城市地下空間工程專業(yè)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)教學(xué)研究

靳軍偉　李明宇　李光

摘要：文章對(duì)城市地下空間工程專業(yè)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行系統(tǒng)的研究。通過(guò)分析總結(jié)，給出了目前城市地下空間工程專業(yè)在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)教學(xué)方面的必要性。根據(jù)目前城市地下空間工程行業(yè)的發(fā)展，討論了當(dāng)前該專業(yè)中計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)所面臨的諸多問(wèn)題。針對(duì)目前地下空間工程所處的歷史機(jī)遇，分析計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在未來(lái)所面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，認(rèn)為對(duì)于城市地下空間工程專業(yè)，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)教學(xué)的開(kāi)展是非常必要的。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì);城市地下空間工程專業(yè);教學(xué)研究

中圖分類號(hào)：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1674-9324（2020）13-0288-02

一、前言

自2000年，我國(guó)城市地下空間工程發(fā)展迅猛[1]。而目前計(jì)算機(jī)的影響幾乎涉及每個(gè)領(lǐng)域。對(duì)于工科類別的城市地下空間工程專業(yè)學(xué)生來(lái)說(shuō)，此特點(diǎn)尤為明顯。不過(guò)和生活中計(jì)算機(jī)大量應(yīng)用相比，與工程應(yīng)用相結(jié)合的教學(xué)中該方面卻有所欠缺。從現(xiàn)有的計(jì)算教材（如巖土工程數(shù)值分析）來(lái)看，其數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他課程，如土力學(xué)、地下結(jié)構(gòu)等，下圖是根據(jù)京東網(wǎng)上書(shū)城的檢索統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

二、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)教學(xué)的必要性

（一）城市地下空間工程專業(yè)的特點(diǎn)

城市地下空間工程專業(yè)是近年來(lái)根據(jù)國(guó)內(nèi)工程實(shí)踐的需要和行業(yè)發(fā)展所興起的專業(yè)[2]，其專業(yè)技能涉及傳統(tǒng)的巖土工程、結(jié)構(gòu)工程及隧道工程等專業(yè)，對(duì)數(shù)學(xué)、力學(xué)及計(jì)算機(jī)水平要求較高。

（二）理論的復(fù)雜性

在大多數(shù)工程設(shè)計(jì)中，涉及的與承載力相關(guān)的材料主要包括混凝土、金屬以及土體?；炷梁徒饘傧鄬?duì)于土體材料來(lái)說(shuō)，剛度通常大于1000倍，且變形相對(duì)較小，通常在彈性變形階段工作。土體材料主要作為地基承載或地下結(jié)構(gòu)的荷載，在工作階段常常達(dá)到塑性階段。故在進(jìn)行與土體材料相關(guān)的設(shè)計(jì)時(shí)，如果不考慮土體的塑性特性，則計(jì)算偏差較大。在此條件下，需要采用土體的彈塑性模型，如常見(jiàn)的摩爾-庫(kù)倫模型、劍橋模型等[3]。同時(shí)，在計(jì)算結(jié)構(gòu)-土體相互作用時(shí)，也多采用非線性彈性或彈塑性模型。故涉及該種計(jì)算時(shí)，需要更多的材料參數(shù)，從而使得計(jì)算更加復(fù)雜。

（三）理論與實(shí)踐的差異性

由于天然土體的分層特性，以及形成過(guò)程的不同，土體材料多表現(xiàn)出各向異性及應(yīng)力歷史相關(guān)等特性，導(dǎo)致即使采用復(fù)雜的土體本構(gòu)理論，也很難完全描述實(shí)際的土體力學(xué)特性，致使實(shí)踐中的計(jì)算需要進(jìn)行大量的抽象簡(jiǎn)化。這些特點(diǎn)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)對(duì)理論理解的深度和大量的分析經(jīng)驗(yàn)做基礎(chǔ)[4]。

（四）職業(yè)發(fā)展與時(shí)俱進(jìn)的需求

目前因巖土工程的復(fù)雜性，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法已出現(xiàn)在部分規(guī)范中，如：

①基坑工程規(guī)范在計(jì)算復(fù)雜基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)整體受力;

②邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)，條分法計(jì)算;

③結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范關(guān)于振動(dòng)頻率部分;

④地下水分析等。

上述問(wèn)題通常是傳統(tǒng)意義上“手算”很難在短時(shí)間內(nèi)完成，甚至無(wú)法完成，故必須借助計(jì)算機(jī)。

三、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)教學(xué)面臨的問(wèn)題

（一）理論深度問(wèn)題

相對(duì)于結(jié)構(gòu)問(wèn)題而言，巖土工程問(wèn)題考慮到土體材料的復(fù)雜性，如剪脹、應(yīng)力路徑、固結(jié)等問(wèn)題，其計(jì)算需要更為復(fù)雜的本構(gòu)模型，導(dǎo)致在計(jì)算中很難解決復(fù)雜問(wèn)題。

