SCI论文（www.lunwensci.com）:
摘 要：钢结构的连接节点构造复杂且构件失稳形式多种多样。学生在钢结构相关的专业课程学习过程中容易因缺乏空间想象力而导致理解上的困难。借助三维建模软件 SketchUp，可将实际工程中复杂的钢结构节点构造、受力构件的变形形态、整体结构中构件及连接的具体组成方式等转化为三维可视化模型，从而直观且形象地描述课程教学中的重难点内容。同时可使学生把握好钢结构基本构件及连接受力及变形的三维特点，并建立起立体思维方式， 为其后续的钢结构设计课程的学习奠定基础。
关键词：SketchUp；钢结构；连接；强度；稳定
本文引用格式：熊晓莉，李江华，张昊 .SketchUp 在钢结构设计原理课程教学过程中的应用实例 [J]. 教育现代化 ,2021,8(40):20-24.
Case Study of Applying Sketchup in the Teaching of design Principles for Steel Structures
XIONG Xiaoli, LI Jianghua, ZHANG Hao
(School of Civil Engineering, Henan University of Technology, Zhengzhou Henan)
Abstract: The connection of steel structures is complex, and the buckling modes of steel members are various. Thus, due to the lack of spatial imagination, students have difficulties in understanding in the process of learning professional courses relating to steel structures. By the 3-dimensional modeling software SketchUp, the constructions in practical projects can be described as 3-dimensional visual models, such as the complex joint constructions of steel structures, the deformation form of the members, the composition of the components and connections in the overall structure. Furthermore, the difficult contents in the course teaching can be described visually and briefly. Moreover, students can master the 3-dimensional characteristics of the force and deformation of steel components and connections, establish a 3-dimensional way of thinking, and lay a good foundation for the learning of the following courses on the design of steel structures.
Keywords: SketchUp; steel structures; connections; strength; stability
