建筑力學(xué)課程關(guān)于概念分析的涵義和方法

黃政華

摘要：建筑力學(xué)是建筑學(xué)專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，其理論知識主要由概念、原理和分析組成。根據(jù)建筑學(xué)專業(yè)學(xué)生的特點和培養(yǎng)目標(biāo)，提出建筑力學(xué)概念分析的理念，并對其內(nèi)涵進(jìn)行了論述?；趯Ω拍罘治鰞?nèi)涵和目標(biāo)的理解，采用結(jié)構(gòu)內(nèi)力變形分析法和結(jié)構(gòu)內(nèi)力剛度分配法進(jìn)行概念分析并舉例說明其應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：建筑力學(xué)；概念分析；變形分析；剛度分配

中圖分類號：G642文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674-7615（2017）02-0088-03

DOI：10.15958/j.cnki.jywhlt.2017.02.017

建筑力學(xué)將傳統(tǒng)的三大力學(xué)，理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)內(nèi)容系統(tǒng)有機(jī)的結(jié)合在一起，探討和介紹與建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計密切相關(guān)的基礎(chǔ)力學(xué)理論和方法，是建筑學(xué)專業(yè)、城市規(guī)劃專業(yè)本科生的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課。通過課程學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)深刻理解建筑結(jié)構(gòu)的有關(guān)力學(xué)概念和原理，能夠?qū)⒔ㄖY(jié)構(gòu)簡化為力學(xué)分析模型，具有計算靜定、超靜定結(jié)構(gòu)在外載作用下的內(nèi)力和繪制內(nèi)力圖的能力，并研究結(jié)構(gòu)的強度、剛度及穩(wěn)定性等問題。同時，課程學(xué)習(xí)還能夠提高建筑學(xué)、城市規(guī)劃專業(yè)學(xué)生的力學(xué)素養(yǎng)以及理性思維，進(jìn)而能夠進(jìn)行兼具創(chuàng)意和力學(xué)合理性的高水平建筑設(shè)計。

一、課程教學(xué)存在的問題

建筑力學(xué)課程的理論知識主要由概念、原理和分析組成。概念是一種反映事物本質(zhì)屬性的思維認(rèn)識，是人們在實踐基礎(chǔ)上經(jīng)過感性認(rèn)識上升到理性認(rèn)識而形成的[1]。力學(xué)基本概念主要有荷載、內(nèi)力、應(yīng)力、位移、應(yīng)變、剛體、彈性體等。原理是反映自然科學(xué)具有普遍意義的基本規(guī)律，建筑力學(xué)的主要力學(xué)原理是力系的平衡原理和虛功原理。力學(xué)分析則是利用力學(xué)原理對力學(xué)概念的內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行分析，主要涉及幾何穩(wěn)定性分析、內(nèi)力分析、應(yīng)力應(yīng)變分析、位移計算等。

建筑力學(xué)的內(nèi)容體系除了少部分篇幅是用來闡釋力學(xué)概念和力學(xué)原理外，大部分篇幅是用來講述力學(xué)分析的方法和過程的。力學(xué)分析有兩個層次，一個是數(shù)量分析，即將具體的建筑結(jié)構(gòu)抽象為力學(xué)模型，并將其幾何形態(tài)、物理特征數(shù)值化或矢量化，通過力學(xué)原理建立力學(xué)概念之間的數(shù)量模型，利用數(shù)學(xué)的方法，求出需要的力學(xué)物理量數(shù)值，在此基礎(chǔ)上驗算其強度、剛度及穩(wěn)定性是否滿足要求。另外一個層次則是概念分析或定性分析，即基于概念、原理對結(jié)構(gòu)的受力性能進(jìn)行定性的分析和判斷，在此基礎(chǔ)上提出合理建筑結(jié)構(gòu)型式。在目前的建筑力學(xué)課程教學(xué)過程中，存在如下一些問題。

