數值仿真技術在建筑力學教學中的應用

楊燕

摘 要：房屋建筑是一項周期長及耗資高的工程項目，而為了全面解決人民溫飽問題，承包商及建筑設計師需要在保證房屋建筑達標的前提下盡量減小建筑的修建成本。而數值仿真技術能有效通過數值模擬及模型仿真計算縮短修建周期的同時，還能優化房屋設計，有效減少建筑的時間成本。因而對于所有建筑工程專業的學生來說，數值仿真技術是必須掌握的一門知識。而對于教師來說，在教學過程中充分利用數值仿真技術，能行之有效的提升教學質量，尤其針對建筑力學這門知識面較廣的課程。

關鍵詞：數值仿真;建筑力學;教學

21世紀，數值仿真技術的應用覆蓋領域較廣，包含電氣系統、熱力學系統、機械系統等等。數值仿真技術的原理是以數學為基礎，通過仿真軟件對事物進行一個數值邏輯的分析，并能通過數值邏輯關系對事物的發展進行一個預演從而能讓操作者更精準的優化設計。而在建筑力學的教學中，數值仿真技術能有效在結構力學、材料靜力學等各個方面起到推動作用。本文將從數值仿真技術對建筑力學教學的重要性出發，繼而探討數值仿真技術于建筑力學教學的積極作用。

一、數值仿真技術對建筑力學教學的重要性

《建筑力學》作為建筑工程專業的重要教學內容，其教學質量牽涉到學生專業知識及實踐應用能力雙方面提升的問題[1]。《建筑力學》的教學內容包括靜力學、結構力學、平面力系、材料靜力學、杠桿軸承以及杠件應力教學等各個方面的內容。《建筑力學》是綜合性較強的一門學科，因而在《建筑力學》的教學過程中，教師應當保證學生能對建筑各結構之間的作用力進行全面分析的同時，能夠對建筑結構結構進行設計。因此，對于《建筑力學》的教學，教師應當注意以下幾點：1）以平面力系為教學基礎，使學生了解力在建筑平面的分布及力與力之間的相互作用;2）對于杠桿力學的教學，要注重實踐教學;3）要與時俱進，及時向學生傳遞有關建筑力學的最新理論;4）避免教學方式死板從而消磨了學生的學習積極性;5）在教學中融入經濟可行性的分析。綜上幾點，針對目前的教學現狀，數值仿真技術融入建筑力學教學是大勢所趨。與此同時，隨著社會科技的發展，數值仿真技術能夠實現的功能也越來越多，在教學方面能夠起到調動學生興趣、全面提升學生對于建筑力學的理解層次。因而，教師們應當靈活運用數值仿真技術從而改善目前建筑工程教學的瓶頸現狀。

二、數值仿真技術在建筑力學教學中的應用

（一）數值仿真技術在杠件應力教學中的應用

杠桿應力教學的內容主要對桿件間的軸承作用力進行分析。針對目前的教學現狀中存在的問題，建筑工程專業的學生對于杠件之間的作用力難以進行全面的分析且不易將其與實際情況聯系，對于應力的分析過于表面。總的來說，應力主要是物理材料內部變形的而產生的力。在實際教學過程中，由于物體內部變現幅度如過小則難以用肉眼觀察，因而通過引進數值仿真技術對其進行分析。在教學過程中，可通過CAE系統進行數值仿真模擬，對杠件的應力進行分析，其能通過數值分析建立應力彩色明暗圖從而讓學生能夠更加直觀的觀察應力變化。其原理在于將杠件應力進行一個離散型分析，由場及點再得出數值分析從而建立數學模型[2]。CAE系統是進行數值仿真的輔助軟件，目前CAE系統在土木結構的應用處于發展時期，在實際應用中占領著重要地位。因而，基于計算機技術，數值仿真能有效緩解教學壓力。并且，在進行數值仿真教學的過程，學生能更好的通過對桿件應力的分析從而考慮桿件的強度，在建筑工程中具有十分顯著的實用性。

（二）數值仿真技術在結構動力學中的應用

結構力學包括靜定結構的受力分析、力法、力矩分析、結構動力學等各個方面的教學，而結構動力學在結構力學中屬于教學難點，其教學要點為建筑結構因動力荷載而發生振動時的力學分析。比如說在進行建筑設計時，需要考慮地質災害，地震作為較為常見的地質災害應當納入建筑結構設計的考慮范圍之內。但在實際教學過程中如果單單憑借理論知識，學生很難將結構動力學與抗震設計相結合。而數值仿真技術的介入能有效解決這個問題。以輸電塔的防震設計為例，輸電塔的建筑材料依賴于鋼結構，其在進行應力的分析時，應當考慮應力的分布及振型特性。在進行數值仿真時，以ANSYS有限元分析軟件為工具。第一步要做的便是建立鐵塔結構的數值模型，將鐵塔結構進行簡化;第二步，利用動力結構學知識，引入時程分析法對地震波進行離散分析，其實現原理是通過給鋼架結構施加瞬時荷載，從而實現地震動力反應的計算。第三步，ANSYS軟件會將計算結果轉化成變形云圖，能直觀的反映鋼架體系的結構內力及結構變形。教師通過數值仿真技術對鋼結構的鐵塔模型進行防震分析，學生能更加深層次的理解結構動力學，從而緩解教師在結構動力學的教學中的壓力。

（三）數值仿真技術在材料靜力學中的應用

材料靜力學的教學難點為桿件在實際使用中的橫力彎曲及變形撓度的分析，而教學目的在于引導學生在進行建筑設計時能針對不同材料設計不同的受力結構從而提升建筑的抗壓性能及穩定性能。而數值仿真教學在其教學過程中，主要針對荷載分布的影響因素進行離散分析。在計算機技術的輔助之下，通過數值模擬可以得到結構橫力彎曲的撓度變形圖。以簡支梁的結構設計為例，其主要材料包含鋼筋和混凝土，在進行數值仿真計算時，首要要做的依然是建立數值模型，其次對鋼筋材料進行一個網格劃分，通過對數值模型兩邊施力，以力的作用作為模型的約束條件[3]。而混凝土的結構分析則以實體單元的形式介入鋼筋結構的分析，以靜力分析為理論基礎，可引入ADNIA、FPEG等各種數值模擬軟件進行模型的輸入及分析。最后，在數值模擬軟件的協助下，其能將施力變化對材料結構的影響以動畫的形式展現給學生，在增加教學課堂趣味性的同時，還能生動的表現出建筑材料在不同受力結構荷載下的穩定性。

三、結語

數值仿真技術區別于物理仿真，其通用性能比較強。而在建筑力學的教學過程中，數值仿真技術通過建立數值模型并借助不同的數值仿真軟件能較為直觀且生動的反映建筑模型中不同的力對結構的影響。數值仿真技術的介入能有效優化傳統教學系統引領建筑工程教學朝著現代化發展。并且，隨著計算機技術的發展，數值仿真技術在建筑力學教學中的潛在價值還待開發。因而，為了全面提升建筑力學的教學質量，教師應當重視數值仿真的教學方式，只有這樣，才能為社會培養出更多的專業性人才，讓我國在建筑領域上有一定的市場競爭力。

參考文獻：

[1]徐志軍，原方.建筑專業建筑力學課程中彎曲內力的教學方法探討[J].大學教育，2019（05）：88-90.

[2]董旭.建筑力學教學模式及課程體系創新研究與實踐[J].河南建材，2018（06）：136+138.

[3]盧玉林，盧滔，王振宇，趙培培.數值仿真技術在建筑力學教學中的應用[J].高等建筑教育，2012，21（02）：137-139.