陳鑫 毛小勇 張兄武

摘要：鋼結(jié)構(gòu)形式多變、構(gòu)造復(fù)雜、課程知識點(diǎn)多給土木工程專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來了困難。對此，建立了虛擬仿真和實物模型相結(jié)合的教學(xué)模型體系輔助學(xué)生深入理解相關(guān)知識。梳理了本科教學(xué)中所涉及的鋼結(jié)構(gòu)課程體系，并總結(jié)了知識廣、理解難和空間感要求高三大特點(diǎn)，從構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)、結(jié)構(gòu)體系和損壞形態(tài)等多個層次建立了虛實結(jié)合的鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)模型體系。最后，介紹了該模型體系中四大模塊的建設(shè)情況。采用虛擬仿真和實物模型相結(jié)合的教學(xué)方法，與理論教學(xué)相互融合、相互促進(jìn)，全面提高學(xué)生對鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)知識的掌握程度。

關(guān)鍵詞：虛實結(jié)合;教學(xué)模型;土木工程;實驗室建設(shè)

中圖分類號：G642 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? 文章編號：1005-2909（2019）05-0080-06

隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，一方面，新技術(shù)、新材料的快速更新，新型結(jié)構(gòu)形式不斷涌現(xiàn);另一方面，以綠色建造、智能建造為特點(diǎn)的建造工業(yè)化已成為土木行業(yè)的發(fā)展趨勢。在這兩個發(fā)展方向上，鋼結(jié)構(gòu)具有天然的優(yōu)勢，但是，新結(jié)構(gòu)體系和建筑工業(yè)化對從業(yè)人員在結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)造認(rèn)知等方面的專業(yè)素養(yǎng)提出了更高要求，因此，鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)有必要在夯實學(xué)生基礎(chǔ)理論知識的同時，進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生對結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)造的空間認(rèn)知，厘清設(shè)計理論與空間構(gòu)造的關(guān)系，以適應(yīng)不斷發(fā)展的土木工程行業(yè)新要求。

鋼結(jié)構(gòu)種類繁多，體系和構(gòu)造十分復(fù)雜，基于平面圖形的傳統(tǒng)教學(xué)，簡單地依靠學(xué)生空間想象力，難以真實、準(zhǔn)確地理解和掌握結(jié)構(gòu)體系和局部構(gòu)造。教師只有把握空間想象力的層次性，并應(yīng)用于教學(xué)實踐，采取有針對性的教學(xué)方法和手段，才能有效提高學(xué)生的空間想象力。為此，認(rèn)識實習(xí)、生產(chǎn)實習(xí)等認(rèn)知實踐課程成為土木工程培養(yǎng)方案的重要組成部分[1-2]，其目的是幫助學(xué)生掌握復(fù)雜的體系和構(gòu)造。然而這些課程教學(xué)成本高、耗時長，具體到鋼結(jié)構(gòu)部分，條件限制下的教學(xué)效果有時難以保證。借助縮尺實物模型的教學(xué)方法成為一類可替代方法[3]，然而縮尺的實物模型盡管能夠通過直觀感知，一定程度幫助學(xué)生掌握體系和構(gòu)造，但缺少了對結(jié)構(gòu)尺度的真實感受和真實細(xì)節(jié)的完整把握。

近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，虛擬仿真逐漸成為提升學(xué)生實物認(rèn)知的重要手段[4-6]。陳進(jìn)等[7]為強(qiáng)化學(xué)生空間結(jié)構(gòu)概念，提出以教學(xué)實體模型庫、三維數(shù)字教學(xué)模型庫、工程案例庫為基礎(chǔ)的“形象化教學(xué)”方法，從而使原本枯燥、平面、理論的教學(xué)變得生動、立體、實際，提高了學(xué)習(xí)效率。黃海斌等[8]針對鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜性，指出了鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計教學(xué)中三維數(shù)字模型的優(yōu)勢，并利用PKPM建立了鋼結(jié)構(gòu)三維數(shù)字模型，取得了較好的教學(xué)效果。孫國華等[9]在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程教學(xué)中引入電子模型輔助教學(xué)，增強(qiáng)了學(xué)生對鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜構(gòu)造及抽象概念的認(rèn)知，加深學(xué)生對重要知識點(diǎn)的理解。可見，虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)效果較好，且越來越受關(guān)注。

但目前的鋼結(jié)構(gòu)虛擬仿真模型在涉及構(gòu)造細(xì)節(jié)時，描述失真，比如虛擬仿真焊縫往往沒有缺陷，但真實的焊縫存在著夾雜、燒穿等缺陷。而虛擬仿真和實物教學(xué)優(yōu)勢互補(bǔ)，使得近年來虛實結(jié)合的教學(xué)方法在實踐教學(xué)中逐漸引起重視[10-11]。為此，蘇州科技大學(xué)土木工程學(xué)院綜合虛擬仿真和實物模型，從構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)、結(jié)構(gòu)等多個層次建立了虛實結(jié)合的多層次鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)模型體系，為虛擬仿真、實物模型和理論教學(xué)相融合的教學(xué)實踐奠定了基礎(chǔ)。

