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(shè)計師需要在保證房屋建筑達(dá)標(biāo)的前提下盡量減小建筑的修建成本。而數(shù)值仿真技術(shù)能有效通過數(shù)值模擬及模型仿真計算縮短修建周期的同時，還能優(yōu)化房屋設(shè)計，有效減少建筑的時間成本。因而對于所有建筑工程專業(yè)的學(xué)生來說，數(shù)值仿真技術(shù)是必須掌握的一門知識。而對于教師來說，在教學(xué)過程中充分利用數(shù)值仿真技術(shù)，能行之有效的提升教學(xué)質(zhì)量，尤其針對建筑力學(xué)這門知識面較廣的課程。

關(guān)鍵詞：數(shù)值仿真;建筑力學(xué);教學(xué)

21世紀(jì)，數(shù)值仿真技術(shù)的應(yīng)用覆蓋領(lǐng)域較廣，包含電氣系統(tǒng)、熱力學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)等等。數(shù)值仿真技術(shù)的原理是以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，通過仿真軟件對事物進(jìn)行一個數(shù)值邏輯的分析，并能通過數(shù)值邏輯關(guān)系對事物的發(fā)展進(jìn)行一個預(yù)演從而能讓操作者更精準(zhǔn)的優(yōu)化設(shè)計。而在建筑力學(xué)的教學(xué)中，數(shù)值仿真技術(shù)能有效在結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料靜力學(xué)等各個方面起到推動作用。本文將從數(shù)值仿真技術(shù)對建筑力學(xué)教學(xué)的重要性出發(fā)，繼而探討數(shù)值仿真技術(shù)于建筑力學(xué)教學(xué)的積極作用。

一、數(shù)值仿真技術(shù)對建筑力學(xué)教學(xué)的重要性

《建筑力學(xué)》作為建筑工程專業(yè)的重要教學(xué)內(nèi)容，其教學(xué)質(zhì)量牽涉到學(xué)生專業(yè)知識及實踐應(yīng)用能力雙方面提升的問題[1]。《建筑力學(xué)》的教學(xué)內(nèi)容包括靜力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、平面力系、材料靜力學(xué)、杠桿軸承以及杠件應(yīng)力教學(xué)等各個方面的內(nèi)容。《建筑力學(xué)》是綜合性較強(qiáng)的一門學(xué)科，因而在《建筑力學(xué)》的教學(xué)過程中，教師應(yīng)當(dāng)保證學(xué)生能對建筑各結(jié)構(gòu)之間的作用力進(jìn)行全面分析的同時，能夠?qū)ㄖY(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。因此，對于《建筑力學(xué)》的教學(xué)，教師應(yīng)當(dāng)注意以下幾點(diǎn)：1）以平面力系為教學(xué)基礎(chǔ)，使學(xué)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(xué)的教學(xué)，要注重實踐教學(xué);3）要與時俱進(jìn)，及時向?qū)W生傳遞有關(guān)建筑力學(xué)的最新理論;4）避免教學(xué)方式死板從而消磨了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性;5）在教學(xué)中融入經(jīng)濟(jì)可行性的分析。綜上幾點(diǎn)，針對目前的教學(xué)現(xiàn)狀，數(shù)值仿真技術(shù)融入建筑力學(xué)教學(xué)是大勢所趨。與此同時，隨著社會科技的發(fā)展，數(shù)值仿真技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)的功能也越來越多，在教學(xué)方面能夠起到調(diào)動學(xué)生興趣、全面提升學(xué)生對于建筑力學(xué)的理解層次。因而，教師們應(yīng)當(dāng)靈活運(yùn)用數(shù)值仿真技術(shù)從而改善目前建筑工程教學(xué)的瓶頸現(xiàn)狀。

二、數(shù)值仿真技術(shù)在建筑力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

（一）數(shù)值仿真技術(shù)在杠件應(yīng)力教學(xué)中的應(yīng)用

杠桿應(yīng)力教學(xué)的內(nèi)容主要對桿件間的軸承作用力進(jìn)行分析。針對目前的教學(xué)現(xiàn)狀中存在的問題，建筑工程專業(yè)的學(xué)生對于杠件之間的作用力難以進(jìn)行全面的分析且不易將其與實際情況聯(lián)系，對于應(yīng)力的分析過于表面?？偟膩碚f，應(yīng)力主要是物理材料內(nèi)部變形的而產(chǎn)生的力。在實際教學(xué)過程中，由于物體內(nèi)部變現(xiàn)幅度如過小則難以用肉眼觀察，因而通過引進(jìn)數(shù)值仿真技術(shù)對其進(jìn)行分析。在教學(xué)過程中，可通過CAE系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值仿真模擬，對杠件的應(yīng)力進(jìn)行分析，其能通過數(shù)值分析建立應(yīng)力彩色明暗圖從而讓學(xué)生能夠更加直觀的觀察應(yīng)力變化。其原理在于將杠件應(yīng)力進(jìn)行一個離散型分析，由場及點(diǎn)再得出數(shù)值分析從而建立數(shù)學(xué)模型[2]。CAE系統(tǒng)是進(jìn)行數(shù)值仿真的輔助軟件，目前CAE系統(tǒng)在土木結(jié)構(gòu)的應(yīng)用處于發(fā)展時期，在實際應(yīng)用中占領(lǐng)著重要地位。因而，基于計算機(jī)技術(shù)，數(shù)值仿真能有效緩解教學(xué)壓力。并且，在進(jìn)行數(shù)值仿真教學(xué)的過程，學(xué)生能更好的通過對桿件應(yīng)力的分析從而考慮桿件的強(qiáng)度，在建筑工程中具有十分顯著的實用性。

