基于以學生為中心的節點模型庫建立

楊丹 鄔萌 王若鑌 杜旭超

摘?要：基于對現階段土木工程專業認證及本科工程教育本質的解讀，通過以學生為中心、老師輔助這種兩者共同參與課程建設的方式，建立鋼結構節點的電子模型庫來幫助同學們認知并理解鋼結構相關課程中復雜的節點構造和受力情況以及抽象的理論表述方式。同時，參與課程建設的同學在自己動手操作建模的過程中更能夠理解某些節點或結構的復雜受力和抽象概念，從而建立起自己的鋼結構節點知識體系，鍛煉自己的動手操作能力及與隊友溝通交流的能力。

關鍵詞：鋼結構;以同學為中心;節點模型庫;節點構造

一、緒論

隨著我國經濟的高速發展，為滿足我國人民日益增長的物質和精神需求，建筑行業也在不斷發展。鋼結構雖然價格高昂，但是因其強度高、重量輕、密封性好，而且制造簡便，易于采用工業化生產，施工安裝方便且周期短，建成的鋼結構也便于拆卸、加固或改造，最重要的是其回收再利用率可達99.99%，符合我國可持續發展理念等一系列原因，鋼結構正成為炙手可熱的發展項目。

根據由前瞻產業研究院歸納整理的數據可知：2018年，我國鋼結構的產值達到6736億元，僅占了建筑業總產值的2.87%;而2019年我國鋼結構的產值達到了7453億元，約占了建筑業總產值的3.23%;同時，2018年，全國建筑用鋼量為4.18億噸，鋼結構用鋼占建筑用鋼量的比例為16.5%。我國鋼結構建筑的占比不到5%，而在國外，尤其是歐美國家鋼結構建筑的占比普遍在40%以上。由此可見，我國鋼結構建筑的發展空間還很大，發展前景一片明朗。

鋼結構由鋼構件和節點組成。多次震害表明，建筑經常發生鋼框架節點和豎向支撐節點破壞，相關抗震規范中強調：“強節點，弱構件”;另一方面，國家現階段正大力倡導裝配式建筑，其中鋼結構的節點設計更傾向于采用“工廠焊接，現場栓接”的方式。綜上所述，節點設計是鋼結構設計中最重要的組成部分，對建筑結構安全起著舉足輕重的作用，節點的構造是否合理、傳力是否明確從根本上決定了結構設計是否合理、結構是否安全。

二、鋼結構節點學習中存在的問題

鋼結構體系作為一個專業技術要求較高，受力和施工都比較復雜的系統工程，部分節點構造復雜，處于多向受力狀態，傳力路徑不明確，且教材中的某些構造平面圖過于抽象，使得其空間立體圖形難以想象。加之知識點非常繁雜，給我們的學習帶來了重重困難。

從以往的鋼結構教學中，我們可以發現：鋼結構節點作為鋼結構原理與設計等相關專業核心課程的重難點，其結構受力復雜、形式多樣、構造及計算理解難度大，具有學習難度大、空間想象力要求高、理論復雜煩瑣且難以理解、節點設計不易掌握等一系列困難。無論是對老師的教學來說，還是就學生的學習而言，節點設計都存在很大的困難。

三、鋼結構節點模型庫的建立

目前為解決這些問題，大多數人選擇課堂上老師授課PPT中的配圖以及課前同學自制模型這兩種方式。但這并不能有效地解決上述這些問題，因此我們提出了建立節點模型庫。我們要跳出課堂的局限，立足于當今社會不可或缺的網絡虛擬世界，直接給同學們展示節點構造及傳力路徑，以達到幫助同學研究節點模型并理解節點構造、受力狀態及傳力路徑的目的。具體從以下兩個方面展開：

（1）利用軟件建立虛擬仿真節點模型庫，并實現拆解、拼接的動畫。

（2）利用亞克力板等材料，拼裝典型節點，建立鋼結構節點實體模型庫。

鋼結構是由鋼構件和節點組成的結構體系，根據節點所處位置的不同可以分為梁柱節點、柱腳節點等;從轉動剛度來看可分為剛性節點、半剛性節點和鉸接節點。目前，鋼結構建筑大面積采用剛性節點。但抗震地區，考慮到抗震結構的延性，半剛性節點逐漸受到重視，如何實現半剛性節點的連接也成為研究熱點。

在鋼結構節點模型庫的建立過程中，我們遇到了很多問題。鋼結構節點種類繁多，構造復雜多變，有一些節點在只有平面圖的情況下，我們無法想象其空間立體形象，也無法透徹理解節點的構造情況。例如：結構構件與節點連接的位置關系，節點板的位置，焊縫的寬度、分布及形式，螺栓的間距、排列方式等等。

最初，我們考慮采用3Dmax、Revit、Sketchup等軟件中的一、兩個來建立模型，但經過綜合考慮，Revit因簡單易學、學習資源豐富、參數化程度高等優勢被選中來建立鋼結構節點模型庫。我們先建立了梁柱節點的模型庫，目前已經建立了多個剛性及半剛性節點的電子模型，其中剛性節點電子模型采用了全螺栓連接和焊縫連接以及栓焊混接三種不同連接方式。在Revit軟件中，我們可以通過移動鼠標來旋轉節點模型，因此我們可以從上下左右、東南西北各個不同方向展示節點模型，非常形象立體，能夠讓同學們一看就明白結構構件與節點的連接位置關系、節點板或者墊板的位置等，同時也能清楚地看出節點采用的連接方式。

