電子模型在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程教學(xué)中的應(yīng)用

孫國華+高曉瑩+高建洪等

摘要：土木工程專業(yè)學(xué)生在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程學(xué)習(xí)中，對鋼結(jié)構(gòu)的復(fù)雜構(gòu)造及抽象概念常常感到難以理解，文章建議引入電子模型技術(shù)輔助傳統(tǒng)教學(xué)來解決這一難題。在課程教學(xué)中，可采用電子模型輔助教學(xué)方式增強學(xué)生對鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜構(gòu)造及抽象概念的認知，加深學(xué)生對重要知識點的理解，以達到最終掌握鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理的目的。

關(guān)鍵詞：土木工程專業(yè)；鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理；電子模型；教學(xué)方法；教學(xué)研究

中圖分類號：G6420；TU3-4文獻標(biāo)志碼：A文章編號：10052909（2015）06017405鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程是土木工程專業(yè)的主要專業(yè)課程之一，對建筑工程領(lǐng)域應(yīng)用型人才培養(yǎng)起著重要作用[1]。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程具有理論性強、難度大、內(nèi)容較抽象等特點[2]，以致學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中感到有一定難度。為此，許多教師對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程教學(xué)進行了改革探討。西安建筑科技大學(xué)郭成喜教授[3]針對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程教學(xué)環(huán)節(jié)的迫切需要，從教學(xué)管理及授課教師角度出發(fā)，研制了系列鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程教學(xué)軟件，包括“鋼結(jié)構(gòu)題苑”、“高等鋼結(jié)構(gòu)題苑”、“鋼結(jié)構(gòu)畢業(yè)設(shè)計專用軟件WGL”及“標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)成績單制作系統(tǒng)”，以提高鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程的授課質(zhì)量。同濟大學(xué)羅烈等[4]編制了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程習(xí)題庫教學(xué)軟件，方便學(xué)生課后學(xué)習(xí)。鄧海[5]建議在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程的授課過程中結(jié)合現(xiàn)場教學(xué)方式提高教學(xué)質(zhì)量。此外，還有部分高校購買了大量鋼結(jié)構(gòu)實物模型用于輔助鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程課堂授課。北京工業(yè)大學(xué)李永梅等 [6]提出搭建數(shù)字化土木工程結(jié)構(gòu)教學(xué)平臺的教改思路，利用數(shù)字化模型輔助傳統(tǒng)課堂教學(xué)。隨著虛擬技術(shù)及計算機技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了大量虛擬仿真軟件。應(yīng)用這些可視化軟件可將鋼結(jié)構(gòu)所涉及的構(gòu)件、節(jié)點構(gòu)造及主要受力構(gòu)件在荷載作用下的失穩(wěn)等現(xiàn)象制作成電子模型或視頻，課堂上通過對電子模型及視頻的演示可形象地再現(xiàn)構(gòu)件及節(jié)點的加工制作流程、構(gòu)件的失穩(wěn)過程，加深學(xué)生對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程重點、難點知識的理解。付濤等[7]在課堂教學(xué)中結(jié)合鋼梁的虛擬模型演示其面外失穩(wěn)的全過程，取得了較好的課堂教學(xué)效果。同濟大學(xué)羅曉群等[8]采用數(shù)字仿真技術(shù)開發(fā)了單層鋼結(jié)構(gòu)廠房動畫課件，并將其應(yīng)用于課堂教學(xué)。綜上所述，虛擬技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。電子模型在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程教學(xué)過程的應(yīng)用，這種將傳統(tǒng)教學(xué)方式同現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合的教學(xué)改革，已成為提高鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程教學(xué)質(zhì)量切實可行的有效途徑。

