基于以學(xué)生為中心的節(jié)點(diǎn)模型庫建立

楊丹 鄔萌 王若鑌 杜旭超

摘?要：基于對現(xiàn)階段土木工程專業(yè)認(rèn)證及本科工程教育本質(zhì)的解讀，通過以學(xué)生為中心、老師輔助這種兩者共同參與課程建設(shè)的方式，建立鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的電子模型庫來幫助同學(xué)們認(rèn)知并理解鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)課程中復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造和受力情況以及抽象的理論表述方式。同時，參與課程建設(shè)的同學(xué)在自己動手操作建模的過程中更能夠理解某些節(jié)點(diǎn)或結(jié)構(gòu)的復(fù)雜受力和抽象概念，從而建立起自己的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)知識體系，鍛煉自己的動手操作能力及與隊友溝通交流的能力。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu);以同學(xué)為中心;節(jié)點(diǎn)模型庫;節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

一、緒論

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，為滿足我國人民日益增長的物質(zhì)和精神需求，建筑行業(yè)也在不斷發(fā)展。鋼結(jié)構(gòu)雖然價格高昂，但是因其強(qiáng)度高、重量輕、密封性好，而且制造簡便，易于采用工業(yè)化生產(chǎn)，施工安裝方便且周期短，建成的鋼結(jié)構(gòu)也便于拆卸、加固或改造，最重要的是其回收再利用率可達(dá)99.99%，符合我國可持續(xù)發(fā)展理念等一系列原因，鋼結(jié)構(gòu)正成為炙手可熱的發(fā)展項(xiàng)目。

根據(jù)由前瞻產(chǎn)業(yè)研究院歸納整理的數(shù)據(jù)可知：2018年，我國鋼結(jié)構(gòu)的產(chǎn)值達(dá)到6736億元，僅占了建筑業(yè)總產(chǎn)值的2.87%;而2019年我國鋼結(jié)構(gòu)的產(chǎn)值達(dá)到了7453億元，約占了建筑業(yè)總產(chǎn)值的3.23%;同時，2018年，全國建筑用鋼量為4.18億噸，鋼結(jié)構(gòu)用鋼占建筑用鋼量的比例為16.5%。我國鋼結(jié)構(gòu)建筑的占比不到5%，而在國外，尤其是歐美國家鋼結(jié)構(gòu)建筑的占比普遍在40%以上。由此可見，我國鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展空間還很大，發(fā)展前景一片明朗。

鋼結(jié)構(gòu)由鋼構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)組成。多次震害表明，建筑經(jīng)常發(fā)生鋼框架節(jié)點(diǎn)和豎向支撐節(jié)點(diǎn)破壞，相關(guān)抗震規(guī)范中強(qiáng)調(diào)：“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，弱構(gòu)件”;另一方面，國家現(xiàn)階段正大力倡導(dǎo)裝配式建筑，其中鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計更傾向于采用“工廠焊接，現(xiàn)場栓接”的方式。綜上所述，節(jié)點(diǎn)設(shè)計是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中最重要的組成部分，對建筑結(jié)構(gòu)安全起著舉足輕重的作用，節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造是否合理、傳力是否明確從根本上決定了結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理、結(jié)構(gòu)是否安全。

二、鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)學(xué)習(xí)中存在的問題

鋼結(jié)構(gòu)體系作為一個專業(yè)技術(shù)要求較高，受力和施工都比較復(fù)雜的系統(tǒng)工程，部分節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，處于多向受力狀態(tài)，傳力路徑不明確，且教材中的某些構(gòu)造平面圖過于抽象，使得其空間立體圖形難以想象。加之知識點(diǎn)非常繁雜，給我們的學(xué)習(xí)帶來了重重困難。

從以往的鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)中，我們可以發(fā)現(xiàn)：鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)作為鋼結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計等相關(guān)專業(yè)核心課程的重難點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜、形式多樣、構(gòu)造及計算理解難度大，具有學(xué)習(xí)難度大、空間想象力要求高、理論復(fù)雜煩瑣且難以理解、節(jié)點(diǎn)設(shè)計不易掌握等一系列困難。無論是對老師的教學(xué)來說，還是就學(xué)生的學(xué)習(xí)而言，節(jié)點(diǎn)設(shè)計都存在很大的困難。

三、鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)模型庫的建立

目前為解決這些問題，大多數(shù)人選擇課堂上老師授課PPT中的配圖以及課前同學(xué)自制模型這兩種方式。但這并不能有效地解決上述這些問題，因此我們提出了建立節(jié)點(diǎn)模型庫。我們要跳出課堂的局限，立足于當(dāng)今社會不可或缺的網(wǎng)絡(luò)虛擬世界，直接給同學(xué)們展示節(jié)點(diǎn)構(gòu)造及傳力路徑，以達(dá)到幫助同學(xué)研究節(jié)點(diǎn)模型并理解節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、受力狀態(tài)及傳力路徑的目的。具體從以下兩個方面展開：

