jié)構(gòu)施工圖，使用框架模塊創(chuàng)建動(dòng)態(tài)模型和高質(zhì)量的混凝土結(jié)構(gòu)施工圖。

2教學(xué)框架與教學(xué)內(nèi)容

本校在土木工程專業(yè)二年級第二學(xué)期開設(shè)了“土木工程專業(yè)實(shí)踐”課程，在建筑工程方向主要安排基于平面整體表示法的軟件繪圖和基于簡單結(jié)構(gòu)分析的軟件計(jì)算?！巴聊竟こ虒I(yè)實(shí)踐”課程的教學(xué)內(nèi)容如表1所示?？紤]到學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了“土木工程制圖”“結(jié)構(gòu)力學(xué)”等先修課程，而尚未學(xué)習(xí)“鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)”“鋼結(jié)構(gòu)”“工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)”和“結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)”等課程，故將實(shí)踐教學(xué)集中在設(shè)計(jì)行業(yè)常用的探索者(TSSD)結(jié)構(gòu)繪圖軟件和SAP2000結(jié)構(gòu)分析軟件，通過鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)梁、柱、墻配筋施工圖訓(xùn)練、靜定梁、靜定剛架及靜定平面桁架內(nèi)力計(jì)算訓(xùn)練，使學(xué)生初步掌握繪制結(jié)構(gòu)施工圖及簡單構(gòu)件靜力分析的基本操作。同時(shí)，對于其他業(yè)界使用較多的結(jié)構(gòu)繪圖、結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件，則以簡介和概述的形式使得學(xué)生對其有初步的了解。隨著學(xué)生課程學(xué)習(xí)的逐步深入，本校在完成“鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)”“鋼結(jié)構(gòu)”“工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)”以及“結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)”課程教學(xué)的基礎(chǔ)上，于本科四年級第一學(xué)期開設(shè)了“土木工程設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用”課程，在建筑工程方向設(shè)計(jì)實(shí)踐中主要講授SAP2000，PKPM在建筑結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，包括:結(jié)構(gòu)建模、結(jié)構(gòu)模態(tài)分析、結(jié)構(gòu)抗震分析與設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)非線性分析?！巴聊竟こ淘O(shè)計(jì)軟件應(yīng)用”課程的教學(xué)內(nèi)容如表2所示。教學(xué)過程中，通過超靜定剛架和排架結(jié)構(gòu)分析、超靜定桁架和組合結(jié)構(gòu)分析、單質(zhì)點(diǎn)和多質(zhì)點(diǎn)體系模態(tài)分析、地震作用時(shí)程分析和反應(yīng)譜分析、鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)的講授和訓(xùn)練，使學(xué)生能夠掌握結(jié)構(gòu)高級分析技術(shù)的一些常用命令、操作步驟以及結(jié)構(gòu)分析結(jié)果背后蘊(yùn)含的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念，同時(shí)能夠較為全面地認(rèn)識建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整個(gè)流程，從而為畢業(yè)設(shè)計(jì)乃至畢業(yè)后的工作奠定了軟件計(jì)算分析基礎(chǔ)。

3教學(xué)資源

“土木工程專業(yè)實(shí)踐”和“土木工程設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用”兩門課程的主講教師從事教學(xué)、工程設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐十多年，是“鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)”“鋼結(jié)構(gòu)”“工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)”“高層建筑結(jié)構(gòu)”等課程的主講教師，積累了豐富的實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和工程經(jīng)驗(yàn)。教學(xué)過程中，除了介紹結(jié)構(gòu)軟件基本理論外，還采用大量例題進(jìn)行上機(jī)訓(xùn)練，所選用例題的原型均選自于建筑結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)示例、結(jié)構(gòu)力學(xué)教材、土木工程常用軟件應(yīng)用教材并進(jìn)行了相應(yīng)的改寫，以求滿足課程教學(xué)的需要。同時(shí)，主講教師聯(lián)合與國內(nèi)主流工程設(shè)計(jì)軟件高技術(shù)企業(yè)工程師，借助于結(jié)構(gòu)軟件(如Revit結(jié)構(gòu)軟件、盈建科軟件)的應(yīng)用講座和演示觀摩多個(gè)環(huán)節(jié)，促進(jìn)學(xué)生和工程設(shè)計(jì)行業(yè)專業(yè)人員的交流和溝通。4結(jié)語當(dāng)前工程界使用的結(jié)構(gòu)繪圖和分析軟件較多，本校從中選擇了適合本科階段建筑工程設(shè)計(jì)實(shí)踐課程的結(jié)構(gòu)軟件，將其納入到培養(yǎng)學(xué)生工程能力的實(shí)踐課程中，通過校企聯(lián)合使得學(xué)生在校學(xué)習(xí)期間，能夠充分開展基于大型結(jié)構(gòu)軟件的實(shí)踐環(huán)節(jié)訓(xùn)練，從而為學(xué)生畢業(yè)后進(jìn)入城市建設(shè)奠定良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

作者：莊鵬 趙赤云 曾杰 單位：北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院