1內(nèi)容多，時間短，學(xué)習(xí)難度大。從課程教學(xué)內(nèi)容上看，建筑力學(xué)課程涵蓋理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)，理論知識點多面廣，這對于土木工程專業(yè)的學(xué)生而言，通常要安排3個學(xué)期進(jìn)行連續(xù)而循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)。但對于建筑學(xué)、城市規(guī)劃專業(yè)學(xué)生卻只安排1個學(xué)期學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)難度可想而知。

2缺乏學(xué)習(xí)興趣。建筑學(xué)專業(yè)大多為藝術(shù)、設(shè)計類課程，學(xué)生一般形象思維能力較強，對邏輯思維和抽象思維要求較高的力學(xué)概念和理論存在畏難情緒，更談不上有強烈的興趣。

3教學(xué)目標(biāo)點多，側(cè)重點在什么地方？偏重力學(xué)概念、原理的理解運用能力還是具體計算能力？

4學(xué)生考試成績不大理想，多數(shù)學(xué)生難以達(dá)到現(xiàn)有教學(xué)目標(biāo)確定的要求：既能準(zhǔn)確的理解概念和原理，又能熟練掌握相關(guān)計算分析方法。

形成上述問題的原因是多方面的。其核心原因就是教學(xué)目標(biāo)定位不大清晰，將建筑力學(xué)課程定位為土木專業(yè)三大力學(xué)課程的精簡版，缺乏鮮明的專業(yè)特征。建筑學(xué)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)是未來的建筑師，其對力學(xué)理論的掌握，應(yīng)側(cè)重于未來的職業(yè)需要，即在結(jié)構(gòu)方案選型中考慮受力合理性，創(chuàng)作出安全、經(jīng)濟(jì)、適用和美觀的建筑作品?？紤]建筑結(jié)構(gòu)的受力合理性，不是要求建筑師掌握力學(xué)計算技巧并進(jìn)行數(shù)值計算，而是要求建筑師能夠深刻理解建筑結(jié)構(gòu)的力學(xué)概念和基本原理，并在此基礎(chǔ)上對建筑結(jié)構(gòu)的受力性能進(jìn)行宏觀的概念分析。因此，在教學(xué)內(nèi)容的組織上，應(yīng)該強化基本概念和基本原理，力學(xué)分析則應(yīng)該強調(diào)概念分析，簡化數(shù)量分析的要求，比如力法和位移法計算的內(nèi)容。

隨著有限元理論和商用計算分析軟件的飛速發(fā)展和日益成熟，一方面電算已經(jīng)成為建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)計算分析主流手段，即使是對結(jié)構(gòu)工程師而言，建筑力學(xué)中的一些傳統(tǒng)計算方法，比如力法、位移法的用途越來越少，目前僅限于對桿件數(shù)量少的簡單結(jié)構(gòu)電算結(jié)果進(jìn)行復(fù)核，在實際工作應(yīng)用的機(jī)會并不多。另一方面建筑結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜化，建筑師在結(jié)構(gòu)選型階段就應(yīng)該對結(jié)構(gòu)的受力性能有一個初步的判斷，選擇受力合理的結(jié)構(gòu)型式，這就需要對結(jié)構(gòu)的受力有一定的概念分析能力。從建筑師的工作性質(zhì)來看，概念分析能力比計算分析能力更為重要。

二、建筑力學(xué)概念分析的涵義

建筑力學(xué)包括三大力學(xué)的基本內(nèi)容，其中結(jié)構(gòu)力學(xué)是主要部分，因此，本文建筑力學(xué)概念分析的主要內(nèi)容就是結(jié)構(gòu)力學(xué)的部分概念分析。結(jié)構(gòu)力學(xué)概念分析的另一種提法是“概念結(jié)構(gòu)力學(xué)”或“定性結(jié)構(gòu)力學(xué)”。在2000年、2001年全國非力學(xué)專業(yè)力學(xué)基礎(chǔ)課程專業(yè)指導(dǎo)委員會兩屆年會上，與會專家提出了《概念結(jié)構(gòu)力學(xué)》的理念，認(rèn)為《結(jié)構(gòu)力學(xué)》可以分為三個層次，依次是《結(jié)構(gòu)力學(xué)教程》、《計算結(jié)構(gòu)力學(xué)》和《概念結(jié)構(gòu)力學(xué)》[2]。

