土木工程畢業(yè)設計手算電算結合新思路

王 剛 周曉青

（深圳大學土木與交通工程學院 廣東·深圳 518060）

土木工程是一門典型的應用型專業(yè)，合格的本科畢業(yè)生除了掌握堅實的力學以及專業(yè)理論基礎知識，還必須具備理論聯(lián)系實踐的能力。而畢業(yè)設計是整個過程中最后一個綜合性的教學實踐環(huán)節(jié)，是學生綜合運用基本理論和專業(yè)技能分析和解決工程實際問題、實施獨立工作和創(chuàng)新研究的演練過程，也是對學生學習能力和專業(yè)素質(zhì)的全面檢查。根據(jù)工程教育認證的核心理念“以成果為導向”的要求，全體合格畢業(yè)生畢業(yè)時應該經(jīng)過專門的專業(yè)訓練，具備土木工程相關專業(yè)知識，具有解決復雜工程問題能力。為了達到這一要求，畢業(yè)設計就顯得尤其重要。

目前土木工程畢業(yè)設計存在較多問題，比如選題簡單，重復性高，學生對規(guī)范對軟件的理解不足，指導老師經(jīng)驗不足等等。針對這些問題，不少學者提出了解決方法，主要改進方向在于提高學生自主學習的能力、提高指導老師的指導能力、加強畢業(yè)設計過程性管理、改善硬件條件等方面。這些方法都有一定的效果，并能在一定程度上提高畢業(yè)設計的質(zhì)量，然而畢業(yè)生在解決復雜工程問題的能力方面仍然存在欠缺。有鑒于此，深圳大學土木工程系從畢業(yè)設計的任務要求方面著手改革。

通常的畢業(yè)設計要求是完整的手算過程，配合電算，并對兩者的計算結果進行比較分析。本論文針對這一具體的畢業(yè)設計要求進行改革創(chuàng)新，打破之前必需的完整手算要求，改為將電算作為畢業(yè)設計的主線，不需要完整連續(xù)的手算過程，但是在必須掌握的手算部分要求手算，同時提取電算的計算結果，強調(diào)設計過程中手算和電算的對比。此要求避免了大量的重復手算工作，要求學生掌握手算內(nèi)容的同時熟悉電算內(nèi)容，并能準確提取電算中間結果，更有利于基礎理論和專業(yè)知識的掌握。深圳大學土木工程系根據(jù)此思路，修改了畢業(yè)設計任務書，對同學提出了不一樣的新要求。目前該方法已經(jīng)實施三年，達到了較好的預期效果。

1 畢業(yè)設計任務書修改

任務書整體要求基本不變。在自行設計的建筑施工圖基礎上，完成結構布置、建模分析、結構計算、構件設計、樓屋蓋設計、基礎設計、結構施工圖的繪制。學生可以根據(jù)自己的基礎以及興趣，選擇設計不同功能的建筑，比如辦公樓、宿舍、賓館、教學樓、住宅以及廠房等；結構形式可以選取框架結構、框架剪力墻結構、剪力墻結構或者鋼結構。針對有興趣，并且學有余力的同學，還可以選擇BIM設計，BIM設計除了BIM建筑結構建模的要求以外，也必須完成結構的電算以及相應的手算部分，并且同樣需要手算和電算的比較分析。BIM小組的同學一般無須建筑設計部分，通常是從設計院獲得的實際工程的完整建筑圖紙，在此基礎上進行結構設計。

土木工程本科畢業(yè)設計中，對于結構的計算以及構件的設計，要求手算和電算相結合。任務書的主要修改在于對手算和電算要求的調(diào)整。

以框架結構為例，跟傳統(tǒng)的任務書比較，主要修改為內(nèi)力計算不必手算，如手算，中間可以借用電算結果。舊的任務書要求手算標準二維框架的荷載，然后采用分層法或者二次彎矩分配法計算豎向荷載作用下的內(nèi)力標準值，采用D值法計算水平荷載作用下的內(nèi)力標準值?？紤]到大四上學期的框架課程設計中已經(jīng)做過分層法、D值法的練習，因此畢業(yè)設計不再要求這部分手工計算，而是修改為在手算荷載后，可借助軟件（結構力學求解器、SAP2000、PKPM等）計算二維框架內(nèi)力，且將二維計算跟三維建模計算得出的內(nèi)力進行比較，分析產(chǎn)生誤差的主要原因。二維內(nèi)力計算推薦采用SAP2000。

任務書的另外一個大的修改是不再要求手算的連續(xù)性，計算結構動力特性時，可采用電算的質(zhì)量和剛度，計算梁柱配筋時，可采用電算的內(nèi)力標準值進行內(nèi)力組合調(diào)整。此項修改可避免手算誤差的積累。任務書要求多處比較手算和電算的區(qū)別，之前手算電算完全分開的畢業(yè)設計方法使得兩者誤差很大，有時候已經(jīng)失去了比較的意義。修改后的任務書要求分階段讀取電算結果，以電算結果為基礎進行手算，然后分階段進行比較，從而使得手算電算的可比性增強。

