PKPM等建筑结构设计程序在土木工程本科教育中的定位与教学探讨

作者: 李胜林

摘  要:该文基于PKPM等建筑结构设计程序在高校本科教学效果差强人意的现状,结合中国矿业大学(北京)的6年教学培养经验,从电算课程定位和讲授内容出发,提出“归纳总结法”和“对比分析法”教学模式,并通过“学生走上讲台”的形式,激发学生积极性,提升其专业素养,培养适应建筑行业发展的复合型人才。

关键词:PKPM;建筑结构设计程序;教育革新;土木工程;定位

中图分类号:G642      文献标志码:A          文章编号:2096-000X(2023)02-0134-04

Abstract: Based on the unsatisfactory teaching effect of PKPM and other architectural structure design programs in colleges and universities, combined with 6 years' teaching and training experience of China University of Mining and Technology (Beijing), from the perspective of computer course positioning and teaching content, this paper puts forward the teaching mode of "induction and summary method" and "comparative analysis method", and through the form of "students walk on the platform", the initiative of students is stimulated, their professional quality is improved, and compound talents who adapt to the development of the construction industry are cultivated.

Keywords: PKPM; building structure design program; education innovation; civil engineering; positioning

目前,一般高等院校土木工程专业均开设以某个电算软件为载体的结构设计电算课程,目前市场上占有率较高的建筑结构计算程序包含:PKPM系列、YJK、ETABS和MIDAS/GEN等。PKPM软件从软件的特点、本科生接受程度等角度出发,大部分高校选择了PKPM系列程序[1-3]。

PKPM系列程序可以作为高职院校应用课程的内容,也可作为建筑力学与结构课程进行计算机辅助设计应用能力训练的内容,还可以作为工程技术人员初学应用软件的选择,对毕业生进入社会寻找工作具有强有力的支持作用。从毕业生反馈信息上看,开设建筑结构设计程序是必要也是必需的,但教学效果差强人意,这除了与教学方式、讲授水平等原因有关外,更与电算课程的定位及讲授的内容有关。

中国矿业大学(北京)从2014年起,为土木工程专业建筑工程方向本科生开设结构电算课程,在借鉴兄弟院校成功经验的基础上,结合本校的教学培养目标,教学团队一边进行教学工作,一边进行该课程的教学研究工作,及时地将研究成果应用到教学中。

一、电算课程的教学定位

一般来讲,PKPM等建筑结构设计课程开设在下列课程之前:工程力学含理论力学、材料力学、结构力学和弹性力学,结构设计原理含钢筋混凝土结构和钢结构等,高层建筑结构,抗震工程,有限元理论。PKPM等电算课程会不同程度地应用上述课程的基本知识。应用程序进行结构建模过程其实就是建立数学力学模型的过程,这需要将原先所学知识灵活运用,因此PKPM等电算课程应被当作一个融汇各专业知识的平台课程。学生需要具备较强的相关专业学科理论基础,才能快速高效地进入电算课程的学习中。

大学阶段讲授的力学及结构相关课程中,在做了一定的简化后,使用解析方法进行问题的求解,如横向及竖向荷载作用下排架结构内力分布问题,我们一般不考虑梁的轴向变形或柱的剪切变形,这种简化后求解的结果与实际具有一定的偏差,而使用PKPM等结构软件,可以更加真实地模拟结构的实际受力状态和变形特征,得到的结果更加接近实际。随着结构体量越来越庞大,边界条件越来越复杂,以及要考虑多物理场的耦合,传统的解析方法已经不能满足结构工程的发展需要,数值模拟方法尤其是有限元方法在结构工程界一枝独秀,当下结构的弹性反应计算均采用PKPM等有限元软件进行,工程师之间的交流也是在某个软件平台上展开,而解析法或手算法更多用于构件级别的力学响应计算或者用于定性的分析。因此精通电算原理、掌握一门电算软件应是当下本科毕业生的必备本领,也是大学本科毕业生进入社会,走向工程师道路的敲门砖[4-6]。