一、電子模型

電子模型，又稱虛擬模型，是通過計算機將實物模型采用虛擬仿真軟件實現(xiàn)的一種非實物模型。電子模型技術(shù)具有可視化的特點，能將不可見的、不能表達的或抽象的一些東西轉(zhuǎn)變?yōu)榭煽吹降幕蛘呖上胂蟮膱D片、圖像和視頻等。目前，有很多軟件可用于制作鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程教學(xué)的電子模型，如3Dmax、Sketchup、Solidword、AutoCad、Xsteel、BS Contact VRML/X3D等軟件，甚至一些著名的商業(yè)有限元軟件也可制作鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程教學(xué)電子模型，如Ansys、Abaqus、Nastran、Adina等，這些軟件還可以制作構(gòu)件失穩(wěn)的全過程視頻。

孫國華，等電子模型在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程教學(xué)中的應(yīng)用

二、電子模型技術(shù)輔助教學(xué)的優(yōu)勢

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程是土木工程專業(yè)中較難學(xué)的一門專業(yè)課程，該課程理論性強，且內(nèi)容比較抽象，某些復(fù)雜問題教師不易講透，學(xué)生也難以完全理解。因此，對該課程中的難點、重點，教師可將其提煉并制作成電子模型，在教學(xué)過程中輔以電子模型演示，學(xué)生則更易理解。電子模型在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程教學(xué)中的優(yōu)勢可總結(jié)如下：

第一，形式新穎，突破傳統(tǒng)。將現(xiàn)代虛擬技術(shù)引入課堂教學(xué)，打破了傳統(tǒng)教學(xué)采用板書或多媒體教學(xué)的單一方式。在課堂教學(xué)過程中，教師采用虛擬仿真軟件演示電子模型，豐富了教學(xué)手段，同時也使課堂教學(xué)更生動，容易調(diào)動學(xué)生的熱情和興趣。

第二，表現(xiàn)手法形象、生動。通過將鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程涉及的復(fù)雜問題（如復(fù)雜的節(jié)點構(gòu)造、構(gòu)件失穩(wěn)現(xiàn)象等）以動態(tài)的電子模型方式表現(xiàn)出來，通過視覺輸入即可加強學(xué)生對復(fù)雜問題的認知。電子模型教學(xué)具有形象化、多樣化、生動化的特點，有利于增強學(xué)生對復(fù)雜知識點的深入理解。實踐證明動畫比文字更有助于學(xué)生的理解與記憶，特別是學(xué)生自己動手操控動畫的演示時，效果更為明顯。

第三，攜帶、保存方便，制作成本低。傳統(tǒng)教學(xué)為增強學(xué)生對鋼結(jié)構(gòu)中主要構(gòu)件或體系的理解，通常也會購買一些由木材、鋼材或塑料制作的鋼梁、鋼柱、各種類型的梁柱連接、柱腳、屋架等，并組織學(xué)生課后參觀，期望學(xué)生對其深入理解。但傳統(tǒng)實物模型不僅造價昂貴，且保存占用大量空間，需要定期維修，使用期間仍會產(chǎn)生一定的維護成本。因此，許多教師并不喜歡實物教學(xué)方式。電子模型則不同，屬于一次性投入。一旦電子模型制作完成，后期不需任何維護，不占用任何空間，可無限次重復(fù)使用。教師可非常方便地在課堂教學(xué)中展示電子模型。此外，教師還可將電子模型拷貝給學(xué)生，學(xué)生還可利用課后時間獨立演示，便于課后自學(xué)或復(fù)習(xí)。

第四，降低教師工作強度。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程的教學(xué)過程中，對復(fù)雜知識點單純依靠板書或多媒體授課，要完全面面俱到地將其講解透徹需要耗費教師大量時間和精力。引入電子模型后，教師可結(jié)合電子模型輕易將復(fù)雜問題講透徹，學(xué)生也更容易接受復(fù)雜知識。

第五，易于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)。21世紀是信息時代，是網(wǎng)絡(luò)時代。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日臻成熟，基于Web的虛擬教室或虛擬校園逐漸成為未來教育的一種全新教學(xué)方式。目前基于Web的虛擬教室、網(wǎng)上學(xué)校已陸續(xù)出現(xiàn)。鋼結(jié)構(gòu)電子模型非常適合學(xué)習(xí)者通過網(wǎng)絡(luò)自學(xué)、復(fù)習(xí)，可不受時間、空間影響。計算機網(wǎng)絡(luò)輔助教學(xué)已成為教育技術(shù)的重要組成部分，電子模型技術(shù)必將在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程教學(xué)中發(fā)揮越來越重要的作用。

