《建筑结构电算》实践课程的教学

摘 要：以“提高学生工程素质,激发学生创新意识,培养学生自学能力,怎么写作学生就业市场”作为《建筑结构电算》课程建设的着眼点,选用专业设计软件——PKPM建筑结构设计和通用有限元软件——ANSYS为平台进行课程教学,将整个课程划分为“基础性验证”、“设计性综合”、“分析与创新”三个能力训练模块,实现了从课内学习向课外工程实践的延伸,增强了学生的专业学习兴趣和实践动手能力,缩短了专业理论学习与工程实践的距离,培养了学生工程素质和创新能力.

关 键 词：土木工程；工程实践；工程素质；创新能力

中图分类号：G642.0文献标志码：A文章编号：1674-9324（2013）33-0044-02

土木工程是一门与实际工程紧密结合、实践性很强的应用学科.随着计算机技术的迅猛发展和工程结构型式的日趋复杂,用人单位对从事土木工程技术人员的软件应用能力提出了更高的要求.对于非计算机专业的土木工程专业学生来说,唯有在掌握扎实的专业理论知识基础上,同时具备常用工程软件的应用能力,才能适应社会发展和满足学生就业市场的需要.北京工业大学从2007级土木工程专业本科生起,开设创新实践课程——《建筑结构电算》.该课程是为土木工程建筑结构方向本科生在完成专业基础课学习之后开设的一门实践课程选修课.本文对这门新兴课程的教学模式进行了探索,旨在为土木工程应用型创新人才培养模式的改革奠定基础.

一、《建筑结构电算》课程面临的问题

目前,一般高等院校对于土木工程专业大学生计算机应用能力的培养还大大落后于信息时代对高素质人才的客观要求,在计算机应用方面存在以下问题.

1.土木工程软件的多样性.现阶段的土木工程类软件十分庞杂,例如目前的结构计算程序主要有：PKPM系列、TBSA系列、GSCAD、SAP2000、ETABS,以及德国的ASKA、英国的PAFEC、法国的SYSTUS、美国的ABQUS、ADINA、ANSYS、MARC等.在有限的教学学时内,选择适宜的软件来开展教学活动是比较困难的,例如软件地域性问题,南方和北方所使用的主流结构设计软件就不尽相同,而各个软件都有自己的优势和不足.

2.缺乏实用的电算教材.现阶段土木工程专业计算机辅助课程,国家并没有相应的统编教材.由于土木工程专业应用软件十分庞杂,结构计算软件与规范、规程紧密联系,流行软件的版本更新很快,等等一系列的原因,使得市面上流通的电算教材虽然不少,但良莠参半,而且大多教材都与专业课程脱离,仅仅对软件功能、具体操作步骤进行讲解,与实际工程结合显得欠缺,实际应用起来效果欠佳.

二、优化《建筑结构电算》教学内容

课堂教学是培养学生工程素质及创新能力的主渠道.《建筑结构电算》是一门新兴课程,其设置正是为了加强学生土木工程专业知识与计算机技术的紧密结合,以达到深化专业理论、拓宽专业知识和延伸专业技能的目的.该课程具备两大特点：第一,属于结构设计类课程；第二,同时又具备实践教学环节的特点.由于计算机应用技术的迅猛发展,其教学内容必须不断更新,不应该把该课程局限于一些兄弟院校开设的基于计算机辅助绘图、仅讲授AUTOCAD知识的课程.优化教学内容是该课程能否达到良好教学效果的关键.以“提高学生工程素质,激发学生创新意识,培养学生自学能力,怎么写作学生就业市场”作为《建筑结构电算》课程建设的着眼点,将结构分析软件分为专业设计软件和通用有限元软件两大部分教学内容讲授.

1.专业设计软件.结构分析计算的专业设计软件很多,在有限的学时内教师不可能一一讲授,选择PKPM系列结构CAD软件作为电算课程教学的主要内容.①专业设计软件教学的基本要求.了解结构电算常用软件的发展、应用以及目前建筑结构设计软件的种类,掌握运用PKPM系列软件对常见结构体系进行建模、计算分析以及绘制结构施工图的一般步骤及方法.②专业设计软件的教学内容.介绍结构电算常用软件的发展、应用,以及目前建筑结构设计软件的种类、特点,掌握运用PKPM系列软件的基本功能和主要技术条件：主要讲授钢筋混凝土构件设计（GJ）、结构平面计算机辅助设计软件（PMCAD）、钢筋混凝土框架、排架计算设计与施工图绘制软件（PK）、多层建筑结构空间有限元分析设计软件（SAT-8,SATWE）、梁柱结构施工图、基础工程计算机辅助设计（JCCAD）、楼梯计算机辅助设计（LTCAD）.