一 引 言
钢结构设计原理课程是本科土木工程专业的一门十分重要的专业基础课。通过课程的学习，学生可以较为全面地掌握钢结构基本构件及连接的设计计算方法，初步具备系统的房屋钢结构设计的基本知识和技能。该课程实践性较强，与现行设计标准联系紧密；它还是钢结构设计、空间结构、钢结构课程设计及毕业设计等后续课程的基础；对学生毕业后从事钢结构的相关设计及施工工作有深远的影响。因此，该课程在土木工程专业课程体系中的地位举足轻重 [1-2]。
由于钢结构构件截面类型众多、构件破坏形式多种多样、连接构造较为复杂，部分学生在钢结构基本构件及连接的设计计算方法学习过程中，因缺乏立体思维能力，在涉及到三维受力及变形的问题时存在理解方面的困难。现在的教材及相关参考书中，因受技术条件的限制，附图多为二维图形 [3-4]。这些二维图形在表达钢结构构件及连接常见的三维几何关系及空间变形方面存在不足，从而加剧了学生理解上的困难。
随着建筑信息化（BIM）技术的飞速发展，引发了建筑产业的大变革。市面上可供建筑行业使用的三维制图软件很多，但适用范围各不相同。以AutoCAD 为平台二次开发的绘图类软件侧重二维图形的绘制，三维建模功能较弱；以 3dmax 为代表的建模软件有很强的渲染能力，但操作较为复杂；以Revit 系列为代表的 BIM 建模软件侧重建筑全寿命周期的项目管理，解决方案过于昂贵；以 SketchUp 为代表的直接面向设计过程的三维建模软件，功能强大、简单易学且可轻松制作动画方便对模型的修改和观察。综合比较上述三维制图软件，本文选用SketchUp[5-8] 进行三维建模，在讲述钢结构的连接、强度、稳定及钢屋架结构设计等方面的关键知识点时，用三维模型来代替原有教材中的二维平面图形， 可以方便教师对实际工程问题进行直观形象地描述， 也便于学生对关键问题的理解，同时还可以引发学生积极利用新技术和新手段解决实际工程中复杂专业问题的兴趣，从而达到以学生为中心、以成果为导向的课程教学目的。
二 钢结构的连接和节点构造
钢结构的连接是钢结构结构体系的重要组成部分。这部分教学内容及目标是：掌握钢结构对连接的要求及常见的连接方法；掌握常用两种连接方法的工作原理、具体构造和相应的计算方法；熟练应用对接焊缝、角焊缝、普通螺栓连接和高强螺栓连接的设计计算公式；了解焊接残余应力特性和常见的焊接残余变形形式及处理方式；了解构件的拼接、梁梁连接、梁柱连接及柱脚的设计。其中，角焊缝的构造和计算、普通螺栓连接和高强螺栓连接的构造和计算是这部分学习内容的重点。
在角焊缝计算的教学内容设置中，受轴心力角钢采用角焊缝连接时的设计计算是这部分内容的重难点。这种连接形式是单层工业厂房梯形钢屋架节点的主要连接方式，在后续的钢结构设计课程的学习及钢结构课程设计中需要广泛应用相关的计算模型及计算公式。根据节点角焊缝分布形式的不同， 角钢与节点板之间的角焊缝连接又可细分为三种不同情况：仅采用侧面角焊缝连接（如图 1（a）所示）、采用三面围焊连接（如图 1（b）所示）和采用 L 形围焊连接（如图 1（c）所示）。这三种不同的连接方法对应的计算方法不同，需区别对待。在一般教材中， 角钢角焊缝形式及受力分配如图 1 中的上半部分图形所示，该图形基本能表达清楚焊缝的具体位置，但具体涉及到各条焊缝的计算长度该如何取值时， 则无法清晰地表达焊接起灭弧缺陷的影响。为便于学生理解，可用 SketchUp 建立相应的三维模型，并制作成焊接动画，精确描述角焊缝的施焊过程，三维模型详见图 1 下半部分图形所示。以图 1（b）的三面围焊为例，可通过焊接动画演示具体的施焊过程， 即由上部侧面焊缝开始从右向左、再端部正面焊缝从上向下、最后下部侧面焊缝从左向右的连续施焊过程。因采用连续施焊，起弧缺陷位于上部侧面焊缝的右侧，灭弧缺陷位于下部侧面焊缝的右侧，正面焊缝中没有缺陷。因此，在后续各角焊缝的计算长度取值中， 正面角焊缝的计算长度等于其几何长度， 两侧面焊缝的计算长度等于其几何长度扣除掉一个起灭弧缺陷值。上述基于三维模型对焊接过程的描述，可以便于学生对计算模型的把握，并确保学生对后续计算参数取值的正确理解。