三、電子模型在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程教學(xué)中的應(yīng)用

目前，國內(nèi)已有一些高校的教學(xué)團隊將電子模型技術(shù)應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程教學(xué)中，并已制作了部分鋼結(jié)構(gòu)電子模型，在鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)改革方面取得了一定的成績。蘇州科技學(xué)院鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)團隊對已有的電子模型進行了收集、整理，同時基于BS Contact VRML/X3D軟件對尚未涉及的一些典型節(jié)點進行了開發(fā)、制作，進一步豐富了鋼結(jié)構(gòu)課程電子模型庫。總體上，已有的鋼結(jié)構(gòu)課程電子模型可大致分為五類，見表1。表1鋼結(jié)構(gòu)電子模型的種類

類型典型節(jié)點構(gòu)造典型試驗構(gòu)件失穩(wěn)復(fù)雜構(gòu)件構(gòu)造鋼結(jié)構(gòu)體系示例如主次梁鉸接節(jié)點、鋼柱拼接節(jié)點、梁柱連接節(jié)點、柱腳、格構(gòu)式鋼柱柱頭等如鋼材力學(xué)性能的拉伸試驗、沖擊韌性試驗、冷彎試驗等如典型截面鋼柱軸心受壓時的彎曲失穩(wěn)、彎扭失穩(wěn)、扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)，以及板件的局部失穩(wěn)等如綴條式鋼柱、綴板式鋼柱、桁架梁、鋼屋架等如鋼平臺、輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房、重型鋼結(jié)構(gòu)廠房、典型的鋼框架結(jié)構(gòu)等鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程主要涉及鋼材力學(xué)性能的相關(guān)試驗、格構(gòu)式鋼柱的細部構(gòu)造、主次梁拼接節(jié)點、梁柱連接節(jié)點、柱腳、構(gòu)件的失穩(wěn)類型等相關(guān)電子模型，針對鋼平臺、輕鋼廠房、重鋼廠房、網(wǎng)架等結(jié)構(gòu)體系的電子模型主要在《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計》下冊應(yīng)用。因此，本文重點介紹蘇州科技學(xué)院鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)團隊在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程建設(shè)過程中所完成的部分電子模型。

（一）梁柱連接節(jié)點

在鋼框架結(jié)構(gòu)中，梁柱連接節(jié)點至關(guān)重要，是確保實現(xiàn)鋼框架結(jié)構(gòu)良好延性的重要部件。常用的梁柱連接節(jié)點形式主要有栓焊混合連接、狗骨式連接、加強蓋板式連接。但1994年美國Northridge地震、1995年日本阪神地震均暴露出傳統(tǒng)栓焊混合連接節(jié)點的塑性轉(zhuǎn)動能力不足的問題。為此也提出了一系列半剛性連接節(jié)點，包括頂?shù)捉卿摳拱咫p角鋼節(jié)點、外伸端板節(jié)點、齊平式端板節(jié)點。通常情況下，可根據(jù)節(jié)點的轉(zhuǎn)動剛度及抗彎承載力將其分為三類，分別為剛接節(jié)點、半剛接節(jié)點、鉸接節(jié)點。在這些常用節(jié)點中仍存在許多構(gòu)造復(fù)雜的節(jié)點，對初次接觸節(jié)點概念的學(xué)生來講，不易掌握。基于此，教學(xué)團隊采用BS Contact VRML/X3D軟件將部分典型三類節(jié)點制作成電子模型，學(xué)生可利用BS Contact VRML/X3D軟件將其打開，通過旋轉(zhuǎn)、移動、拆解等操作，細致觀察節(jié)點的做法，明晰節(jié)點的部件組成。同時，學(xué)生還可根據(jù)電子模型節(jié)點組成部件的運行軌跡來了解復(fù)雜節(jié)點的施工安裝順序。