建立鋼結構節點電子模型庫后，我們還做了拆解和拼裝節點模型的動畫。相較于節點電子模型庫里能夠旋轉展示節點構造的3D立體模型，拆解和拼裝節點模型的動畫能夠更加清楚明白地給同學們展示節點的組成、連接以及施工過程。

雖然鋼結構節點的實體模型相較于電子模型而言，會更耗費人力、物力，也會占用一定的空間來存放，但是實體模型能夠讓我們直接上手操作，模擬鋼結構節點的施工。所以，我們也利用亞克力板等材料制作并拼裝了一部分鋼結構節點的實體模型。

四、建立鋼結構節點模型庫的收獲

在項目立項申請之前，我們就已經在鋼結構相關課程的學習中了解到了鋼結構節點的重要性，因此我們主動參與到了鋼結構相關的課程建設中。而這樣做不僅僅是為了在建模過程中學到更多的東西，從而增加我們專業知識的儲備，更是為了鍛煉我們的動手能力、自主學習以及繼續學習的能力。

鋼結構節點模型電子庫里的模型可以方便師生隨時點擊查看，幫助同學理解鋼結構節點的立體形狀以及構造，讓老師的課堂更加立體生動，使節點設計不再是老師PPT上難以想象的平面圖。這能夠解決我們在學習過程中因為空間想象能力不好而導致的問題，也是我們建立鋼結構節點模型電子庫的初衷。除此之外，拆解和拼裝模型的動畫不僅能夠更加直觀地讓我們認識到節點的組成以及后續的拼裝施工，更能夠讓我們透徹地了解節點的內部構造和傳力路徑。

在建立鋼結構節點的模型電子庫、拆解和拼裝節點模型以及拼裝和建立實體模型庫的整個過程中，我們收獲了很多，不僅是技術性能力的成長，還有人際交往方面的交流溝通能力。作為學生，在學習了鋼結構設計原理之后，我們有幸參與到與之相關的課程建設中來，并且是作為主力軍，我們都非常有成就感。首先，在建模過程中，我們利用各個渠道的資源，借助網絡平臺通過自學學會使用Revit軟件，這不僅是掌握了一項專業軟件使用技術，而且在這個過程中也鍛煉了我們自主學習的能力。其次，建立鋼結構節點模型庫不只是一個學習的過程，更是一段難以忘懷的經歷，是我們學生生涯里濃墨重彩的一筆。在整個過程中，我們需要不斷地跟隊友、指導老師溝通，交換意見。我們的交際能力可謂突飛猛進，與老師溝通交流時也不會再出現因為害羞而支支吾吾的情況。而且，在完成模型庫建立的過程中，我們把節點設計的重難點解讀得十分透徹。最后，完成這一系列理論與實際操作相結合的任務后，我們既鍛煉了自己的實際動手操作能力以及溝通交流能力，建立了鋼結構節點的知識體系，又在老師的帶領下增長了不少見識，積累了做項目的經驗，為以后的學習打下了堅實的基礎。

對沒有參與到建模的同學而言，我們耗時耗力建立的鋼結構節點電子模型庫、實體模型庫以及節點拆解和拼裝動畫可以作為老師教學時使用的教具，也可以作為同學們自主學習的資源供同學參考。這可以幫助同學們更加清晰地認知節點的構造以及傳力路徑。歸根結底，建立鋼結構節點電子模型庫的意義就在于輔助同學們學習節點設計，加深對節點構造和傳力路徑的認知。在這個過程中，我們的動手能力、分析能力、溝通交流能力都得到了一定的提升，知識體系的建立、專業素質的培養以及文化素養的提升也都有一定的成效。

五、結論及建議

我們建立鋼結構節點模型庫的初衷，除了老師提出的鋼結構節點教具研制，以滿足講課時給不理解或者理解有誤的同學們展示節點構造等教學需求之外，還可以解決同學們在學習節點設計時所遇到棘手問題，例如：受力狀態、傳力路徑等。這一切都建立在互聯網的發展與創新上，互聯網所帶來機遇讓我們能夠得到更多的發展機會，能夠更加方便快捷地獲得想要的各種資料、數據以及資源等。

鋼結構節點模型庫的建立以學生為主體，指導老師為輔導。這種方式非常符合我國現階段的教育理念——以學生為中心，老師指導為輔，增大學生的知識儲備，充分鍛煉學生自主學習、繼續學習的能力及動手操作能力，專注培養學生的專業素養。

綜上所述，建立鋼結構節點模型庫，能夠幫助同學們在鋼結構相關課程的教學過程中更加深刻透徹地理解并掌握節點的構造、受力路徑等學習過程中的重點、難點，而且能夠培養同學們自主學習、繼續學習的能力，還對鋼結構的推廣使用起著一定的促進效果。

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項目支持：鋼結構梁柱節點教具研制，教育部協同育人項目（編號：201902321019）西南石油大學課外開放實驗《鋼結構節點模型庫的建立》

作者簡介：楊丹（1996—?），女，漢族，四川成都人，本科。

指導老師：蒲萬麗。