在螺栓连接计算的教学内容设置中，各种不同受力条件下的普通螺栓群计算和高强螺栓群计算是这部分内容的重难点。这种连接形式是多层钢框架结构中梁柱节点的主要连接方式，在后续的钢结构设计课程的学习中及钢结构毕业设计中需要加以运用。在普通螺栓连接的设计计算中，螺栓群同时承受剪力和拉力属于较为复杂的受力状态，单个螺栓的受力大小与螺栓群的排布相关。因此，理解该连接中螺栓的具体排布、柱与梁之间的位置关系以及支托的受力特点，是理解具体计算公式的关键。借助 SketchUp 将二维图形可转化为三维模型，如图 2 所示。还可制作该连接的安装动画，可准确描述连接的具体安装过程，如图 3 所示。图 2 中显示，该梁柱节点由工字形截面柱、工字形截面梁、梁端连接板、支托、支托两侧面焊缝和螺栓群组成。图 3 中则显示了该梁柱节点的详细安装步骤，具体如下： 在立柱的翼缘上开螺栓孔；将钢板做成的支托临时固定至所需安装位置；采用两侧面角焊缝将支托焊接至立柱翼缘上；在端板上开螺栓孔并使之与梁端焊接；临时固定带有端板的梁；安装螺栓群以实现梁的最终固定。根据上述安装步骤可知，整个螺栓群有可能存在两种受力状态：其一是支托如果仅起到临时固定梁的作用，本身不承担竖向剪力，则整个螺栓群既受弯又受剪；其二是支托如果承担竖向剪力，则整个螺栓群仅受弯，剪力就由支托与柱子翼缘间的焊缝承担。通过三维模型的演示，可以清晰地描述螺栓群的不同受力状态，方便学生们对后续计算内容及相应公式的理解。
图 2 普通螺栓群同时承受剪力和拉力的二维图形转化为三维模型
三 钢结构的强度
钢结构的强度通常被认为是钢结构截面层次的承载力， 是钢结构承载能力极限状态设计的一项重要内容。这部分教学内容及目标是：掌握轴心受拉和轴心受压构件的强度计算；掌握受弯构件的类型和强度计算；掌握拉弯构件和压弯构件的强度计算； 能够按照强度条件选择受弯构件的截面大小。其中， 受弯构件因其应力状态复杂且变形形式多种多样，导致其强度计算公式较为复杂，尤其是涉及到受弯构件在约束扭转状态下的应力计算问题， 是这部分内容教学过程中的难点。
受弯构件，一般也称之为梁。它的约束扭转变形是一种复杂的空间变形形式，包括梁横截面的水平位移、竖向位移和绕剪切中心的扭转。教材中一般以双轴对称工字形截面悬臂梁为对象进行受力及变形分析，如图 4 所示 [3]。在梁悬臂端截面处作用有一个外扭矩，外扭矩使梁的上、下翼缘各自向相反方向弯曲，腹板作为连接上、下翼缘的部分从一定程度上限制了翼缘发生弯曲变形，在悬臂处截面翼缘的弯曲变形受到的限制最大，因此截面的翘曲变形最大，越靠近固端，截面翼缘的弯曲变形受到的限制越小，相应的截面的翘曲变形也越小。沿这梁的长度方向，截面的翘曲变形受到的约束程度不同，导致梁的纵向纤维受到了不同程度的拉伸或压缩，因此，截面上会产生拉应力或压应力，相应的截面上也会产生剪应力。这种约束扭转变形形式可以很好地用三维模型展示出来，如图 4 所示。图中显示，固端截面的扭转角为零，悬臂端扭角最大，沿着梁的纵向从悬臂端到固端，截面扭角逐渐减小，这种扭角的逐渐减小就是由于扭转受到约束引起的。从翘曲变形受到约束也可以解释这一现象，若梁的腹板刚度非常小，则可以将扭矩作用下梁的上下翼缘视为两个反向弯曲梁，悬臂处截面的上下翼缘可自由翘曲， 但由于腹板的存在，导致这种翘曲变形受到约束，从而形成了图示的翘曲扭转变形，也即约束扭转变形。通过三维模型，可以将复杂的融合了翘曲变形和扭转变形的空间变形形式清晰地展现出来，方便学生对梁约束扭转变形的理解，并为后续梁约束扭转状态下的应力计算公式讲解奠定了基础。