一、 虛實結(jié)合構(gòu)建鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)模型體系

（一）鋼結(jié)構(gòu)課程體系與特點(diǎn)

作為目前最主要的結(jié)構(gòu)形式之一，鋼結(jié)構(gòu)在土木工程專業(yè)本科教學(xué)中涉及的課程主要包括鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計和鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計，以及鋼結(jié)構(gòu)畢業(yè)設(shè)計。

其中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程中涉及材料、梁、柱、連接等構(gòu)件的設(shè)計與構(gòu)造，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計課程涉及門式輕型鋼架結(jié)構(gòu)，普通單層廠房，大跨度結(jié)構(gòu)和多、高層結(jié)構(gòu)四大類結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計與構(gòu)造，鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計主要圍繞單層廠房的鋼桁架屋蓋結(jié)構(gòu)的設(shè)計與繪圖展開，鋼結(jié)構(gòu)畢業(yè)設(shè)計則針對某類鋼結(jié)構(gòu)體系完成鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計全過程。這些鋼結(jié)構(gòu)課程的主要特點(diǎn)：（1）知識系統(tǒng)性強(qiáng)，材料、構(gòu)件、結(jié)構(gòu)層次分明，內(nèi)容多;（2）知識點(diǎn)分布廣、概念多、理解難度大;（3）結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜，對學(xué)生的空間感知要求高。

（二） 鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)模型體系構(gòu)建

作為課堂理論授課的重要補(bǔ)充，模型教學(xué)有利于學(xué)生更加深刻地認(rèn)識結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從而掌握相關(guān)知識點(diǎn)中的理論、方法和構(gòu)造，因此，蘇州科技大學(xué)針對鋼結(jié)構(gòu)課程群的知識特點(diǎn)，從構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)、結(jié)構(gòu)及其損壞形態(tài)等多個層次，建立了鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)模型體系。如圖1所示，教學(xué)模型體系由構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)、結(jié)構(gòu)體系和損壞形態(tài)四大模塊組成。

（1） 構(gòu)件模塊。一方面，設(shè)置了熱軋型鋼、冷彎薄壁型鋼等型材不同截面形式的模型;另一方面，通過結(jié)構(gòu)體系模塊中的構(gòu)件，反映不同截面形式的構(gòu)件在結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

（2） 節(jié)點(diǎn)模塊。一方面，從焊接連接和螺栓連接兩種鋼結(jié)構(gòu)主要連接形式進(jìn)行分類，如對接焊縫、高強(qiáng)螺栓等;另一方面，根據(jù)具體結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)形式進(jìn)行分類，如梁柱連接、螺栓球節(jié)點(diǎn)等。

（3） 結(jié)構(gòu)體系模塊。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計課程的教學(xué)內(nèi)容，主要設(shè)置了門式輕型鋼架結(jié)構(gòu)、單層工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)、大跨空間結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)等教學(xué)模型。

（4） 損壞形態(tài)模塊。一方面，設(shè)置了反映焊縫缺陷、螺栓破壞形態(tài)的模型;另一方面，借助虛擬仿真手段建立了構(gòu)件破壞過程的虛擬模型。

在鋼結(jié)構(gòu)模型體系的建設(shè)過程中，既有定向購置的縮尺實物模型，又有自行制作的虛擬仿真模型，使得學(xué)生既能夠通過實物模型對鋼結(jié)構(gòu)各知識點(diǎn)有感性認(rèn)識，又可通過虛擬仿真模型不斷回顧知識，加深印象。模型體系的結(jié)構(gòu)構(gòu)造模塊中，每一個對象由虛擬仿真模型和縮尺實物模型對照結(jié)合，而損壞形態(tài)模塊中的對象則由虛擬仿真模型和縮尺實物模型互補(bǔ)結(jié)合，即焊縫缺陷等靜態(tài)對象主要由縮尺實物模型反映、桿件破壞過程等動態(tài)對象主要由虛擬仿真實現(xiàn)，從而使得虛擬仿真技術(shù)和實物模型各自優(yōu)勢在鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)模型體系中得到了有機(jī)融合，共同推動鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)效果的提升。

二、鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)模型體系建設(shè)

（一） 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件模塊

圖2 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件模型鋼結(jié)構(gòu)中構(gòu)件種類繁多、截面形式多樣，不同結(jié)構(gòu)的不同部位通常采用不同的構(gòu)件形式。從功能上講，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件可分為梁、柱、支撐、檁條等;從制作方式上有熱軋型鋼、冷彎薄壁型鋼、焊接型鋼等;從截面形式上有H形、L型、T型、圓鋼管、方鋼管等。構(gòu)件模塊基本涵蓋了上述制作方式和截面形式，其中部分模型如圖2所示。在教學(xué)中，面對制作方式不同，但截面形式類似的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，很難通過平面圖形和講授使學(xué)生理解不同構(gòu)件之間的差異。因此，一方面通過電子模型使學(xué)生掌握構(gòu)件的截面形式和制作細(xì)節(jié)，另一方面帶領(lǐng)學(xué)生參觀實物教學(xué)模型，加深對構(gòu)件形式的認(rèn)知，從而為后續(xù)鋼結(jié)構(gòu)的長細(xì)比分類查表等相關(guān)知識的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

