doi：10.11835/j.issn.1005-2909.2013.03.019

收稿日期：2012-10-15

作者簡(jiǎn)介：黃海斌（1981-），男，后勤工程學(xué)院軍事建筑工程系講師，博士研究生，主要從事鋼結(jié)構(gòu)研究，（E-mail）94213202@qq.com。

摘要：簡(jiǎn)要分析鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)教學(xué)中存在的問題，闡明三維數(shù)字模型在現(xiàn)代社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，指出鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)教學(xué)中三維數(shù)字模型的優(yōu)勢(shì)，詳細(xì)介紹利用PKPM建立鋼結(jié)構(gòu)三維數(shù)字模型的過程。實(shí)踐表明，利用已建成的鋼結(jié)構(gòu)三維數(shù)字模型教學(xué)比傳統(tǒng)教學(xué)效果更好。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)；三維數(shù)字模型；PKPM建模；教學(xué)實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G642.0；TU391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2909（2013）03-0071-03 2009年，后勤工程學(xué)院將鋼結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計(jì)列為學(xué)院重點(diǎn)建設(shè)課程，旨在改善教學(xué)條件，提升教學(xué)質(zhì)量。鋼結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計(jì)課程是土木工程類專業(yè)必修課。鋼結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計(jì)課程是在已有結(jié)構(gòu)知識(shí)基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)鋼結(jié)構(gòu)基本概念和基本原理的掌握，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)輕型門式剛架結(jié)構(gòu)、單層廠房結(jié)構(gòu)、多層及高層房屋鋼結(jié)構(gòu)等打下基礎(chǔ)。該課程具有教學(xué)內(nèi)容多、教學(xué)難度大、對(duì)學(xué)生空間想象力要求高、學(xué)生不易理解等特點(diǎn)，成為制約課程教學(xué)質(zhì)量提高的瓶頸[1-3]。鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)作為該課程重要的教學(xué)內(nèi)容之一，目前教學(xué)進(jìn)行研討的較少。鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)是連接鋼結(jié)構(gòu)桿件的重要部分，實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)破壞中，節(jié)點(diǎn)破壞占比較大。鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)受力復(fù)雜、形式多樣、構(gòu)造及計(jì)算理解難度大，使得節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)不易掌握。利用鋼結(jié)構(gòu)課程建設(shè)之際，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)三維數(shù)字模型教學(xué)進(jìn)行探討，目的在于提高相關(guān)內(nèi)容教學(xué)的質(zhì)量。

一、鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)教學(xué)存在的問題

鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)種類繁多，構(gòu)造十分復(fù)雜，相當(dāng)一部分學(xué)生依靠平面圖難以真實(shí)、準(zhǔn)確地理解和掌握節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的完整信息。例如：結(jié)構(gòu)構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)的連接位置關(guān)系、節(jié)點(diǎn)板的厚度、焊縫的分布及焊縫的形式、螺栓的數(shù)量及螺栓的排列等。在現(xiàn)有的鋼結(jié)構(gòu)教材中，多采用節(jié)點(diǎn)二維CAD圖紙、二維圖片等進(jìn)行教學(xué)，這對(duì)學(xué)生的空間想象力要求較高；有條件時(shí)往往輔以節(jié)點(diǎn)教學(xué)模型。雖然節(jié)點(diǎn)模型有助于學(xué)生理解，但節(jié)點(diǎn)種類、數(shù)量有限，加之因模型笨重、使用不方便等原因在教學(xué)中一般較少使用。同濟(jì)大學(xué)對(duì)此曾研討鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體技術(shù)[4]，但均未用于教學(xué)活動(dòng)中。 二、三維數(shù)字模型

三維數(shù)字模型是指在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中利用圖素來描述空間三維實(shí)體，通常用計(jì)算機(jī)或者其它視頻設(shè)備進(jìn)行顯示。三維數(shù)字模型在各個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用。目前物體的建模方法大體有三種：第一種利用三維軟件建模；第二種通過儀器設(shè)備測(cè)量建模；第三種利用圖像或者視頻建模。

鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)常用的數(shù)字模型生成軟件有：3DMAX、SoftImage、Maya、ANSYS、AutoCAD等，其共同特點(diǎn)是利用一些基本的幾何元素，如立方體、球體等，通過一系列幾何操作，如平移、旋轉(zhuǎn)、拉伸以及布爾運(yùn)算等構(gòu)建復(fù)雜的幾何場(chǎng)景。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，目前已開發(fā)了PKPM、3D3S、XSTELL等專業(yè)設(shè)計(jì)軟件。利用專業(yè)設(shè)計(jì)軟件可以方便快捷地建立鋼結(jié)構(gòu)三維數(shù)字模型。圖1為典型的鋼結(jié)構(gòu)三維數(shù)字模型圖。

