土木工程设计实践课程中结构软件的应用

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0引言

着眼于城市建设行业对卓越结构工程师实践创新能力的需求［1］，在本校土木工程专业低年级和高年级本科课程中持续设置设计类实践课程。一方面，引入结构绘图软件(如探索者、浩辰CAD)、结构分析与设计软件(SAP2000，PKPM，盈建科)以及BIM软件(Revit软件)，建立适合本科低年级建筑工程设计实践的教学框架;另一方面，以SAP2000，PKPM为主要工具，在低年级设计实践训练的基础上，建立本科高年级软件设计实践课程框架。以上在本校建筑工程设计实践教学环节中所使用的软件，均为城市建设领域的主流结构软件，实用性强且易于掌握。本文介绍了用于课程教学结构软件的功能与特点，以及其在本校土木工程专业建筑工程设计实践教学中的教学安排、教学内容和教学资源，具有一定借鉴和参考价值。

1结构软件简介

1．1探索者(TSSD)软件

探索者软件的主要功能是绘制结构平面图，包括:梁、柱、墙、楼梯、雨篷阳台、承台、基础。软件提供结构绘图中常用的图面标注编辑工具，包括:尺寸、文字、钢筋、表格、符号、比例变换等多个工具，几乎覆盖了所有在图中可能遇到的问题解决方案，可以大幅度提高工程师的绘图速度。TSSD还具有板、梁、柱、基础、承台、楼梯的计算功能。

1．2浩辰CAD结构软件

浩辰CAD结构软件可以快速生成复杂的直线和圆弧轴网，可成批布置梁、柱、墙、基础，并对其平面尺寸、位置、辑，可自动布置楼板正筋、负筋、附加箍筋、附加吊筋，标注配筋值和尺寸，快速绘制楼板配筋图。该软件还具有齐备的结构绘图辅助工具，包括钢筋、尺寸、文字、表格、符号等结构专业的绘图工具，能够对施工图进行文字、尺寸、标高、标号的标注、编辑、修改。

1．3SAP2000软件

SAP2000软件是通用结构分析设计软件，在我国工程界得到了广泛的应用，主要适用于比较复杂的结构，如桥梁，体育场，大坝，海洋平台，工业建筑，发电站，输电塔，高层建筑。SAP2000具有强大的功能，如建模功能(二维模型、三维模型等)、编辑功能(增加模型、增减单元、复制与删除等)、分析功能(时程分析、动力反应分析、push-over分析等)、荷载功能(节点荷载、杆件荷载、板荷载、温度荷载等)以及设计功能等。上述功能的实现均是在同一个可视化界面中实现的，用户界面十分友好。

1．4PKPM软件

PKPM软件拥有先进的结构分析软件包，容纳了国内最流行的各种计算方法，如平面杆系、矩形及异形楼板、墙、板的三维壳元及薄壁杆系、梁板楼梯及异形楼梯、各类基础、砌体及底框抗震、钢结构、预应力混凝土结构分析、建筑抗震鉴定加固设计等。全部结构计算模块能够反映我国规范要求的荷载效应组合，设计表达式，抗震设计的各项要求。

1．5盈建科(YJK)软件

盈建科软件是多、高层建筑结构空间有限元计算分析与设计软件，采用人机交互方式引导用户逐层布置结构构件并输入荷载，通过楼层组装完成模型的建立。结构计算采用空间杆单元模拟梁、柱及支撑等杆系构件，采用在壳元基础上凝聚而成的墙元模拟剪力墙，对于楼板提供刚性板和各种类型的弹性板计算模型，能够自动完成荷载效应组合、考虑抗震要求的调整、构件设计及验算等。

1．6Revit结构软件

Revit是我国建筑业BIM体系中使用最广泛的软件之一。Revit结构是一款功能强大的工具，能创建钢结构和混凝土结构设计。使用钢结构模块，利用Revit结构软件提供的建筑信息模型创建模型，可快捷生成钢结构施工图，使用框架模块创建动态模型和高质量的混凝土结构施工图。

2教学框架与教学内容

本校在土木工程专业二年级第二学期开设了“土木工程专业实践”课程，在建筑工程方向主要安排基于平面整体表示法的软件绘图和基于简单结构分析的软件计算。“土木工程专业实践”课程的教学内容如表1所示。考虑到学生已经学习了“土木工程制图”“结构力学”等先修课程，而尚未学习“钢筋混凝土结构”“钢结构”“工程结构抗震设计”和“结构动力学”等课程，故将实践教学集中在设计行业常用的探索者(TSSD)结构绘图软件和SAP2000结构分析软件，通过钢筋混凝土结构梁、柱、墙配筋施工图训练、静定梁、静定刚架及静定平面桁架内力计算训练，使学生初步掌握绘制结构施工图及简单构件静力分析的基本操作。同时，对于其他业界使用较多的结构绘图、结构分析与设计软件，则以简介和概述的形式使得学生对其有初步的了解。随着学生课程学习的逐步深入，本校在完成“钢筋混凝土结构”“钢结构”“工程结构抗震设计”以及“结构动力学”课程教学的基础上，于本科四年级第一学期开设了“土木工程设计软件应用”课程，在建筑工程方向设计实践中主要讲授SAP2000，PKPM在建筑结构分析和设计中的应用，包括:结构建模、结构模态分析、结构抗震分析与设计及结构非线性分析。“土木工程设计软件应用”课程的教学内容如表2所示。教学过程中，通过超静定刚架和排架结构分析、超静定桁架和组合结构分析、单质点和多质点体系模态分析、地震作用时程分析和反应谱分析、钢筋混凝土框架结构施工图设计的讲授和训练，使学生能够掌握结构高级分析技术的一些常用命令、操作步骤以及结构分析结果背后蕴含的结构设计概念，同时能够较为全面地认识建筑结构设计的整个流程，从而为毕业设计乃至毕业后的工作奠定了软件计算分析基础。

3教学资源

“土木工程专业实践”和“土木工程设计软件应用”两门课程的主讲教师从事教学、工程设计和工程实践十多年，是“钢筋混凝土结构”“钢结构”“工程结构抗震设计”“高层建筑结构”等课程的主讲教师，积累了丰富的实践教学经验和工程经验。教学过程中，除了介绍结构软件基本理论外，还采用大量例题进行上机训练，所选用例题的原型均选自于建筑结构施工图设计示例、结构力学教材、土木工程常用软件应用教材并进行了相应的改写，以求满足课程教学的需要。同时，主讲教师联合与国内主流工程设计软件高技术企业工程师，借助于结构软件(如Revit结构软件、盈建科软件)的应用讲座和演示观摩多个环节，促进学生和工程设计行业专业人员的交流和沟通。4结语当前工程界使用的结构绘图和分析软件较多，本校从中选择了适合本科阶段建筑工程设计实践课程的结构软件，将其纳入到培养学生工程能力的实践课程中，通过校企联合使得学生在校学习期间，能够充分开展基于大型结构软件的实践环节训练，从而为学生毕业后进入城市建设奠定良好的技术基础。

作者：庄鹏 赵赤云 曾杰 单位：北京建筑大学土木与交通工程学院