PKPM 等建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計程序在土木工程本科教育中的定位與教學(xué)探討

李勝林

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083）

目前，一般高等院校土木工程專業(yè)均開設(shè)以某個電算軟件為載體的結(jié)構(gòu)設(shè)計電算課程，目前市場上占有率較高的建筑結(jié)構(gòu)計算程序包含：PKPM 系列、YJK、ETABS 和MIDAS/GEN 等。PKPM 軟件從軟件的特點、本科生接受程度等角度出發(fā)，大部分高校選擇了PKPM 系列程序[1-3]。

PKPM 系列程序可以作為高職院校應(yīng)用課程的內(nèi)容，也可作為建筑力學(xué)與結(jié)構(gòu)課程進(jìn)行計算機輔助設(shè)計應(yīng)用能力訓(xùn)練的內(nèi)容，還可以作為工程技術(shù)人員初學(xué)應(yīng)用軟件的選擇，對畢業(yè)生進(jìn)入社會尋找工作具有強有力的支持作用。從畢業(yè)生反饋信息上看，開設(shè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計程序是必要也是必需的，但教學(xué)效果差強人意，這除了與教學(xué)方式、講授水平等原因有關(guān)外，更與電算課程的定位及講授的內(nèi)容有關(guān)。

中國礦業(yè)大學(xué)（北京）從2014 年起，為土木工程專業(yè)建筑工程方向本科生開設(shè)結(jié)構(gòu)電算課程，在借鑒兄弟院校成功經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合本校的教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)，教學(xué)團(tuán)隊一邊進(jìn)行教學(xué)工作，一邊進(jìn)行該課程的教學(xué)研究工作，及時地將研究成果應(yīng)用到教學(xué)中。

一、電算課程的教學(xué)定位

一般來講，PKPM 等建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計課程開設(shè)在下列課程之前：工程力學(xué)含理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)，結(jié)構(gòu)設(shè)計原理含鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)等，高層建筑結(jié)構(gòu)，抗震工程，有限元理論。PKPM 等電算課程會不同程度地應(yīng)用上述課程的基本知識。應(yīng)用程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模過程其實就是建立數(shù)學(xué)力學(xué)模型的過程，這需要將原先所學(xué)知識靈活運用，因此PKPM 等電算課程應(yīng)被當(dāng)作一個融匯各專業(yè)知識的平臺課程。學(xué)生需要具備較強的相關(guān)專業(yè)學(xué)科理論基礎(chǔ)，才能快速高效地進(jìn)入電算課程的學(xué)習(xí)中。

大學(xué)階段講授的力學(xué)及結(jié)構(gòu)相關(guān)課程中，在做了一定的簡化后，使用解析方法進(jìn)行問題的求解，如橫向及豎向荷載作用下排架結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布問題，我們一般不考慮梁的軸向變形或柱的剪切變形，這種簡化后求解的結(jié)果與實際具有一定的偏差，而使用PKPM 等結(jié)構(gòu)軟件，可以更加真實地模擬結(jié)構(gòu)的實際受力狀態(tài)和變形特征，得到的結(jié)果更加接近實際。隨著結(jié)構(gòu)體量越來越龐大，邊界條件越來越復(fù)雜，以及要考慮多物理場的耦合，傳統(tǒng)的解析方法已經(jīng)不能滿足結(jié)構(gòu)工程的發(fā)展需要，數(shù)值模擬方法尤其是有限元方法在結(jié)構(gòu)工程界一枝獨秀，當(dāng)下結(jié)構(gòu)的彈性反應(yīng)計算均采用PKPM 等有限元軟件進(jìn)行，工程師之間的交流也是在某個軟件平臺上展開，而解析法或手算法更多用于構(gòu)件級別的力學(xué)響應(yīng)計算或者用于定性的分析。因此精通電算原理、掌握一門電算軟件應(yīng)是當(dāng)下本科畢業(yè)生的必備本領(lǐng)，也是大學(xué)本科畢業(yè)生進(jìn)入社會，走向工程師道路的敲門磚[4-6]。