2.通用有限元软件.工程师必须自己编制计算程序予以解决一些专业软件无法解决的问题.程序设计是大学阶段的计算机应用知识的一个薄弱环节,而作为一名土木工程师,掌握编程能力解决结构分析中的问题是一项基本技能.因此,在学校加强计算机编程能力的培养十分必要.故需学习某一通用有限元软件,以此软件为平台,编程解决设计中的计算问题.这能加深学生对专业概念的理解,增强学生分析解决问题的能力.①通用有限元软件教学的基本要求.了解有限元方法的发展、应用以及目前有限元分析软件,掌握运用一种有限元软件,ANSYS对简单的结构问题进行建模、计算分析以及后处理的一般步骤及方法.②通用有限元软件的教学内容.有限元方法的发展、应用,现常用有限元分析软件的种类及其特点,有限元软件ANSYS的常用单元、GUI操作、建模过程、求解和后处理的使用,以及掌握一般结构问题的APDL编程.

三、突出《建筑结构电算》课程特色

概念设计是土木工程设计的灵魂.构建基于概念设计的“结构电算”教学模式[1].运用“项目教学法”,将整个课程划分为“基础性验证”、“设计性综合”、“分析与创新”三个能力训练模块.

1.基础性验证.结构电算和课程教学应是相辅相成的关系.配合土木工程专业核心课程《混凝土结构原理》教学引入PKPM系列的结构基本构件辅助设计（GJ）软件、《钢结构原理》教学引入PKPM系列的钢结构计算机辅助设计（工具箱）,以及探索者（TSSD）和理正结构工具箱等常用构件软件,讲解软件主要技术条件,采用“任务驱动法”,布置梁、板、柱、基础承载力计算和裂缝宽度以及变形验算作业,并要求将手算与电算计算结果进行对比验证、分析.

2.设计性综合.在课程设计环节,学生已用手算完成了设计题目.建筑结构电算课程为学生重点讲解PKPM软件结构平面计算机辅助设计软件PMCAD、框排架计算机辅助设计PK和基础设计软件JCCAD的基本原理、技术条件和使用方法,让学生自己动手使用软件建模,进行内力计算并绘图.譬如钢筋混凝土楼盖课程设计[2],让学生熟悉PMCAD各级菜单命令及其操作方法,掌握PMCAD结构建模的主要步骤、荷载的输入、计算数据文件形成、最后结构平面施工图的绘制.又如在钢筋混凝土单层工业厂房课程设计中的一榀排架计算,可以用PK软件计算出内力和配筋,对柱下独立杯口基础用JCCAD软件进行设计.教学中,学生学习兴趣很高；同时发现不少学生认为只要会用结构软件,则不需要再进行烦琐的手工计算了,忽视对结构概念的掌握和理解.具体落实到该课程上,体现在以下几方面：①结构概念和结构布置能力的培养.PKPM是学习结构知识的工具,学生应用PKPM建模分析,应具有基本的结构概念.在理解结构概念的基础上,学生需要掌握结构布置的方法,这些对于学生都不是一次完成的,需要反复调整.在教学中,必须配合相应练习,检查学生结构布置的优劣.②对专业规范、规程的接触和理解.《建筑结构电算》学习的重点和难点是让学生掌握如何分析SATWE计算结果、并进行合理调整,SATWE计算参数的设置与土木工程的各门专业课有密切的关系.因此,在教学中运用“项目教学法”,将SATWE计算参数的设置与规范结合讲解,并通过实验操作,让学生有更深刻的理解.

3.分析与创新.结构电算的教学,不应满足于学生会用PKPM软件进行结构设计的全过程操作,而应注重对电算结果的分析,不仅分析局部构件指标,还要分析结构整体层面上的指标,例如周期比、位移比、刚度比、刚重比、剪重比、倾覆力矩比等指标,如不满足规范要求,应查找原因,根据所学知识进行调整.另外,为了培养学生的创新能力,布置应用通用有限元软件进行研究性学习的题目,如分析比较钢筋混凝土深梁与普通梁的受力特点等.

结合土木工程专业的特点,将《建筑结构电算》课程教学划分为“基础性验证”、“设计性综合”、“分析与创新”三个能力训练模块,形成与理论和实践教学相辅相成的知识和能力并重的教学体系.通过该课程的学习,使土木工程专业的学生不仅具备熟练使用结构设计软件的基本能力,对目前流行的工程应用软件和有限元软件掌握其一般功能和基本使用方法,能够运用计算机技术解决一些常见的结构问题,使学生建立起结构设计的科学思维方法,不断提高工程实践能力和创新能力；为相关课程的课程设计和提高毕业设计质量打下良好的基础.