《建筑結構電算》創新實踐課程的教學探索

摘要：以“提高學生工程素質，激發學生創新意識，培養學生自學能力，服務學生就業市場”作為《建筑結構電算》課程建設的著眼點，選用專業設計軟件——PKPM建筑結構設計和通用有限元軟件——ANSYS為平臺進行課程教學，將整個課程劃分為“基礎性驗證”、“設計性綜合”、“分析與創新”三個能力訓練模塊，實現了從課內學習向課外工程實踐的延伸，增強了學生的專業學習興趣和實踐動手能力，縮短了專業理論學習與工程實踐的距離，培養了學生工程素質和創新能力。

關鍵詞：土木工程；工程實踐；工程素質；創新能力

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）33-0044-02

土木工程是一門與實際工程緊密結合、實踐性很強的應用學科。隨著計算機技術的迅猛發展和工程結構型式的日趨復雜，用人單位對從事土木工程技術人員的軟件應用能力提出了更高的要求。對于非計算機專業的土木工程專業學生來說，唯有在掌握扎實的專業理論知識基礎上，同時具備常用工程軟件的應用能力，才能適應社會發展和滿足學生就業市場的需要。北京工業大學從2007級土木工程專業本科生起，開設創新實踐課程——《建筑結構電算》。該課程是為土木工程建筑結構方向本科生在完成專業基礎課學習之后開設的一門實踐課程選修課。本文對這門新興課程的教學模式進行了探索，旨在為土木工程應用型創新人才培養模式的改革奠定基礎。

一、《建筑結構電算》課程面臨的問題

目前，一般高等院校對于土木工程專業大學生計算機應用能力的培養還大大落后于信息時代對高素質人才的客觀要求，在計算機應用方面存在以下問題。

1.土木工程軟件的多樣性。現階段的土木工程類軟件十分龐雜，例如目前的結構計算程序主要有：PKPM系列、TBSA系列、GSCAD、SAP2000、ETABS，以及德國的ASKA、英國的PAFEC、法國的SYSTUS、美國的ABQUS、ADINA、ANSYS、MARC等。在有限的教學學時內，選擇適宜的軟件來開展教學活動是比較困難的，例如軟件地域性問題，南方和北方所使用的主流結構設計軟件就不盡相同，而各個軟件都有自己的優勢和不足。

2.缺乏實用的電算教材。現階段土木工程專業計算機輔助課程，國家并沒有相應的統編教材。由于土木工程專業應用軟件十分龐雜，結構計算軟件與規范、規程緊密聯系，流行軟件的版本更新很快，等等一系列的原因，使得市面上流通的電算教材雖然不少，但良莠參半，而且大多教材都與專業課程脫離，僅僅對軟件功能、具體操作步驟進行講解，與實際工程結合顯得欠缺，實際應用起來效果欠佳。

二、優化《建筑結構電算》教學內容

課堂教學是培養學生工程素質及創新能力的主渠道。《建筑結構電算》是一門新興課程，其設置正是為了加強學生土木工程專業知識與計算機技術的緊密結合，以達到深化專業理論、拓寬專業知識和延伸專業技能的目的。該課程具備兩大特點：第一，屬于結構設計類課程；第二，同時又具備實踐教學環節的特點。由于計算機應用技術的迅猛發展，其教學內容必須不斷更新，不應該把該課程局限于一些兄弟院校開設的基于計算機輔助繪圖、僅講授AUTOCAD知識的課程。優化教學內容是該課程能否達到良好教學效果的關鍵。以“提高學生工程素質，激發學生創新意識，培養學生自學能力，服務學生就業市場”作為《建筑結構電算》課程建設的著眼點，將結構分析軟件分為專業設計軟件和通用有限元軟件兩大部分教學內容講授。

1.專業設計軟件。結構分析計算的專業設計軟件很多，在有限的學時內教師不可能一一講授，選擇PKPM系列結構CAD軟件作為電算課程教學的主要內容。①專業設計軟件教學的基本要求。了解結構電算常用軟件的發展、應用以及目前建筑結構設計軟件的種類，掌握運用PKPM系列軟件對常見結構體系進行建模、計算分析以及繪制結構施工圖的一般步驟及方法。②專業設計軟件的教學內容。介紹結構電算常用軟件的發展、應用，以及目前建筑結構設計軟件的種類、特點，掌握運用PKPM系列軟件的基本功能和主要技術條件：主要講授鋼筋混凝土構件設計（GJ）、結構平面計算機輔助設計軟件（PMCAD）、鋼筋混凝土框架、排架計算設計與施工圖繪制軟件（PK）、多層建筑結構空間有限元分析設計軟件（SAT-8，SATWE）、梁柱結構施工圖、基礎工程計算機輔助設計（JCCAD）、樓梯計算機輔助設計（LTCAD）。