2 電算要求

改革后的畢業(yè)設計任務書，要求學生完全掌握一種結構設計軟件（PKPM或者盈建科），因此相應地提高了電算要求。任務書中要求畢業(yè)設計的第一步就是電算建模分析計算。

首先根據(jù)建筑平面圖，進行結構體系的平面布置和豎向布置；針對結構布置方案，選擇材料強度等級；根據(jù)結構設計的基本規(guī)定，結合經(jīng)驗和簡化計算方法初選梁和柱的截面尺寸、樓板的厚度等。然后在結構設計軟件，PKPM或者盈建科中，建立計算模型并進行計算分析；針對電算結果對結構整體驗算，分析計算結果。

具體整體驗算指標包括：

驗算《高規(guī)》3.4.5條、《抗規(guī)》5.2.2條周期比；驗算《高規(guī)》3.4.5條扭轉位移比；《高規(guī)》4.3.12條剪重比驗算；《高規(guī)》5.4.4，結合手算和電算結果，驗算各層的剛重比；《高規(guī)》3.5.2條剛度比驗算；《高規(guī)》3.5.3條剪承比驗算；《高規(guī)》3.7.3條層間位移驗算；《高規(guī)》5.1.13條有效質(zhì)量系數(shù)檢查；《高規(guī)》6.4.2條柱子軸壓比驗算。針對帶剪力墻的較復雜的結構，要求采用至少兩種不同的結構方案，比如不同結構形式或者不同的結構布置，電算建模分析，然后比較不同結構方案的計算結果，選取較優(yōu)的方案進行下一步計算。

在選定滿足整體指標的結構方案之后，進一步檢查是否出現(xiàn)超筋超限，檢查梁板的裂縫寬度和撓度是否滿足要求。針對平面布置復雜的平面不規(guī)則情況，需要采用有限元法計算板的內(nèi)力，并在此基礎上配筋；針對規(guī)則性結構的樓屋蓋板，則可以采用規(guī)范推薦的簡化方法進行計算。

電算時，樓梯需要參與建模。此外，要求對基礎進行建模計算分析，根據(jù)任務書的地質(zhì)情況設計基礎，建議采用樁基。

6）周邊腳手架應從一個角部開始并向兩邊延伸交圈搭設；并應按定位依次豎起立桿，將立桿與縱、橫向掃地桿連接固定，然后裝設第l步的縱向和橫向鋼管，隨校正立桿垂直之后予以固定，并按此要求繼續(xù)向上搭設。腳手架各桿件相交伸出的端頭均大于10cm，以防止桿件滑脫。

電算完成后，需要查計算書以及相應的中間文件，記錄電算的重力荷載代表值，剛度，周期等動力特性，水平荷載，不同荷載作用下的內(nèi)力標準值，以及主要結構構件的配筋。針對框架結構，還需進行框架二維模塊的計算，導出二維框架的荷載圖。

除了以上的完整的三維空間模型的計算，為了比較二維平面假定下的手算結果，還需要將手算和手繪的荷載圖，輸入SAP2000，進行二維框架在不同荷載（主要荷載包括恒載、活載、風載和地震荷載）作用下的內(nèi)力標準值計算，并繪制不同荷載作用下的內(nèi)力圖。

3 手算要求以及手算電算的比較

雖然手算的計算量有所降低，手算的要求仍然貫穿整個設計過程。具體手算包括以下內(nèi)容：

3.1 重力荷載代表值計算

手算樓屋面荷載并計算重力荷載代表值，進而與電算得出的重力荷載代表值進行對比。計算誤差主要來自于梁板柱重疊部分的計算，正確計算的情況下，手算和電算的誤差很小，要求誤差不超過5%。

3.2 結構動力特性計算

手算整體結構沿某個方向（X或者Y方向）的第一自振周期，規(guī)則的結構可采用頂點位移法或者能量法，鼓勵利用MATLAB軟件計算單向振動的前三周期和振型（所需剛度質(zhì)量信息可以讀取電算結果），對比分析手算和電算結果，主要比較第一自振周期。

3.3 豎向荷載計算

為了電算結果的準確性，需要認真細致地根據(jù)不同構件的自重，計算恒載，根據(jù)荷載規(guī)范查找不同建筑功能區(qū)域的活載分布，并在結構計算軟件中輸入正確的恒載和活載。在此基礎上，繪制標準平面框架的恒載圖以及活載圖。荷載圖的繪制可以幫助同學們理解荷載的傳遞，根據(jù)單向板、雙向板的不同傳力特點，計算并繪制作用于主梁的荷載，同時考慮縱向聯(lián)系梁傳來的集中力，注意因為偏心引起的附加彎矩。框架結構手繪荷載圖可跟PKPM電算導出的二維框架的荷載圖進行比較分析，如有較大誤差，需要認真查找原因。