（1）利用軟件建立虛擬仿真節(jié)點(diǎn)模型庫，并實(shí)現(xiàn)拆解、拼接的動畫。

（2）利用亞克力板等材料，拼裝典型節(jié)點(diǎn)，建立鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)實(shí)體模型庫。

鋼結(jié)構(gòu)是由鋼構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)組成的結(jié)構(gòu)體系，根據(jù)節(jié)點(diǎn)所處位置的不同可以分為梁柱節(jié)點(diǎn)、柱腳節(jié)點(diǎn)等;從轉(zhuǎn)動剛度來看可分為剛性節(jié)點(diǎn)、半剛性節(jié)點(diǎn)和鉸接節(jié)點(diǎn)。目前，鋼結(jié)構(gòu)建筑大面積采用剛性節(jié)點(diǎn)。但抗震地區(qū)，考慮到抗震結(jié)構(gòu)的延性，半剛性節(jié)點(diǎn)逐漸受到重視，如何實(shí)現(xiàn)半剛性節(jié)點(diǎn)的連接也成為研究熱點(diǎn)。

在鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)模型庫的建立過程中，我們遇到了很多問題。鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)種類繁多，構(gòu)造復(fù)雜多變，有一些節(jié)點(diǎn)在只有平面圖的情況下，我們無法想象其空間立體形象，也無法透徹理解節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造情況。例如：結(jié)構(gòu)構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)連接的位置關(guān)系，節(jié)點(diǎn)板的位置，焊縫的寬度、分布及形式，螺栓的間距、排列方式等等。

最初，我們考慮采用3Dmax、Revit、Sketchup等軟件中的一、兩個來建立模型，但經(jīng)過綜合考慮，Revit因簡單易學(xué)、學(xué)習(xí)資源豐富、參數(shù)化程度高等優(yōu)勢被選中來建立鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)模型庫。我們先建立了梁柱節(jié)點(diǎn)的模型庫，目前已經(jīng)建立了多個剛性及半剛性節(jié)點(diǎn)的電子模型，其中剛性節(jié)點(diǎn)電子模型采用了全螺栓連接和焊縫連接以及栓焊混接三種不同連接方式。在Revit軟件中，我們可以通過移動鼠標(biāo)來旋轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)模型，因此我們可以從上下左右、東南西北各個不同方向展示節(jié)點(diǎn)模型，非常形象立體，能夠讓同學(xué)們一看就明白結(jié)構(gòu)構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)的連接位置關(guān)系、節(jié)點(diǎn)板或者墊板的位置等，同時也能清楚地看出節(jié)點(diǎn)采用的連接方式。

建立鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)電子模型庫后，我們還做了拆解和拼裝節(jié)點(diǎn)模型的動畫。相較于節(jié)點(diǎn)電子模型庫里能夠旋轉(zhuǎn)展示節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的3D立體模型，拆解和拼裝節(jié)點(diǎn)模型的動畫能夠更加清楚明白地給同學(xué)們展示節(jié)點(diǎn)的組成、連接以及施工過程。

雖然鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的實(shí)體模型相較于電子模型而言，會更耗費(fèi)人力、物力，也會占用一定的空間來存放，但是實(shí)體模型能夠讓我們直接上手操作，模擬鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的施工。所以，我們也利用亞克力板等材料制作并拼裝了一部分鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的實(shí)體模型。

四、建立鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)模型庫的收獲

在項(xiàng)目立項(xiàng)申請之前，我們就已經(jīng)在鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)課程的學(xué)習(xí)中了解到了鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的重要性，因此我們主動參與到了鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)的課程建設(shè)中。而這樣做不僅僅是為了在建模過程中學(xué)到更多的東西，從而增加我們專業(yè)知識的儲備，更是為了鍛煉我們的動手能力、自主學(xué)習(xí)以及繼續(xù)學(xué)習(xí)的能力。

鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)模型電子庫里的模型可以方便師生隨時點(diǎn)擊查看，幫助同學(xué)理解鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的立體形狀以及構(gòu)造，讓老師的課堂更加立體生動，使節(jié)點(diǎn)設(shè)計不再是老師PPT上難以想象的平面圖。這能夠解決我們在學(xué)習(xí)過程中因?yàn)榭臻g想象能力不好而導(dǎo)致的問題，也是我們建立鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)模型電子庫的初衷。除此之外，拆解和拼裝模型的動畫不僅能夠更加直觀地讓我們認(rèn)識到節(jié)點(diǎn)的組成以及后續(xù)的拼裝施工，更能夠讓我們透徹地了解節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部構(gòu)造和傳力路徑。