使用PKPM 等結(jié)構(gòu)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計，可得到量化后的結(jié)構(gòu)的整體性指標(biāo)，如周期比、位移比、剛度比、有效質(zhì)量比、剛重比、剪重比和剛層間受剪承載力比，而這些概念只是在以前的高層建筑結(jié)構(gòu)等課程有所耳聞，未能深入理解，而使用電算軟件可以方便地獲取上述指標(biāo)，通過結(jié)構(gòu)方案調(diào)整，得到較優(yōu)的指標(biāo)，滿足規(guī)范相關(guān)規(guī)定。方案的調(diào)整過程能增強學(xué)生對結(jié)構(gòu)設(shè)計的思想的理解，提高學(xué)生的結(jié)構(gòu)設(shè)計能力，增加學(xué)生作為設(shè)計主體的成就感與榮譽感。

二、教學(xué)內(nèi)容的確定

在傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)PKPM 課程教學(xué)中[7-8]，多數(shù)高校采用以軟件使用為目的的單一教學(xué)模式，主要內(nèi)容偏重于PKPM 軟件各模塊操作流程的講解，對程序的教學(xué)更多停留在基本命令使用的初級層面上。學(xué)生通常驚艷于計算書及配筋圖的輸出，簡單地將建筑結(jié)構(gòu)的軟件看成了出圖的工具，因此學(xué)習(xí)過程中其主要的精力更多集中在建模及后處理上，這顯然是不合適的。出現(xiàn)這種情況的主要原因在于教學(xué)內(nèi)容不合理。

為使學(xué)生掌握一門建筑結(jié)構(gòu)軟件，具備結(jié)構(gòu)計算與分析的能力，PKPM 等電算軟件課程至少應(yīng)包含以下內(nèi)容。

（一）有限元基礎(chǔ)知識

PKPM 大部分的計算內(nèi)核如SATWE 使用的是有限元方法，因此在SATWE 學(xué)習(xí)前學(xué)生應(yīng)掌握有限元基礎(chǔ)知識。①有限元方法利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬，利用簡單而又相互作用的元素（即單元），就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實系統(tǒng)。其以上特點決定了其在工程界無可替代的地位，目前所有的結(jié)構(gòu)設(shè)計院均使用有限元方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的彈性計算，有限元方法也是所有數(shù)值方法中最為可靠的一種。②基本方程。有限元技術(shù)涉及的基本方程總共為15 個，包括3 個平衡方程、6 個物理方程和6 個幾何變形方程；求解的獨立變量總共15 個，包括3個位移分量、6 個應(yīng)力分量和6 個應(yīng)變分量；變量數(shù)等于方程數(shù)，保證了解的唯一性。③單元。結(jié)構(gòu)有限元中常用的單元有梁單元、殼單元和體單元，不同類型單元的連接方式，SATWE 中的墻元；單元的選擇，以實例化的方式講解一根普通鋼筋混凝土梁用三種單元模擬的優(yōu)與劣，深梁及連梁的模擬等；梁單元與現(xiàn)實中梁的區(qū)別。

（二）建筑結(jié)構(gòu)主要軟件

學(xué)生應(yīng)能夠根據(jù)電算的具體內(nèi)容選擇相關(guān)類型的軟件，目前市場上能夠進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)計算的軟件有很多種，大體可以分為這三類：①通用有限元軟件；②建筑結(jié)構(gòu)專用軟件，如PKPM、YJK、SAP84、廣廈建筑結(jié)構(gòu)CAD、Midas/GEN 和ETABS 等；③構(gòu)件設(shè)計工具或截面應(yīng)力分析工具，如探索者、理正工具箱等。重點講解第二、三類軟件特點及適用性，以一個復(fù)雜工程為例，說明不同的分析問題需要不同類型的軟件。

（三）PKPM 模塊及相關(guān)規(guī)范

PKPM 模塊很多，涵蓋了建筑、結(jié)構(gòu)、暖通、預(yù)算和巖土相關(guān)專業(yè)，對于建筑工程方向的學(xué)生，應(yīng)掌握下列模塊：①主要的計算模塊有PK、TAT 和SATWE，知識點包含基本假設(shè)與原理、適用范圍和與規(guī)范相關(guān)的調(diào)整系數(shù)等；②PMCAD 模塊，知識點包含軸網(wǎng)、房間、結(jié)構(gòu)/荷載標(biāo)準(zhǔn)層等基本概念、操作流程與基本技巧等；③JC CAD 包含控制參數(shù)、基本概念和操作流程等；④施工圖繪制模塊包括繪圖參數(shù)、圖素修改和圖紙輸出等。

上述的模塊涵蓋了大學(xué)階段結(jié)構(gòu)專業(yè)的主要知識點，也涉及了《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》等混凝土類結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范。