使用PKPM等结构软件进行结构的初步设计,可得到量化后的结构的整体性指标,如周期比、位移比、刚度比、有效质量比、刚重比、剪重比和刚层间受剪承载力比,而这些概念只是在以前的高层建筑结构等课程有所耳闻,未能深入理解,而使用电算软件可以方便地获取上述指标,通过结构方案调整,得到较优的指标,满足规范相关规定。方案的调整过程能增强学生对结构设计的思想的理解,提高学生的结构设计能力,增加学生作为设计主体的成就感与荣誉感。

二、教学内容的确定

在传统的建筑结构PKPM课程教学中[7-8],多数高校采用以软件使用为目的的单一教学模式,主要内容偏重于PKPM软件各模块操作流程的讲解,对程序的教学更多停留在基本命令使用的初级层面上。学生通常惊艳于计算书及配筋图的输出,简单地将建筑结构的软件看成了出图的工具,因此学习过程中其主要的精力更多集中在建模及后处理上,这显然是不合适的。出现这种情况的主要原因在于教学内容不合理。

为使学生掌握一门建筑结构软件,具备结构计算与分析的能力,PKPM等电算软件课程至少应包含以下内容。

(一)有限元基础知识

PKPM大部分的计算内核如SATWE使用的是有限元方法,因此在SATWE学习前学生应掌握有限元基础知识。①有限元方法利用数学近似的方法对真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟,利用简单而又相互作用的元素(即单元),就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。其以上特点决定了其在工程界无可替代的地位,目前所有的结构设计院均使用有限元方法进行结构的弹性计算,有限元方法也是所有数值方法中最为可靠的一种。②基本方程。有限元技术涉及的基本方程总共为15个,包括3个平衡方程、6个物理方程和6个几何变形方程;求解的独立变量总共15个,包括3个位移分量、6个应力分量和6个应变分量;变量数等于方程数,保证了解的唯一性。③单元。结构有限元中常用的单元有梁单元、壳单元和体单元,不同类型单元的连接方式,SATWE中的墙元;单元的选择,以实例化的方式讲解一根普通钢筋混凝土梁用三种单元模拟的优与劣,深梁及连梁的模拟等;梁单元与现实中梁的区别。

(二)建筑结构主要软件

学生应能够根据电算的具体内容选择相关类型的软件,目前市场上能够进行建筑结构计算的软件有很多种,大体可以分为这三类:①通用有限元软件;②建筑结构专用软件,如PKPM、YJK、SAP84、广厦建筑结构CAD、Midas/GEN和ETABS等;③构件设计工具或截面应力分析工具,如探索者、理正工具箱等。重点讲解第二、三类软件特点及适用性,以一个复杂工程为例,说明不同的分析问题需要不同类型的软件。

(三)PKPM模块及相关规范

PKPM模块很多,涵盖了建筑、结构、暖通、预算和岩土相关专业,对于建筑工程方向的学生,应掌握下列模块:①主要的计算模块有PK、TAT和SATWE,知识点包含基本假设与原理、适用范围和与规范相关的调整系数等;②PMCAD模块,知识点包含轴网、房间、结构/荷载标准层等基本概念、操作流程与基本技巧等;③JC CAD包含控制参数、基本概念和操作流程等;④施工图绘制模块包括绘图参数、图素修改和图纸输出等。

上述的模块涵盖了大学阶段结构专业的主要知识点,也涉及了《建筑结构荷载规范》《混凝土结构设计规范》《建筑抗震设计规范》《高层建筑混凝土结构技术规程》《建筑地基基础设计规范》等混凝土类结构设计规范。