范夕森[2]等認(rèn)為，概念結(jié)構(gòu)力學(xué)應(yīng)當(dāng)是在掌握基礎(chǔ)理論和基本計算方法的基礎(chǔ)上，掌握結(jié)構(gòu)力學(xué)的本質(zhì)概念，并能夠把力學(xué)知識靈活運用到工程實際。

李會軍[3]等認(rèn)為，概念結(jié)構(gòu)力學(xué)應(yīng)對結(jié)構(gòu)受力規(guī)律與變形趨勢進(jìn)行判斷，根據(jù)力學(xué)概念構(gòu)造協(xié)同工作能力強的結(jié)構(gòu)。概念結(jié)構(gòu)力學(xué)強調(diào)趨勢的判斷，提高、訓(xùn)練判斷力，將學(xué)生的精力主要集中在事物的因果關(guān)系上，而不是消耗在復(fù)雜的運算之中。

陳景濤[4]等認(rèn)為，“定性結(jié)構(gòu)力學(xué)”以訓(xùn)練和培養(yǎng)學(xué)生定性分析、估算判斷的能力為目標(biāo)，深刻理解、掌握和運用結(jié)構(gòu)力學(xué)中的核心概念和基本方法，在工程和科學(xué)實踐中的概念設(shè)計、估算判斷、計算模型建立、計算模型簡化、計算結(jié)果分析等重要課題中能夠自覺主動并機(jī)動靈活地進(jìn)行定性分析。

綜合來看，建筑力學(xué)概念分析或定性分析，首先強調(diào)熟練掌握建筑力學(xué)的核心概念和基本原理，然后是運用這些概念原理對結(jié)構(gòu)的受力規(guī)律和變形趨勢進(jìn)行定性的分析判斷，在此基礎(chǔ)上才能提出受力性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)型式。概念分析應(yīng)注重建筑結(jié)構(gòu)受力規(guī)律性的歸納和總結(jié)，并將其靈活運用于結(jié)構(gòu)選型之中。

三、建筑力學(xué)概念分析的基本方法

黃達(dá)海在其主編的《概念結(jié)構(gòu)力學(xué)》[5]指出，學(xué)習(xí)概念結(jié)構(gòu)力學(xué)應(yīng)偏向于對結(jié)構(gòu)的直觀感覺，從整體上把握結(jié)構(gòu)的類型與特征；注重培養(yǎng)學(xué)生對受力規(guī)律和變形趨勢的感受能力；能利用結(jié)構(gòu)的約束強弱關(guān)系、荷載遠(yuǎn)近關(guān)系、結(jié)構(gòu)主次關(guān)系、靜定與超靜定關(guān)系、位移內(nèi)力關(guān)系等，掌握荷載的主要傳播途徑，以及荷載的分配機(jī)制。

為此，筆者根據(jù)近幾年建筑力學(xué)課程教學(xué)的經(jīng)驗，總結(jié)了如下兩種建筑力學(xué)概念分析的基本方法：

1結(jié)構(gòu)內(nèi)力變形分析法

2結(jié)構(gòu)內(nèi)力剛度分配法

結(jié)構(gòu)內(nèi)力變形分析法，是根據(jù)荷載作用方向和直覺判別結(jié)構(gòu)的變形形態(tài)，根據(jù)變形形態(tài)以及荷載與內(nèi)力的關(guān)系繪制結(jié)構(gòu)的彎矩圖形狀。