3.4 水平作用計算

采用電算的自振周期手工計算某特定方向（X或者Y方向）的水平地震作用和風荷載，風荷載計算需要考慮風振系數(shù)。水平地震作用建議采用振型分解反應譜法，可以只考慮采用之前手算的前三周期和振型；高度低于40米并且布置規(guī)則的結構可采用底部剪力法計算。對比手算和電算的底部剪力結果。

3.5 內(nèi)力計算及組合與調(diào)整

選取某一榀包含邊柱的典型平面框架，繪制其在恒載和活載作用下的受荷圖，采用SAP2000軟件（或者PKPM二維計算，或者其他內(nèi)力計算軟件）計算該榀框架的內(nèi)力。將結果與三維電算結果（PKPM、營建科）進行對比。

給出規(guī)范所要求的所有內(nèi)力調(diào)整信息，對選定的一榀框架找出代表性樓層的梁柱的內(nèi)力標準值（電算結果），進行內(nèi)力調(diào)整，并進行內(nèi)力組合。

3.6 構件設計

按手算的內(nèi)力組合結果，選取最不利內(nèi)力進行截面配筋計算，并滿足構造要求；找出電算的配筋計算結果；比較兩個計算結果，分析誤差產(chǎn)生的原因。

3.7 基礎設計

基礎選型：根據(jù)地質(zhì)條件和上部結構荷載情況確定基礎的類型、確定樁的直徑；基礎平面布置：單樁承載力計算；根據(jù)電算結果中底層柱內(nèi)力確定樁數(shù)及布樁；樁基礎承載力驗算，樁的配筋，承臺截面設計及構造，基礎梁計算；給出電算結果；比較手算電算兩個計算結果，分析誤差產(chǎn)生的原因。

3.8 樓屋蓋設計

按照規(guī)范推薦的方法，根據(jù)不同的計算假定，按照彈性算法或者塑性算法手算進行樓屋蓋配筋計算，并滿足構造要求；給出電算的配筋計算結果；比較兩個計算結果，分析誤差產(chǎn)生的原因。

3.9 樓梯設計

樓梯采用手算并配筋。

4 實施效果

畢業(yè)設計任務改革之前，因為要求手算的完整性，框架剪力墻結構的手算過程過于復雜，很多同學望而卻步，使得絕大多數(shù)同學畢業(yè)設計選擇框架這種單一的結構形式。手算要求降低后，同學們少了心理負擔，畢業(yè)設計選題范圍更廣。

之前大部分同學過于專注于手算，大量的時間用于保證整個手算的完整性，而電算要求較低，部分同學對結構設計軟件的電算僅僅掌握了皮毛，嚴重的甚至模型出錯、輸入?yún)?shù)不正確，導致設計結果不合理。雖然也要求手算和電算進行比較，但兩者的差距過大，很多同學不敢把比較結果放入計算書。任務要求改革之后，學生不得不增加電算的比重，從建模、參數(shù)輸入，中間數(shù)據(jù)的獲取，到整體指標的分析以及配筋文件，整體電算水平有了很大的提高。

不同階段的手算電算的比較要求也進一步提高了手算的準確性。重力荷載代表值的允許誤差很小，兩者的比較要求使得同學們在荷載的計算過程中更為細致精確。

任務的改變也提高了同學們對概念的理解。第一自振周期以及地震力的比較幫助同學們進一步掌握了周期折減系數(shù)對地震荷載的影響。有同學比較發(fā)現(xiàn)誤差大的原因是手算和電算采用的折減系數(shù)不一致引起的計算錯誤。豎向荷載的比較讓同學們發(fā)現(xiàn)可能的荷載傳遞的概念不清。風荷載的比較讓同學發(fā)現(xiàn)振型的差別可能產(chǎn)生較大的誤差。內(nèi)力組合和調(diào)整的比較進一步幫助同學們掌握了強柱弱梁，強剪弱彎的延性設計準則。

5 結語

根據(jù)本文提出的畢業(yè)設計手算電算新思路，深圳大學土木工程系已實踐三年，獲得了很好的效果。首先是同學們對軟件的掌握和理解有了很大的進步。因為中間的計算過程需要從軟件提取有關數(shù)據(jù)，而這部分之前往往被忽略了，之前只關注輸入和輸出，中間過程則被當成黑匣子不予理會，為了獲得正確的中間結果，不得不認真查找、核對。另一方面，手算的計算部分除了豎向荷載和水平荷載作用下的內(nèi)力不再計算，其他全部都有保留，荷載計算，剛度計算，以及內(nèi)力組合調(diào)整和配筋，有了跟電算的細致比較，有利于學生對專業(yè)知識的進一步理解。