（二）數(shù)值仿真技術(shù)在結(jié)構(gòu)動力學(xué)中的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)力學(xué)包括靜定結(jié)構(gòu)的受力分析、力法、力矩分析、結(jié)構(gòu)動力學(xué)等各個方面的教學(xué)，而結(jié)構(gòu)動力學(xué)在結(jié)構(gòu)力學(xué)中屬于教學(xué)難點(diǎn)，其教學(xué)要點(diǎn)為建筑結(jié)構(gòu)因動力荷載而發(fā)生振動時的力學(xué)分析。比如說在進(jìn)行建筑設(shè)計時，需要考慮地質(zhì)災(zāi)害，地震作為較為常見的地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)當(dāng)納入建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的考慮范圍之內(nèi)。但在實際教學(xué)過程中如果單單憑借理論知識，學(xué)生很難將結(jié)構(gòu)動力學(xué)與抗震設(shè)計相結(jié)合。而數(shù)值仿真技術(shù)的介入能有效解決這個問題。以輸電塔的防震設(shè)計為例，輸電塔的建筑材料依賴于鋼結(jié)構(gòu)，其在進(jìn)行應(yīng)力的分析時，應(yīng)當(dāng)考慮應(yīng)力的分布及振型特性。在進(jìn)行數(shù)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(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，將鐵塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化;第二步，利用動力結(jié)構(gòu)學(xué)知識，引入時程分析法對地震波進(jìn)行離散分析，其實現(xiàn)原理是通過給鋼架結(jié)構(gòu)施加瞬時荷載，從而實現(xiàn)地震動力反應(yīng)的計算。第三步，ANSYS軟件會將計算結(jié)果轉(zhuǎn)化成變形云圖，能直觀的反映鋼架體系的結(jié)構(gòu)內(nèi)力及結(jié)構(gòu)變形。教師通過數(shù)值仿真技術(shù)對鋼結(jié)構(gòu)的鐵塔模型進(jìn)行防震分析，學(xué)生能更加深層次的理解結(jié)構(gòu)動力學(xué)，從而緩解教師在結(jié)構(gòu)動力學(xué)的教學(xué)中的壓力。

（三）數(shù)值仿真技術(shù)在材料靜力學(xué)中的應(yīng)用

材料靜力學(xué)的教學(xué)難點(diǎn)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(xué)目的在于引導(dǎo)學(xué)生在進(jìn)行建筑設(shè)計時能針對不同材料設(shè)計不同的受力結(jié)構(gòu)從而提升建筑的抗壓性能及穩(wěn)定性能。而數(shù)值仿真教學(xué)在其教學(xué)過程中，主要針對荷載分布的影響因素進(jìn)行離散分析。在計算機(jī)技術(shù)的輔助之下，通過數(shù)值模擬可以得到結(jié)構(gòu)橫力彎曲的撓度變形圖。以簡支梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計為例，其主要材料包含鋼筋和混凝土，在進(jìn)行數(shù)值仿真計算時，首要要做的依然是建立數(shù)值模型，其次對鋼筋材料進(jìn)行一個網(wǎng)格劃分，通過對數(shù)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(jié)構(gòu)分析則以實體單元的形式介入鋼筋結(jié)構(gòu)的分析，以靜力分析為理論基礎(chǔ)，可引入ADNIA、FPEG等各種數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模型的輸入及分析。最后，在數(shù)值模擬軟件的協(xié)助下，其能將施力變化對材料結(jié)構(gòu)的影響以動畫的形式展現(xiàn)給學(xué)生，在增加教學(xué)課堂趣味性的同時，還能生動的表現(xiàn)出建筑材料在不同受力結(jié)構(gòu)荷載下的穩(wěn)定性。

三、結(jié)語

數(shù)值仿真技術(shù)區(qū)別于物理仿真，其通用性能比較強(qiáng)。而在建筑力學(xué)的教學(xué)過程中，數(shù)值仿真技術(shù)通過建立數(shù)值模型并借助不同的數(shù)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(jié)構(gòu)的影響。數(shù)值仿真技術(shù)的介入能有效優(yōu)化傳統(tǒng)教學(xué)系統(tǒng)引領(lǐng)建筑工程教學(xué)朝著現(xiàn)代化發(fā)展。并且，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值仿真技術(shù)在建筑力學(xué)教學(xué)中的潛在價值還待開發(fā)。因而，為了全面提升建筑力學(xué)的教學(xué)質(zhì)量，教師應(yīng)當(dāng)重視數(shù)值仿真的教學(xué)方式，只有這樣，才能為社會培養(yǎng)出更多的專業(yè)性人才，讓我國在建筑領(lǐng)域上有一定的市場競爭力。

參考文獻(xiàn)：

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[3]盧玉林，盧滔，王振宇，趙培培.數(shù)值仿真技術(shù)在建筑力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].高等建筑教育，2012，21（02）：137-139.