（二）軟件選擇問(wèn)題

從目前國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先的計(jì)算巖土工程問(wèn)題的軟件計(jì)算方法來(lái)看，可分為兩類，通用有限元軟件，如ANSYS，ABAQUS等;巖土專業(yè)軟件，如Plaxis、Flac3D等[5-6]。從計(jì)算原理上看，可分為有限元方法和其他方法，有限元方法是目前應(yīng)用最為廣泛的方法，主要在于其理論相對(duì)完善，發(fā)展歷史較長(zhǎng)。其他方法大多在于解決有限元方法無(wú)法解決的一些問(wèn)題，如開(kāi)裂和大變形問(wèn)題。從巖土工程專業(yè)的特點(diǎn)來(lái)看，對(duì)于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，有限元方法可以解決絕大多數(shù)問(wèn)題。因此選擇有限元方法是完全能滿足專業(yè)需求和教學(xué)的。按照計(jì)算目的分，可分為以判斷是否滿足規(guī)范要求為目的的工程應(yīng)用軟件，如Geo5，PKPM等;以解決復(fù)雜問(wèn)題及具有科學(xué)研究性質(zhì)的有限元軟件，如Midas GTS NX等。

（三）實(shí)踐案例匱乏問(wèn)題。

針對(duì)教學(xué)需要的實(shí)踐案例，要滿足簡(jiǎn)單易理解，且設(shè)計(jì)參數(shù)詳盡，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)完善。但實(shí)際該種案例相對(duì)匱乏，欠缺部分?jǐn)?shù)據(jù)，導(dǎo)致在計(jì)算中需要進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)性分析。

（四）案例復(fù)雜性問(wèn)題。

通常實(shí)際的案例復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)本科教學(xué)中課程設(shè)計(jì)的體量，將案例作為一種計(jì)算例題就更加復(fù)雜，如基坑分步開(kāi)挖過(guò)程中支擋結(jié)構(gòu)的受力問(wèn)題等。

四、機(jī)遇與挑戰(zhàn)

（一）當(dāng)前國(guó)內(nèi)的大體量地下建設(shè)時(shí)期

近些年來(lái)，我國(guó)土木工程建設(shè)在體量、技術(shù)水平都達(dá)到世界領(lǐng)先水平，國(guó)內(nèi)地下工程建設(shè)也是迅猛發(fā)展，許多城市都在進(jìn)行地下綜合管廊的建設(shè)，大中型城市都在進(jìn)行地鐵建設(shè)。

（二）城市地下空間工程專業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)

城市地下工程專業(yè)自2001年由教育部設(shè)置以來(lái)，經(jīng)過(guò)18年的發(fā)展，已從最初的1所高校增至32所高校。同時(shí)多次大學(xué)生建模大賽成功舉辦，其發(fā)展呈現(xiàn)蓬勃之勢(shì)。

（三）與“一帶一路”的契合問(wèn)題

黨和國(guó)家提出“一帶一路”合作倡議以來(lái)，我國(guó)同一帶一路沿線國(guó)家的經(jīng)貿(mào)往來(lái)迅速增加。我國(guó)也迅速加入沿線國(guó)家的土木工程建設(shè)當(dāng)中，承建了大量的復(fù)雜巖土工程項(xiàng)目[7]。由于沿線國(guó)家地質(zhì)條件的復(fù)雜性給巖土工程的設(shè)計(jì)計(jì)算帶來(lái)諸多問(wèn)題，所以更加需要計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算。

五、結(jié)論

城市地下空間工程專業(yè)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)教學(xué)工作是專業(yè)培養(yǎng)所需要的，也是城市地下空間工程專業(yè)學(xué)習(xí)內(nèi)容復(fù)雜性和學(xué)生職業(yè)化工作所需要的;城市地下空間工程專業(yè)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)教學(xué)目前面臨軟件和案例等多種因素的難題;城市地下空間工程專業(yè)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)教學(xué)的大力開(kāi)展與國(guó)家建設(shè)和提高我國(guó)地下空間工程國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力是相契合的。

參考文獻(xiàn)：

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Research on Computer Aided Design Teaching of Urban Underground Space Engineering Specialty

JIN Jun-wei1，LI Ming-yu1，LI Guang2

（1.School of Civil Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou，Henan 450001，China;

2.Information Engineering University luoyang Campus，Luoyang，Henan 471000，China）

Abstract：The practice teaching of computer aided design in urban underground space engineering is systematically studied.Through analysis and summary，the necessity of computer-aided design teaching in urban underground space engineering is given.According to the development of urban underground space engineering，the problems of computer-aided design in this major are discussed.In view of the historical opportunities of underground space engineering at present，this paper analyzes the opportunities and challenges of cad in the future，and points out that cad teaching is very necessary for urban underground space engineering major.

Key words：computer aided design;Major in urban underground space engineering;teaching research