2.通用有限元軟件。工程師必須自己編制計算程序予以解決一些專業軟件無法解決的問題。程序設計是大學階段的計算機應用知識的一個薄弱環節，而作為一名土木工程師，掌握編程能力解決結構分析中的問題是一項基本技能。因此，在學校加強計算機編程能力的培養十分必要。故需學習某一通用有限元軟件，以此軟件為平臺，編程解決設計中的計算問題。這能加深學生對專業概念的理解，增強學生分析解決問題的能力。①通用有限元軟件教學的基本要求。了解有限元方法的發展、應用以及目前有限元分析軟件，掌握運用一種有限元軟件，ANSYS對簡單的結構問題進行建模、計算分析以及后處理的一般步驟及方法。②通用有限元軟件的教學內容。有限元方法的發展、應用，現常用有限元分析軟件的種類及其特點，有限元軟件ANSYS的常用單元、GUI操作、建模過程、求解和后處理的使用，以及掌握一般結構問題的APDL編程。

三、突出《建筑結構電算》課程特色

概念設計是土木工程設計的靈魂。構建基于概念設計的“結構電算”教學模式[1]。運用“項目教學法”，將整個課程劃分為“基礎性驗證”、“設計性綜合”、“分析與創新”三個能力訓練模塊。

1.基礎性驗證。結構電算和課程教學應是相輔相成的關系。配合土木工程專業核心課程《混凝土結構原理》教學引入PKPM系列的結構基本構件輔助設計（GJ）軟件、《鋼結構原理》教學引入PKPM系列的鋼結構計算機輔助設計（工具箱），以及探索者（TSSD）和理正結構工具箱等常用構件軟件，講解軟件主要技術條件，采用“任務驅動法”，布置梁、板、柱、基礎承載力計算和裂縫寬度以及變形驗算作業，并要求將手算與電算計算結果進行對比驗證、分析。

2.設計性綜合。在課程設計環節，學生已用手算完成了設計題目。建筑結構電算課程為學生重點講解PKPM軟件結構平面計算機輔助設計軟件PMCAD、框排架計算機輔助設計PK和基礎設計軟件JCCAD的基本原理、技術條件和使用方法，讓學生自己動手使用軟件建模，進行內力計算并繪圖。譬如鋼筋混凝土樓蓋課程設計[2]，讓學生熟悉PMCAD各級菜單命令及其操作方法，掌握PMCAD結構建模的主要步驟、荷載的輸入、計算數據文件形成、最后結構平面施工圖的繪制。又如在鋼筋混凝土單層工業廠房課程設計中的一榀排架計算，可以用PK軟件計算出內力和配筋，對柱下獨立杯口基礎用JCCAD軟件進行設計。教學中，學生學習興趣很高；同時發現不少學生認為只要會用結構軟件，則不需要再進行煩瑣的手工計算了，忽視對結構概念的掌握和理解。具體落實到該課程上，體現在以下幾方面：①結構概念和結構布置能力的培養。PKPM是學習結構知識的工具，學生應用PKPM建模分析，應具有基本的結構概念。在理解結構概念的基礎上，學生需要掌握結構布置的方法，這些對于學生都不是一次完成的，需要反復調整。在教學中，必須配合相應練習，檢查學生結構布置的優劣。②對專業規范、規程的接觸和理解。《建筑結構電算》學習的重點和難點是讓學生掌握如何分析SATWE計算結果、并進行合理調整，SATWE計算參數的設置與土木工程的各門專業課有密切的關系。因此，在教學中運用“項目教學法”，將SATWE計算參數的設置與規范結合講解，并通過實驗操作，讓學生有更深刻的理解。

3.分析與創新。結構電算的教學，不應滿足于學生會用PKPM軟件進行結構設計的全過程操作，而應注重對電算結果的分析，不僅分析局部構件指標，還要分析結構整體層面上的指標，例如周期比、位移比、剛度比、剛重比、剪重比、傾覆力矩比等指標，如不滿足規范要求，應查找原因，根據所學知識進行調整。另外，為了培養學生的創新能力，布置應用通用有限元軟件進行研究性學習的題目，如分析比較鋼筋混凝土深梁與普通梁的受力特點等。

結合土木工程專業的特點，將《建筑結構電算》課程教學劃分為“基礎性驗證”、“設計性綜合”、“分析與創新”三個能力訓練模塊，形成與理論和實踐教學相輔相成的知識和能力并重的教學體系。通過該課程的學習，使土木工程專業的學生不僅具備熟練使用結構設計軟件的基本能力，對目前流行的工程應用軟件和有限元軟件掌握其一般功能和基本使用方法，能夠運用計算機技術解決一些常見的結構問題，使學生建立起結構設計的科學思維方法，不斷提高工程實踐能力和創新能力；為相關課程的課程設計和提高畢業設計質量打下良好的基礎。

參考文獻：

[1]李永梅，等.土木工程專業畢業設計應加強結構電算的應用[J].蘭州理工大學學報，2009，（35）：297-300.

[2]李永梅，等.結構電算在土木工程專業課程設計教學中的應用[J].高等建筑教育，2009，18（5）：112-115.

基金項目：北京工業大學課程建設項目（CR2012-B-004）