鋼結構節(jié)點三維數字模型教學實踐探討

doi：10.11835/j.issn.1005-2909.2013.03.019

收稿日期：2012-10-15

作者簡介：黃海斌（1981-），男，后勤工程學院軍事建筑工程系講師，博士研究生，主要從事鋼結構研究，（E-mail）94213202@qq.com。

摘要：簡要分析鋼結構節(jié)點教學中存在的問題，闡明三維數字模型在現代社會各個領域的應用，指出鋼結構節(jié)點設計教學中三維數字模型的優(yōu)勢，詳細介紹利用PKPM建立鋼結構三維數字模型的過程。實踐表明，利用已建成的鋼結構三維數字模型教學比傳統(tǒng)教學效果更好。

關鍵詞：鋼結構節(jié)點；三維數字模型；PKPM建模；教學實踐

中圖分類號：G642.0；TU391 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2013）03-0071-03 2009年，后勤工程學院將鋼結構原理與設計列為學院重點建設課程，旨在改善教學條件，提升教學質量。鋼結構原理與設計課程是土木工程類專業(yè)必修課。鋼結構原理與設計課程是在已有結構知識基礎上，培養(yǎng)學生對鋼結構基本概念和基本原理的掌握，為進一步學習輕型門式剛架結構、單層廠房結構、多層及高層房屋鋼結構等打下基礎。該課程具有教學內容多、教學難度大、對學生空間想象力要求高、學生不易理解等特點，成為制約課程教學質量提高的瓶頸[1-3]。鋼結構節(jié)點作為該課程重要的教學內容之一，目前教學進行研討的較少。鋼結構節(jié)點是連接鋼結構桿件的重要部分，實際鋼結構破壞中，節(jié)點破壞占比較大。鋼結構節(jié)點受力復雜、形式多樣、構造及計算理解難度大，使得節(jié)點設計不易掌握。利用鋼結構課程建設之際，對鋼結構節(jié)點三維數字模型教學進行探討，目的在于提高相關內容教學的質量。

一、鋼結構節(jié)點教學存在的問題

鋼結構節(jié)點種類繁多，構造十分復雜，相當一部分學生依靠平面圖難以真實、準確地理解和掌握節(jié)點構造的完整信息。例如：結構構件與節(jié)點的連接位置關系、節(jié)點板的厚度、焊縫的分布及焊縫的形式、螺栓的數量及螺栓的排列等。在現有的鋼結構教材中，多采用節(jié)點二維CAD圖紙、二維圖片等進行教學，這對學生的空間想象力要求較高；有條件時往往輔以節(jié)點教學模型。雖然節(jié)點模型有助于學生理解，但節(jié)點種類、數量有限，加之因模型笨重、使用不方便等原因在教學中一般較少使用。同濟大學對此曾研討鋼結構節(jié)點三維實體技術[4]，但均未用于教學活動中。 二、三維數字模型

三維數字模型是指在計算機系統(tǒng)中利用圖素來描述空間三維實體，通常用計算機或者其它視頻設備進行顯示。三維數字模型在各個領域都有著廣泛應用。目前物體的建模方法大體有三種：第一種利用三維軟件建模；第二種通過儀器設備測量建模；第三種利用圖像或者視頻建模。

鋼結構節(jié)點常用的數字模型生成軟件有：3DMAX、SoftImage、Maya、ANSYS、AutoCAD等，其共同特點是利用一些基本的幾何元素，如立方體、球體等，通過一系列幾何操作，如平移、旋轉、拉伸以及布爾運算等構建復雜的幾何場景。根據鋼結構的特點，目前已開發(fā)了PKPM、3D3S、XSTELL等專業(yè)設計軟件。利用專業(yè)設計軟件可以方便快捷地建立鋼結構三維數字模型。圖1為典型的鋼結構三維數字模型圖。