圖1 典型鋼結(jié)構(gòu)三維數(shù)字模型圖

三、鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)三維數(shù)字模型的建立方法

（一）鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的基本類型

鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)主要有梁柱節(jié)點(diǎn)連接（柱邊剛接單連接板、短梁拼接、柱邊剛接雙連接板三種梁柱固結(jié)節(jié)點(diǎn)；雙剪連接、單連接板、雙連接板三種鉸接節(jié)點(diǎn)）、主次梁節(jié)點(diǎn)連接（采用高強(qiáng)螺栓加翼緣連接板連接、采用角焊縫加翼緣連接板連接、采用焊縫連接三種固結(jié)節(jié)點(diǎn)；雙角鋼連接、腹板深入、寬加勁肋、雙連接板四種鉸接節(jié)點(diǎn)）、柱腳（外露式柱腳無錨栓支承托座、外露式柱腳設(shè)錨栓支承托座、埋入式柱腳、包腳式柱腳四種固結(jié)柱腳；一種鉸接柱腳）、支撐與梁柱連接、支撐與柱腳連接五種類型。教學(xué)過程中分別介紹各類節(jié)點(diǎn)的計(jì)算方法，構(gòu)造時(shí)需要對(duì)這五類節(jié)點(diǎn)分別建立三維數(shù)字模型，學(xué)生理解和掌握時(shí)就有針對(duì)性。根據(jù)使用方便，便于學(xué)習(xí)和掌握的原則，建立了上述五類鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)共計(jì)27個(gè)。

（二）PKPM生成鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)基本步驟

利用常用建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件PKPM鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算STS功能模塊中節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及計(jì)算單元，建立課程中常見節(jié)點(diǎn)的三維數(shù)字模型。節(jié)點(diǎn)三維數(shù)字模型建立基本步驟[5]：首先確定節(jié)點(diǎn)中梁柱的截面大小；輸入節(jié)點(diǎn)所受彎矩M和軸力N；確定連接方式為鉸接或則固結(jié)；確定采用螺栓還是焊縫連接等基本參數(shù)；確定其他相關(guān)參數(shù)；采用軟件自帶的視圖功能從不同角度觀察節(jié)點(diǎn)。

PKPM三維數(shù)字模型建立主要窗口如圖2。

圖2 PKPM三維數(shù)字模型建立主要窗口

（三）鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)平面設(shè)計(jì)圖與三維數(shù)字模型效果對(duì)比

以梁柱柱邊剛接節(jié)點(diǎn)連接為例，建立的節(jié)點(diǎn)三維數(shù)字模型及基本設(shè)計(jì)參數(shù)如下：柱截面參數(shù)，鋼截面焊接工字形截面600×300×10×12；梁截面參數(shù)，鋼截面焊接工字形截面500×250×8×10；梁端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)彎矩，M=180.0kNm；梁端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)剪力，V=200kN；工字形梁與工字形柱剛接連接，連接類型為柱邊剛接，單連接板高強(qiáng)螺栓連接（翼緣用對(duì)接焊縫，對(duì)接焊縫質(zhì)量級(jí)別為2級(jí)；腹板用高強(qiáng)螺栓，翼緣承擔(dān)全部彎矩，腹板只承擔(dān)剪力）。建立三維數(shù)字模型如圖3。

圖3 節(jié)點(diǎn)平面設(shè)計(jì)圖與三維數(shù)字模型對(duì)比

從圖3可以看出，節(jié)點(diǎn)三維數(shù)字模型圖較原平面設(shè)計(jì)圖更直接、形象，學(xué)生對(duì)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造一目了然。

四、結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)計(jì)算和構(gòu)造理解難度大；利用三維數(shù)字模型，可以克服傳統(tǒng)教學(xué)手段的不足，使學(xué)生直觀地認(rèn)識(shí)和理解常用節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造和傳力路線，并掌握節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。利用常用PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件中的STS功能模塊建模方便，基本涵蓋了常用鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)類型，使用方便。從教學(xué)情況看，利用三維數(shù)字模型教學(xué)效果良好，深受學(xué)生歡迎。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉堅(jiān)，黃襄云.鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)體會(huì)[J].高等建筑教育.2005（3）：49-51.

[2]尹志明，李筱華.鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)改革探討[J].高等建筑教育.2002（2）：64-65.

[3]張哲，張猛，李天.鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)改革與創(chuàng)新[J].高等建筑教育.2010（5）： 66-69.

[4]許倩華，楊暉柱，張其林.鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)輔助工程.2007（3）： 30-33.

[5]王建，董衛(wèi)平.PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件入門與應(yīng)用實(shí)例——鋼結(jié)構(gòu)[M].北京：中國(guó)電力出版社. 2008.

Teaching steel structure node course by using three-dimensional digital model

HUANG Haibin， WANG Zonggang， LEI Yunbo， WANG Ping

（Logistical Engineering University of PLA， Chongqing 401311， P. R. China）

Abstract： We presented brief analysis of steel structure teaching， illustrated the application of three-dimensional digital model in various fields in the modern society， pointed out the advantage of the node design of steel structure teaching by using three-dimensional digital model， and proposed the use of PKPM to build steel structure three-dimensional digital model in detail. The practice shows that using three-dimensional digital model in teaching can achieve better teaching effect than that of traditional teaching.

Keywords： steel structure node； three-dimensional digital model； PKPM model； teaching practice

（編輯 梁遠(yuǎn)華）