工程規(guī)范是為在工程建設(shè)領(lǐng)域內(nèi)獲得最佳秩序，對建設(shè)工程的勘察、規(guī)劃、設(shè)計、施工、安裝、驗收、運營維護(hù)及管理等活動和結(jié)果需要協(xié)調(diào)統(tǒng)一的事項所制定的共同的、重復(fù)使用的技術(shù)依據(jù)和準(zhǔn)則，對促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步，保證工程的安全、質(zhì)量、環(huán)境和公眾利益，實現(xiàn)最佳社會效益、經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和最佳效率等，具有直接作用和重要意義。

規(guī)范是工程建設(shè)者必須遵守的準(zhǔn)則，對于馬上畢業(yè)的本科生，應(yīng)全面了解專業(yè)規(guī)范的主要內(nèi)容與思路，掌握部分規(guī)范的強條，會基于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的實際情況，在規(guī)范中找到相關(guān)的設(shè)計條文。

（四）結(jié)構(gòu)的四輪計算過程

使用PKPM 軟件，以某個工程項目為例，講解建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的四輪計算過程。一輪計算完成整體參數(shù)的正確設(shè)置，包含振型組合數(shù)、最大地震作用方向和結(jié)構(gòu)基本周期。二輪計算確定整體結(jié)構(gòu)的合理性，主要是規(guī)范規(guī)定的指標(biāo)在規(guī)定的范圍內(nèi)。三輪計算對單個構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主要檢查配筋率及軸壓比。四輪計算滿足構(gòu)造要求，需要確定合適的歸并系數(shù)、梁支座形式和鋼筋庫等。

結(jié)構(gòu)設(shè)計是循序漸進(jìn)的過程，遵從由整體到局部的原則。以前的專業(yè)課程把更多的學(xué)時放在了局部，強調(diào)構(gòu)件設(shè)計，弱化了結(jié)構(gòu)與構(gòu)件間整體與局部的聯(lián)系，學(xué)生對設(shè)計的整體認(rèn)識不清，因此教師應(yīng)根據(jù)這一特點，利用電算程序，向?qū)W生演示設(shè)計過程。

三、教學(xué)方法的革新

建筑結(jié)構(gòu)電算課程涉及的理論知識多而廣，工程相關(guān)性強，軟件操作性強，課時量相對較少，常為24 課時，致使教學(xué)內(nèi)容針對的工程類型有限[9-10]，理論知識不能過多。為能較好地提高教學(xué)質(zhì)量，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容采用不同的教學(xué)方法。

（一）歸納總結(jié)法

使用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件進(jìn)行建模、分析及設(shè)計的過程，需要用到以前多門課程的相關(guān)知識，這些知識點隸屬于不同課程，通常被大部分同學(xué)孤立地對待。在電算過程中，這些知識“點”應(yīng)連成“線”，形成“面”，最終構(gòu)成全方位的知識“體”系，這樣才能準(zhǔn)確理解并正確建立計算模型，否則結(jié)構(gòu)或荷載與常規(guī)結(jié)構(gòu)有所不同時，學(xué)生“照葫蘆畫瓢”技能無效，機械地仿照可能會導(dǎo)致錯誤的結(jié)果。

在對待這些專業(yè)基礎(chǔ)或通用知識時，由于時間所限，教師應(yīng)通過板書或者PPT 對相關(guān)知識進(jìn)行總結(jié)歸納。比如一般結(jié)構(gòu)彈性設(shè)計中，其在地震的響應(yīng)分析方法有哪幾種，每一種的適用范圍有哪些？又比如大學(xué)物理中從重力擺的運動規(guī)律中得到了周期，結(jié)構(gòu)動力學(xué)課程中通過運動學(xué)與內(nèi)力平衡方程的聯(lián)立得到了彈簧振子的運動周期，那么具有多自由度結(jié)構(gòu)的周期怎么得來？計算方法有哪些？特點和適用性怎樣？

結(jié)合幾年來的教學(xué)實踐，下面這些知識點可采用歸納總結(jié)法：數(shù)值方法中有限元方法的基本原理及特點；結(jié)構(gòu)工程中常用的梁單元及殼單元特點及適用性；建筑結(jié)構(gòu)規(guī)則性判斷準(zhǔn)則；偶然偏心與雙向地震的選擇；地震作用計算方法選擇；模態(tài)分析方法的選擇。