工程规范是为在工程建设领域内获得最佳秩序,对建设工程的勘察、规划、设计、施工、安装、验收、运营维护及管理等活动和结果需要协调统一的事项所制定的共同的、重复使用的技术依据和准则,对促进技术进步,保证工程的安全、质量、环境和公众利益,实现最佳社会效益、经济效益、环境效益和最佳效率等,具有直接作用和重要意义。

规范是工程建设者必须遵守的准则,对于马上毕业的本科生,应全面了解专业规范的主要内容与思路,掌握部分规范的强条,会基于结构或构件的实际情况,在规范中找到相关的设计条文。

(四)结构的四轮计算过程

使用PKPM软件,以某个工程项目为例,讲解建筑结构设计中的四轮计算过程。一轮计算完成整体参数的正确设置,包含振型组合数、最大地震作用方向和结构基本周期。二轮计算确定整体结构的合理性,主要是规范规定的指标在规定的范围内。三轮计算对单个构件进行优化设计,对于钢筋混凝土结构,主要检查配筋率及轴压比。四轮计算满足构造要求,需要确定合适的归并系数、梁支座形式和钢筋库等。

结构设计是循序渐进的过程,遵从由整体到局部的原则。以前的专业课程把更多的学时放在了局部,强调构件设计,弱化了结构与构件间整体与局部的联系,学生对设计的整体认识不清,因此教师应根据这一特点,利用电算程序,向学生演示设计过程。

三、教学方法的革新

建筑结构电算课程涉及的理论知识多而广,工程相关性强,软件操作性强,课时量相对较少,常为24课时,致使教学内容针对的工程类型有限[9-10],理论知识不能过多。为能较好地提高教学质量,结合教学内容采用不同的教学方法。

(一)归纳总结法

使用建筑结构设计软件进行建模、分析及设计的过程,需要用到以前多门课程的相关知识,这些知识点隶属于不同课程,通常被大部分同学孤立地对待。在电算过程中,这些知识“点”应连成“线”,形成“面”,最终构成全方位的知识“体”系,这样才能准确理解并正确建立计算模型,否则结构或荷载与常规结构有所不同时,学生“照葫芦画瓢”技能无效,机械地仿照可能会导致错误的结果。

在对待这些专业基础或通用知识时,由于时间所限,教师应通过板书或者PPT对相关知识进行总结归纳。比如一般结构弹性设计中,其在地震的响应分析方法有哪几种,每一种的适用范围有哪些?又比如大学物理中从重力摆的运动规律中得到了周期,结构动力学课程中通过运动学与内力平衡方程的联立得到了弹簧振子的运动周期,那么具有多自由度结构的周期怎么得来?计算方法有哪些?特点和适用性怎样?

结合几年来的教学实践,下面这些知识点可采用归纳总结法:数值方法中有限元方法的基本原理及特点;结构工程中常用的梁单元及壳单元特点及适用性;建筑结构规则性判断准则;偶然偏心与双向地震的选择;地震作用计算方法选择;模态分析方法的选择。

通过归纳总结,使结构计算知识系统化,这有利于学生对知识的全局掌握。但应注意的是,教师在总结的过程中,应加强不同课程之间的联系,采用提问或与学生活动的方式,让学生在“老”课程中找出“新”问题的解决方法,充分体会 “学而时习之,不亦乐乎”的乐趣。

(二)对比分析法

在学习电算程序前,学生接触到的是数学力学解析方法及简化计算方法,包含材料力学中挠度的计算、竖向及水平荷载作用下单榀框架的内力等。上述这些方法中有相对严格的推导过程,而使用电算程序计算与以前手算的结果比较起来,结果如何?这是初始接触者最想知道的。教师在讲解程序前,应消除学生的疑惑,利用电算程序求解结构力学、高层结构的响应,为保持结果一致,建模时应施加与解析解同样的简化条件,以得到与解析解一致的结果,证明程序计算方法的正确性。求解时间的差别,手算的繁琐性与电算的快捷性,通过对比分析,让学生充分认识掌握电算程序是将来结构设计必须具备的本领。

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