（二）鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)模塊

與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜、形式多樣，不同結(jié)構(gòu)和構(gòu)件中連接方式各不相同。從受力特性上可分為剛性連接、半剛性連接和鉸接連接三大類;從連接方式上可分為焊接連接、螺栓連接、鉚接等;從節(jié)點(diǎn)位置不同可分為梁柱連接、梁梁連接、柱腳節(jié)點(diǎn)等。節(jié)點(diǎn)模塊中基本涵蓋上述類型，部分模型如圖3所示。鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計一直是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的難點(diǎn)和關(guān)鍵之一，由于形式復(fù)雜，缺乏直觀認(rèn)識使得學(xué)生對其中的公式假定和設(shè)計方法理解不深、掌握不牢，借助實物模型和虛擬仿真模型，學(xué)生能夠從構(gòu)造上理解設(shè)計方法中所反映的傳力方式，從而更深層次掌握節(jié)點(diǎn)設(shè)計理論和方法。

（三）鋼結(jié)構(gòu)體系模塊

在本科階段，涉及的鋼結(jié)構(gòu)體系主要有門式輕型鋼架結(jié)構(gòu)、大跨空間結(jié)構(gòu)和多層結(jié)構(gòu)。如圖4所示，鋼結(jié)構(gòu)體系模塊基本包含了上述結(jié)構(gòu)體系。鋼結(jié)構(gòu)體系的教學(xué)過程中，多樣的結(jié)構(gòu)和繁雜的構(gòu)造給學(xué)生的理解和學(xué)習(xí)帶來了困難，學(xué)生通過縮尺實物能夠?qū)χ饕Y(jié)構(gòu)體系的構(gòu)件布置位置、截面形式、節(jié)點(diǎn)連接方式等形成明確認(rèn)知，進(jìn)而通過更多的虛擬仿真模型學(xué)習(xí)，一方面作為縮尺實物模型的補(bǔ)充，展示在縮尺模型中無法體現(xiàn)的結(jié)構(gòu)真實細(xì)節(jié)，另一方面，拓展學(xué)生對更多結(jié)構(gòu)體系的認(rèn)知，增長知識面。

（四）鋼結(jié)構(gòu)損壞形態(tài)模塊

鋼結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)過程中，對鋼結(jié)構(gòu)缺陷和破壞形態(tài)的深入了解是掌握鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計理論和方法的基礎(chǔ)。如圖5所示，分別給出了部分鋼結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)的模型：焊縫的缺陷形態(tài)、螺栓剪切破壞模式和軸力受壓構(gòu)件破壞全過程。對于焊縫缺陷，可以通過在實物模型中真實焊接，讓學(xué)生真正了解焊縫缺陷情況。對于螺栓破壞，則直觀地將破壞后的多種形態(tài)予以反映，學(xué)生結(jié)合課本知識，一目了然。而對于成本高、難以通過靜態(tài)模型展示的破壞形態(tài)，基于有限元軟件開展這些破壞的全過程模擬，如圖5（d）所示，展示柱受壓失穩(wěn)的變形全過程及在失穩(wěn)曲線中的對應(yīng)關(guān)系，使得學(xué)生對破壞全過程有更深入的理解。

三、結(jié)語

作為主要的結(jié)構(gòu)形式之一，鋼結(jié)構(gòu)在建筑工業(yè)化的趨勢下，越來越受到重視。如何在本科教學(xué)過程中幫助學(xué)生更好地克服結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、構(gòu)件種類繁多等學(xué)習(xí)困難，牢固掌握鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)知識是土木工程專業(yè)本科教學(xué)始終關(guān)注的重點(diǎn)之一。通過虛擬仿真和實物模型的建設(shè)，形成了構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)、結(jié)構(gòu)體系、損壞形態(tài)等多層次、虛實結(jié)合的教學(xué)模型體系，在鋼結(jié)構(gòu)課程授課過程中，充分利用該教學(xué)模型體系輔助教學(xué)，對培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、加深對知識點(diǎn)的掌握、提高教學(xué)效果有著積極的作用。

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Abstract： With the characteristics of variable structural style， complicated construction， too many knowledge points， etc.， steel structure courses have brought difficulties to civil engineering undergraduates. Therefore， this paper presents a teaching model system， which combines both virtual simulation and physical model， to help the undergraduates understand relevant knowledge. The system of steel structure courses in undergraduate teaching is concluded， and its three characteristics are summarized including too wide range of knowledge to learn， too hard to understand and high requirement of space sense. Then a steel structure teaching model system is constructed based on several layers， such as components， joints， structure systems and damage states. Lastly， the construction situation of the four blocks of the system is introduced. With the proposed integration teaching method and theory teaching integrating and promoting mutually， the undergraduates mastery of steel structure relevant knowledge is improved comprehensively.

Key words： virtual-real integration; teaching model; civil engineering; laboratory construction

（責(zé)任編輯 梁遠(yuǎn)華）