通過歸納總結(jié)，使結(jié)構(gòu)計算知識系統(tǒng)化，這有利于學(xué)生對知識的全局掌握。但應(yīng)注意的是，教師在總結(jié)的過程中，應(yīng)加強不同課程之間的聯(lián)系，采用提問或與學(xué)生活動的方式，讓學(xué)生在“老”課程中找出“新”問題的解決方法，充分體會“學(xué)而時習(xí)之，不亦樂乎”的樂趣。

（二）對比分析法

在學(xué)習(xí)電算程序前，學(xué)生接觸到的是數(shù)學(xué)力學(xué)解析方法及簡化計算方法，包含材料力學(xué)中撓度的計算、豎向及水平荷載作用下單榀框架的內(nèi)力等。上述這些方法中有相對嚴(yán)格的推導(dǎo)過程，而使用電算程序計算與以前手算的結(jié)果比較起來，結(jié)果如何？這是初始接觸者最想知道的。教師在講解程序前，應(yīng)消除學(xué)生的疑惑，利用電算程序求解結(jié)構(gòu)力學(xué)、高層結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，為保持結(jié)果一致，建模時應(yīng)施加與解析解同樣的簡化條件，以得到與解析解一致的結(jié)果，證明程序計算方法的正確性。求解時間的差別，手算的繁瑣性與電算的快捷性，通過對比分析，讓學(xué)生充分認(rèn)識掌握電算程序是將來結(jié)構(gòu)設(shè)計必須具備的本領(lǐng)。

（三）案例教學(xué)法

案例教學(xué)法是一種以案例為基礎(chǔ)的教學(xué)法，案例本質(zhì)上是提出一種教育的兩難情境，沒有特定的解決之道，而教師于教學(xué)中扮演著設(shè)計者和激勵者的角色，鼓勵學(xué)生積極參與討論，不像是傳統(tǒng)的教學(xué)方法，教師是一位很有學(xué)問的人，扮演著傳授知識者的角色。

電算課程的目的在于使學(xué)生能夠運用PKPM 等程序，通過四輪計算過程完成結(jié)構(gòu)的設(shè)計。而使學(xué)生能夠快速掌握程序的方法就是教師帶領(lǐng)他們使用程序建立一個結(jié)構(gòu)模型，包含使用PMCAD 建立軸網(wǎng)、布置構(gòu)件、施加荷載和組裝樓層，使用SATWE 指定特殊構(gòu)件確定相關(guān)計算與調(diào)整參數(shù)、查看結(jié)構(gòu)響應(yīng)，使用相關(guān)模塊輸出配筋圖。教師在操作過程中，除講解軟件的操作要點、相關(guān)功能外，還應(yīng)結(jié)合程序?qū)⒔Y(jié)構(gòu)計算知識具體呈現(xiàn)出來，使學(xué)生體會軟件的便捷性、方法的多樣性和成果的豐富性，激起他們學(xué)習(xí)電算軟件的興趣。

在案例教學(xué)中，通過故意設(shè)置錯誤參數(shù)、設(shè)計不滿足要求，使學(xué)生充分體會“人是主導(dǎo)，軟件是工具”這一思想，要想使PKPM 等計算程序成為結(jié)構(gòu)設(shè)計利器，工程師除具備必要的計算機操作本領(lǐng)外，更應(yīng)具備扎實的專業(yè)知識、良好的計算分析能力。

（四）學(xué)生走向講臺模式

針對本課程要求學(xué)生能夠使用程序進(jìn)行建模，大部分高校均設(shè)置了一定課時的上機實踐，教師提前布置給出結(jié)構(gòu)概況，要求學(xué)生獨立完成建模、分析和出圖等電算全過程。如果學(xué)生與老師比例大于30 左右時，教學(xué)秩序不好控制，教學(xué)效果難以保證。鑒于結(jié)構(gòu)電算課程課時相對較少，為提高每個課時的功效，作者不建議集中上機實踐，替代以學(xué)生課下獨自或自行結(jié)組方式進(jìn)行，教師通過微信等現(xiàn)代通訊工具或者課余時間進(jìn)行指導(dǎo)。

為檢驗實踐成果，教師在課堂上隨機指點一名同學(xué)走向講臺，以一個框架或框剪結(jié)構(gòu)為例，展示結(jié)構(gòu)計算與設(shè)計全過程，教師在臺下指導(dǎo)相關(guān)操作。然后再讓另外一名同學(xué)上臺，設(shè)計同樣的一個結(jié)構(gòu)，這時上一個同學(xué)擔(dān)當(dāng)教師的角色進(jìn)行輔助。如果這時出現(xiàn)了技術(shù)問題，兩個同學(xué)可以向臺下的同學(xué)求助。