圖1 典型鋼結構三維數字模型圖

三、鋼結構節(jié)點三維數字模型的建立方法

（一）鋼結構節(jié)點的基本類型

鋼結構節(jié)點主要有梁柱節(jié)點連接（柱邊剛接單連接板、短梁拼接、柱邊剛接雙連接板三種梁柱固結節(jié)點；雙剪連接、單連接板、雙連接板三種鉸接節(jié)點）、主次梁節(jié)點連接（采用高強螺栓加翼緣連接板連接、采用角焊縫加翼緣連接板連接、采用焊縫連接三種固結節(jié)點；雙角鋼連接、腹板深入、寬加勁肋、雙連接板四種鉸接節(jié)點）、柱腳（外露式柱腳無錨栓支承托座、外露式柱腳設錨栓支承托座、埋入式柱腳、包腳式柱腳四種固結柱腳；一種鉸接柱腳）、支撐與梁柱連接、支撐與柱腳連接五種類型。教學過程中分別介紹各類節(jié)點的計算方法，構造時需要對這五類節(jié)點分別建立三維數字模型，學生理解和掌握時就有針對性。根據使用方便，便于學習和掌握的原則，建立了上述五類鋼結構節(jié)點共計27個。

（二）PKPM生成鋼結構節(jié)點基本步驟

利用常用建筑結構計算軟件PKPM鋼結構設計計算STS功能模塊中節(jié)點設計及計算單元，建立課程中常見節(jié)點的三維數字模型。節(jié)點三維數字模型建立基本步驟[5]：首先確定節(jié)點中梁柱的截面大小；輸入節(jié)點所受彎矩M和軸力N；確定連接方式為鉸接或則固結；確定采用螺栓還是焊縫連接等基本參數；確定其他相關參數；采用軟件自帶的視圖功能從不同角度觀察節(jié)點。

PKPM三維數字模型建立主要窗口如圖2。

圖2 PKPM三維數字模型建立主要窗口

（三）鋼結構節(jié)點平面設計圖與三維數字模型效果對比

以梁柱柱邊剛接節(jié)點連接為例，建立的節(jié)點三維數字模型及基本設計參數如下：柱截面參數，鋼截面焊接工字形截面600×300×10×12；梁截面參數，鋼截面焊接工字形截面500×250×8×10；梁端節(jié)點設計彎矩，M=180.0kNm；梁端節(jié)點設計剪力，V=200kN；工字形梁與工字形柱剛接連接，連接類型為柱邊剛接，單連接板高強螺栓連接（翼緣用對接焊縫，對接焊縫質量級別為2級；腹板用高強螺栓，翼緣承擔全部彎矩，腹板只承擔剪力）。建立三維數字模型如圖3。

圖3 節(jié)點平面設計圖與三維數字模型對比

從圖3可以看出，節(jié)點三維數字模型圖較原平面設計圖更直接、形象，學生對節(jié)點構造一目了然。

四、結語

鋼結構節(jié)點構造復雜，節(jié)點計算和構造理解難度大；利用三維數字模型，可以克服傳統(tǒng)教學手段的不足，使學生直觀地認識和理解常用節(jié)點的構造和傳力路線，并掌握節(jié)點設計。利用常用PKPM結構設計軟件中的STS功能模塊建模方便，基本涵蓋了常用鋼結構節(jié)點類型，使用方便。從教學情況看，利用三維數字模型教學效果良好，深受學生歡迎。

參考文獻：

[1]劉堅，黃襄云.鋼結構教學體會[J].高等建筑教育.2005（3）：49-51.

[2]尹志明，李筱華.鋼結構教學改革探討[J].高等建筑教育.2002（2）：64-65.

[3]張哲，張猛，李天.鋼結構教學改革與創(chuàng)新[J].高等建筑教育.2010（5）： 66-69.

[4]許倩華，楊暉柱，張其林.鋼結構節(jié)點三維實體技術[J].計算機輔助工程.2007（3）： 30-33.

[5]王建，董衛(wèi)平.PKPM結構設計軟件入門與應用實例——鋼結構[M].北京：中國電力出版社. 2008.

Teaching steel structure node course by using three-dimensional digital model

HUANG Haibin， WANG Zonggang， LEI Yunbo， WANG Ping

（Logistical Engineering University of PLA， Chongqing 401311， P. R. China）

Abstract： We presented brief analysis of steel structure teaching， illustrated the application of three-dimensional digital model in various fields in the modern society， pointed out the advantage of the node design of steel structure teaching by using three-dimensional digital model， and proposed the use of PKPM to build steel structure three-dimensional digital model in detail. The practice shows that using three-dimensional digital model in teaching can achieve better teaching effect than that of traditional teaching.

Keywords： steel structure node； three-dimensional digital model； PKPM model； teaching practice

（編輯 梁遠華）