（1）梁柱剛接節(jié)點

在鋼框架結(jié)構(gòu)工程中，剛性連接節(jié)點用量最大。圖1給出了典型梁柱剛性連接節(jié)點的電子模型。其中，圖1（a）是傳統(tǒng)的栓焊混合連接節(jié)點，通常在工廠中將連接板焊接于鋼柱上，在現(xiàn)場將鋼梁吊裝至預(yù)定位置，并利用高強螺栓將鋼梁腹板與鋼柱連接板可靠連接，隨后對鋼梁翼緣與柱翼緣現(xiàn)場焊接。已有的震害表明這種傳統(tǒng)節(jié)點的塑性轉(zhuǎn)動能力無法充分發(fā)揮。隨后，一些學(xué)者為改進傳統(tǒng)栓焊混合連接節(jié)點的抗震性能，通過在鋼梁翼緣位置增設(shè)加強蓋板的方式大幅度提高了節(jié)點的塑性轉(zhuǎn)動能力，從而實現(xiàn)了增加鋼框架結(jié)構(gòu)極限變形能力的最終目的，圖1（b）即為所提出的加強蓋板連接節(jié)點。在鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)過程中，通過對加強蓋板連接節(jié)點的分解、組裝，使得學(xué)生了解此類節(jié)點的構(gòu)造，同時也讓學(xué)生掌握加強蓋板連接節(jié)點的由來。

造成傳統(tǒng)栓焊混合連接節(jié)點在地震作用下脆性破壞的另一主要原因是鋼梁翼緣同鋼柱之間的對接焊縫采用了現(xiàn)場焊接，致使焊縫質(zhì)量一般，導(dǎo)致節(jié)點提早破壞。為此，還有一些學(xué)者提出了帶拼接段的梁柱連接節(jié)點形式。通過將拼接段在工廠內(nèi)焊接來提高相應(yīng)焊縫的焊接質(zhì)量，這種節(jié)點形式已納入我國GB50011-2010《建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》，其具體構(gòu)造見圖1（c）。拼接段采用高強螺栓連接可降低工地現(xiàn)場的焊接工作量，避免由于工地焊縫質(zhì)量不佳導(dǎo)致的脆性斷裂。

圖1剛性連接節(jié)點（2）梁柱半剛接節(jié)點

為增強節(jié)點的轉(zhuǎn)動能力，提出了半剛性連接節(jié)點。目前工程中較為常見的是四角鋼節(jié)點、頂?shù)捉卿摴?jié)點以及齊平式端板節(jié)點。雖然這三種節(jié)點在實際工程中尚未廣泛應(yīng)用，但為拓展土木工程專業(yè)本科學(xué)生的知識面，可在授課過程中補充介紹。圖2給出了三種常見的半剛性連接節(jié)點。通過對圖2中節(jié)點組成部件的拆解，學(xué)生可進一步了解四角鋼節(jié)點、頂?shù)捉卿摴?jié)點、齊平式端板節(jié)點的構(gòu)成。學(xué)生如對此類節(jié)點的力學(xué)性能感興趣，即可查閱相關(guān)文獻了解其受力機理。

圖2半剛性連接節(jié)點（3）梁柱鉸接節(jié)點

針對鋼支撐框架、偏心支撐鋼框架、鋼框架結(jié)構(gòu)體系，美國或歐洲國家通常將結(jié)構(gòu)中的非抗側(cè)力部分按承擔(dān)豎向荷載設(shè)計，這部分框架的梁柱連接往往采用鉸接節(jié)點。相對來說，鉸接節(jié)點在梁柱連接中構(gòu)造最為簡單，不論傳遞彎矩，還是傳遞豎向剪力，其構(gòu)造都是將鋼梁的腹板同鋼柱翼緣連接實現(xiàn)。圖3給出了鋼結(jié)構(gòu)中的常規(guī)鉸接節(jié)點。圖3（a）梁柱鉸接節(jié)點中，僅通過高強螺栓將鋼梁腹板與鋼柱預(yù)先焊接好鋼板連接，即能可靠傳遞剪力。鋼梁翼緣同鋼柱翼緣之間尚未連接，避免了鋼梁端部彎矩的傳遞。圖3（b）采用高強螺栓及角鋼將鋼柱翼緣與鋼梁腹板之間可靠連接，有效地減少了工地現(xiàn)場的焊接工作量，更便于施工。