采用這種方式進(jìn)行教學(xué)時，課堂氣氛熱烈，學(xué)生積極主動，同時也激起了學(xué)生利用課下時間學(xué)習(xí)的興趣。

四、課程考核

課程非常注重應(yīng)用性和實踐性，課程的核心在于培養(yǎng)學(xué)生對營銷活動方案的策劃能力和組織管理能力，同時注重理論與實踐的結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生對旅游行業(yè)的應(yīng)變分析能力和創(chuàng)新能力。基于此，原考核方式——試卷考試，已經(jīng)不能完全真實地反映學(xué)生對問題的分析能力，在試卷的設(shè)計中也無法將教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)考核與實際工作崗位發(fā)生的狀況要求結(jié)合起來。盡管在試卷考核中設(shè)計了案例分析題，但相對來說也只能有1～2 個案例分析，并不能較全面的考核學(xué)生的實踐操作能力。

此外，課程的平時作業(yè)設(shè)計均以項目任務(wù)驅(qū)動的方式進(jìn)行，各個模擬工作團(tuán)隊通過市場分析、調(diào)查、研究與總結(jié)，以及營銷戰(zhàn)略及策略的教學(xué)任務(wù)環(huán)節(jié)，完成各個團(tuán)隊較為詳實的營銷方案，針對整個教學(xué)過程及任務(wù)成果的考核細(xì)致、全面，已經(jīng)能較為全面地完成對學(xué)生學(xué)習(xí)成果的評價，無需再進(jìn)行試卷考核。

綜合以上分析，結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件PKPM 課程實操性強的特點，僅采用筆試考核方式無法體現(xiàn)學(xué)生的上機操作能力，若采用機試則在時間上難以實現(xiàn)，因此很多高校采用筆試加機試的考核方式[11-12]。

而從課程的定位出發(fā)，電算課程的目的在于讓學(xué)生能夠運用PKPM 等軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)構(gòu)的設(shè)計及計算模型的確立、參數(shù)正確設(shè)置才是重點，這幾個部分相互耦合，共同構(gòu)成有機整體，因此作者并不認(rèn)同使用考試的考核方式，而是采用編制項目計算報告進(jìn)行考核。

作者認(rèn)為比較好的方式為：先對學(xué)生進(jìn)行分組，教師給每組提供不同的建筑施工圖（電子版），并提出具體的電算要求及計算書格式，要求每組集中完成。各組組長根據(jù)計算任務(wù)進(jìn)行組員分工，教師依據(jù)電算報告給出小組得分A，小組負(fù)責(zé)人根據(jù)貢獻(xiàn)及參與度情況對每個組員進(jìn)行打分B，每個同學(xué)得分就是A×B。

由于教師給定的結(jié)構(gòu)體型相對復(fù)雜，學(xué)生操作軟件的深度、參數(shù)設(shè)置的難度也都大幅度提高。這種考核方式下，學(xué)生參與熱情很高，并且相互協(xié)作，同學(xué)間能取長補短。

五、結(jié)束語

大學(xué)本科開設(shè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計程序是必要也是必需的，但教學(xué)效果差強人意，這除了與教學(xué)方式、講授水平等原因有關(guān)外，更與電算課程的定位及講授的內(nèi)容有關(guān)。因此為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與效率，教學(xué)模式需要進(jìn)行進(jìn)一步的改革與創(chuàng)新。

本文通過在課程中添加“學(xué)生動手→教師點評→學(xué)生改進(jìn)”的環(huán)節(jié)，增加了學(xué)生的知識獲取渠道，鞏固學(xué)生所學(xué)知識，加深其對教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)印象。學(xué)生通過此環(huán)節(jié)增加了知識的攝入渠道，加深對教學(xué)內(nèi)容的印象，固化課程重要知識，大大提高學(xué)習(xí)積極性與效果。

借助課堂演示與實操課的開展，解決一直困擾學(xué)生學(xué)習(xí)軟件基本操作問題的同時，融合土木工程專業(yè)各學(xué)科課程知識，通過引入工程案例進(jìn)行實戰(zhàn)性操作與訓(xùn)練，提高課程學(xué)習(xí)的主動性與積極性，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的專業(yè)綜合能力。