圖1是利用結(jié)構(gòu)內(nèi)力變形分析法進(jìn)行內(nèi)力分析的一個例子。其中圖1a所示為門式結(jié)構(gòu)在節(jié)點B承受向右的水平力FP作用，根據(jù)直覺即可判斷結(jié)構(gòu)將發(fā)生整體向右的側(cè)移，且由于桿件變形的連續(xù)性和B、D節(jié)點剛性連接，變形后B、D節(jié)點連接的梁柱桿件夾角仍為直角。變形后的形態(tài)為圖1b所示，其中桿AB、DE彎曲變形均為右側(cè)受拉，左側(cè)受壓；桿BC為下側(cè)受拉，上側(cè)受壓，桿CD為上側(cè)受拉，下側(cè)受壓。根據(jù)荷載與內(nèi)力的關(guān)系、鉸節(jié)點A、C、E彎矩為零的條件以及彎矩圖繪制在桿件受拉側(cè)的規(guī)定，繪制桿件的彎矩圖形狀如圖1c所示。雖然概念分析沒有給出彎矩的具體數(shù)值，但是給出了桿件彎矩分布規(guī)律以及最大彎矩截面的位置，這對于工程結(jié)構(gòu)受力定性分析有實際意義。

結(jié)構(gòu)內(nèi)力剛度分配法，則是根據(jù)內(nèi)力按剛度分配的原理來確定各個桿件內(nèi)力大小或者比例關(guān)系。桿單元的內(nèi)力和位移由單元剛度確定，位移一定的情況下，單元剛度越大，承擔(dān)的外荷載值越大，內(nèi)力越大。

例如圖2a所示的門式剛架，節(jié)點B承受向右的水平力FP作用，根據(jù)變形分析方法，繪制變形后的形態(tài)為圖2b所示。由于橫梁BC剛度遠(yuǎn)大于柱的剛度，柱的變形可以簡化為端部有側(cè)向位移的兩端固接桿且AB、CD桿的側(cè)向位移相等。根據(jù)剛度分配法，CD桿的線剛度為AB桿的2倍，因此CD桿的桿端彎矩也應(yīng)為AB桿的2倍，如圖2c所示。通過圖2的分析可知，假如AB、CD桿均為方柱，則當(dāng)CD桿的邊長僅為AB桿的12倍時，其彎曲剛度和承擔(dān)的彎矩就達(dá)到AB桿的2倍。因此通過增大截面面積提高承載力，來滿足強度要求，有時候反而行不通，因為這時內(nèi)力的增長速度遠(yuǎn)大于承載力的增長速度。

四、結(jié)語

建筑力學(xué)課程是建筑學(xué)專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。根據(jù)建筑學(xué)專業(yè)學(xué)生的特點和培養(yǎng)目標(biāo)，在建筑力學(xué)課程的教學(xué)過程中提出強化概念和基本原理的概念分析方法。概念分析運用概念、原理對結(jié)構(gòu)的受力規(guī)律和變形趨勢進(jìn)行定性的分析判斷，在此基礎(chǔ)上提出受力性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)型式。概念分析方法的教學(xué)效果需要在今后的教學(xué)實踐中進(jìn)行反饋和檢驗，并在此基礎(chǔ)上不斷得到豐富和完善。

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[1]朱慈勉，尹小明概念設(shè)計的意義和工程應(yīng)用[J].建筑技術(shù)，2005（08）：626-628

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[3]李會軍，李宗利，史姣概念結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)研究與實踐[J].黑龍江教育（高教研究與評估），2016（03）：8-10

[4]陳景濤，任韋輝，管亞彬“定性結(jié)構(gòu)力學(xué)”的內(nèi)容體系及其在工程中的應(yīng)用[J].重慶工學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2007（04）：48-49

[5]黃達(dá)海，郭全全概念結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010

（責(zé)任編輯趙廣示）