（二）主、次梁拼接節(jié)點

在常用鋼結(jié)構(gòu)體系的樓蓋系統(tǒng)中，由于主梁、次梁截面高度的不同導(dǎo)致其連接節(jié)點構(gòu)造略為復(fù)雜，學(xué)生首次接觸時不易理解。圖4給出了兩種常見的主、次梁拼接節(jié)點的構(gòu)造。當(dāng)主、次梁之間采用鉸接方式時，兩者之間僅傳遞剪力，通常可將次梁翼緣切除，并通過高強螺栓將次梁腹板同主梁對應(yīng)部位的加勁肋連接。同樣，相比主、次梁的剛性連接節(jié)點，主梁上的加勁肋布置略顯復(fù)雜，需確保次梁翼緣能與主梁腹板上的加勁板可靠連接，并能保證兩者之間可靠傳遞彎矩。學(xué)生通過三維電子模型的旋轉(zhuǎn)即可輕易理解主次梁拼接節(jié)點的具體構(gòu)造。

（三）柱腳節(jié)點

在鋼框架結(jié)構(gòu)中，鋼柱柱腳是整個鋼結(jié)構(gòu)體系中較為重要的部位，承擔(dān)著可靠傳遞鋼柱內(nèi)力的作用。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程教學(xué)過程中，由于柱腳內(nèi)容課時安排較少，往往導(dǎo)致學(xué)生對此理解不深，重視程度不夠。即使學(xué)過后，針對鋼柱柱腳的相關(guān)知識仍較為生疏，在后期畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)就能反映這一點。為增強學(xué)生對柱腳知識的重視，加深學(xué)生對柱腳相關(guān)知識的理解，圖5給出了已制作完成的3種常見平板式柱腳。

圖5柱腳節(jié)點以圖5（c）的H型鋼柱剛接柱腳為例，在BS Contact VRML/X3D軟件中給出了節(jié)點電子模型的簡化安裝過程，見圖6。通過對H型剛接柱腳電子模型的觀察和操作能顯著提高學(xué)生對此柱腳節(jié)點構(gòu)造做法及安裝過程的理解。

圖6H型鋼柱剛接柱腳的安裝過程四、結(jié)語

為幫助土木工程專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程的重點、難點知識，可結(jié)合現(xiàn)代虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建鋼結(jié)構(gòu)常見的拼接節(jié)點的電子模型。提倡授課教師在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程教學(xué)過程中，采用電子模型輔助教學(xué)的方式，以培養(yǎng)學(xué)生對該課程的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對課程中重點、難點的理解，提高課堂教學(xué)效果，幫助學(xué)生牢固掌握鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程的專業(yè)知識。

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Application of electronic model in steel structural design principle course

SUN Guohuaa， GAO Xiaoyinga， GAO Jianhongb， MAO Xiaoyonga

（a. School of Civil Engineering，b. School of Mechanical Engineering， Suzhou University of

Science and Technology， Suzhou 215009， P. R. China）

Abstract： To solve the problem that civil engineering majors feel difficult to master the complex connection details and abstract concepts of steel structure in the steel structure design principle course， a series of electronic models of steel structure were constructed using the simulation software. In the classroom teaching process， the electronic model was suggested to use for students to enhance the understanding and cognition of complex details and abstract concepts of steel structure， which can make them better understand the keystone knowledge of steel structure design principle course.

Keywords： civil engineering specialty； steel structural design principle； electronic model； teaching method； teaching research