在建立鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的模型電子庫、拆解和拼裝節(jié)點(diǎn)模型以及拼裝和建立實(shí)體模型庫的整個過程中，我們收獲了很多，不僅是技術(shù)性能力的成長，還有人際交往方面的交流溝通能力。作為學(xué)生，在學(xué)習(xí)了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理之后，我們有幸參與到與之相關(guān)的課程建設(shè)中來，并且是作為主力軍，我們都非常有成就感。首先，在建模過程中，我們利用各個渠道的資源，借助網(wǎng)絡(luò)平臺通過自學(xué)學(xué)會使用Revit軟件，這不僅是掌握了一項(xiàng)專業(yè)軟件使用技術(shù)，而且在這個過程中也鍛煉了我們自主學(xué)習(xí)的能力。其次，建立鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)模型庫不只是一個學(xué)習(xí)的過程，更是一段難以忘懷的經(jīng)歷，是我們學(xué)生生涯里濃墨重彩的一筆。在整個過程中，我們需要不斷地跟隊友、指導(dǎo)老師溝通，交換意見。我們的交際能力可謂突飛猛進(jìn)，與老師溝通交流時也不會再出現(xiàn)因?yàn)楹π叨е嵛岬那闆r。而且，在完成模型庫建立的過程中，我們把節(jié)點(diǎn)設(shè)計的重難點(diǎn)解讀得十分透徹。最后，完成這一系列理論與實(shí)際操作相結(jié)合的任務(wù)后，我們既鍛煉了自己的實(shí)際動手操作能力以及溝通交流能力，建立了鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的知識體系，又在老師的帶領(lǐng)下增長了不少見識，積累了做項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，為以后的學(xué)習(xí)打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

對沒有參與到建模的同學(xué)而言，我們耗時耗力建立的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)電子模型庫、實(shí)體模型庫以及節(jié)點(diǎn)拆解和拼裝動畫可以作為老師教學(xué)時使用的教具，也可以作為同學(xué)們自主學(xué)習(xí)的資源供同學(xué)參考。這可以幫助同學(xué)們更加清晰地認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造以及傳力路徑。歸根結(jié)底，建立鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)電子模型庫的意義就在于輔助同學(xué)們學(xué)習(xí)節(jié)點(diǎn)設(shè)計，加深對節(jié)點(diǎn)構(gòu)造和傳力路徑的認(rèn)知。在這個過程中，我們的動手能力、分析能力、溝通交流能力都得到了一定的提升，知識體系的建立、專業(yè)素質(zhì)的培養(yǎng)以及文化素養(yǎng)的提升也都有一定的成效。

五、結(jié)論及建議

我們建立鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)模型庫的初衷，除了老師提出的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)教具研制，以滿足講課時給不理解或者理解有誤的同學(xué)們展示節(jié)點(diǎn)構(gòu)造等教學(xué)需求之外，還可以解決同學(xué)們在學(xué)習(xí)節(jié)點(diǎn)設(shè)計時所遇到棘手問題，例如：受力狀態(tài)、傳力路徑等。這一切都建立在互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與創(chuàng)新上，互聯(lián)網(wǎng)所帶來機(jī)遇讓我們能夠得到更多的發(fā)展機(jī)會，能夠更加方便快捷地獲得想要的各種資料、數(shù)據(jù)以及資源等。

鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)模型庫的建立以學(xué)生為主體，指導(dǎo)老師為輔導(dǎo)。這種方式非常符合我國現(xiàn)階段的教育理念——以學(xué)生為中心，老師指導(dǎo)為輔，增大學(xué)生的知識儲備，充分鍛煉學(xué)生自主學(xué)習(xí)、繼續(xù)學(xué)習(xí)的能力及動手操作能力，專注培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)。

綜上所述，建立鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)模型庫，能夠幫助同學(xué)們在鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)課程的教學(xué)過程中更加深刻透徹地理解并掌握節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造、受力路徑等學(xué)習(xí)過程中的重點(diǎn)、難點(diǎn)，而且能夠培養(yǎng)同學(xué)們自主學(xué)習(xí)、繼續(xù)學(xué)習(xí)的能力，還對鋼結(jié)構(gòu)的推廣使用起著一定的促進(jìn)效果。

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項(xiàng)目支持：鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)教具研制，教育部協(xié)同育人項(xiàng)目（編號：201902321019）西南石油大學(xué)課外開放實(shí)驗(yàn)《鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)模型庫的建立》

作者簡介：楊丹（1996—?），女，漢族，四川成都人，本科。

指導(dǎo)老師：蒲萬麗。