四 钢结构的稳定
钢结构的稳定通常被认为是钢结构构件层次的承载力，是钢结构单个构件承载能力极限状态设计中需要重点考虑的问题。这部分教学内容及目标是： 熟悉钢结构稳定问题的一般特点与常用的稳定问题分析方法；了解影响构件整体稳定承载力大小的因素；掌握轴心受压构件、受弯构件和压弯构件这三大类受力构件的整体稳定性设计计算方法；了解影响构件局部稳定承载力大小的因素；掌握轴心受压构件、受弯构件和压弯构件这三大类受力构件的局部稳定设计计算方法。其中，轴心受压构件的整体稳定性计算是这部分教学内容的重点和难点，也是受弯构件和压弯构件整体稳定性计算的基础，理解并掌握这部分内容是学好钢结构稳定理论及相应设计计算方法的关键。
由于钢结构的构件不可避免地具有各种初始缺陷，导致构件的稳定问题具有多样性、整体性和相关性。对工程中常见的轴心受压构件而言，整体失稳形态就有弯曲屈曲（失稳）、扭转屈曲（失稳）和弯扭屈曲（失稳）三种不同的形式，如图 5 所示 [3]。以两端铰支轴心受压构件为例，以工字形截面为代表的双轴对称截面构件一般发生绕弱轴的弯曲屈曲（失稳）；以十字形截面为代表的极对称截面构件当杆件较短时有可能发生绕弯曲中心轴的扭转屈曲（失稳）；以 T 形截面为代表的单轴对称截面构件一般发生绕对称轴的弯扭屈曲（失稳）。弯曲屈曲（失稳） 时构件只发生弯曲变形；扭转屈曲（失稳）时构件只发生扭转变形；弯扭屈曲（失稳）时构件既有弯曲变形又有扭转变形。这三种失稳形态的不同之处， 可利用三维模型直观地加以展示。其中弯扭屈曲变形形式较为复杂，可借助三维建模软件，细化建模过程，将变形过程用建模过程加以动画演示，可便于学生对这种特殊空间变形形式的理解。
五 钢屋架的设计
在课程最后部分，一般会设置一个章节“简单钢结构设计示例”，目的是将前面章节学习过的“钢结构的连接”“钢结构的强度”和“钢结构的稳定”部分内容贯穿成整体，给学生展示钢结构工程设计计算过程概貌。在这部分内容中，通常会以单层工业厂房的一个梯形钢屋架为对象展开讲述，如图 6 所示。梯形钢屋架一般由上弦杆、下弦杆、一般腹杆、支座腹杆和中央竖腹杆组成。除中央竖腹杆为双角钢组成的十字形截面轴心受力构件外，其他杆件一般均为双角钢组成的 T 形截面轴心受力构件。各杆件之间通过节点板、焊缝和拼接角钢（仅需要时才设置）连接成梯形钢屋架整体。在对梯形钢屋架进行设计的过程中，需要根据钢结构的强度、刚度及稳定条件选择杆件截面型号，还需要根据每个杆件所受轴向力的大小确定杆件与节点板之间连接焊缝的长度，基于每块节点板大小包络它上面所有焊缝长度的原则，确定每块节点板的具体尺寸，最终绘制成钢屋架施工详图，如图 6 所示 [4]。
节点的构造和计算是整个设计过程中的难点。梯形钢屋架的节点一般有五种： 一般节点、有集中荷载的节点、下弦跨中拼接节点、上弦跨中拼接节点和支座节点。这五种节点的设计计算方法与节点的构造及传力方式关系密切，需要结合图形进行详细讲解。为便于学生理解，用梯形钢屋架的三维模型来代替教材中的二维平面图形，可详细剖析各种节点的具体组成、荷载传递、焊缝受力等内容，配合钢结构设计标准 [9] 和钢结构设计手册 [10] 上的具体公式进行讲解，可获得良好的教学效果。梯形钢屋架及节点的三维模型如图 7所示。以图中屋架上弦具有代表性的节点——有集中荷载的节点为例，该节点由上弦杆、两根一般腹杆、节点板和多条焊缝构成。节点板的具体尺寸是由经过计算后的各条焊缝长度综合决定的。在设计时，首先根据各杆件内力确定弦杆和腹杆的具体尺寸；再根据两根一般腹杆各自的内力大小分别确定两根腹杆与节点板间角焊缝的长度；然后根据屋架上弦集中荷载的大小确定节点板与上弦杆之间槽焊缝的大小；再由弦杆内力差确定上弦角钢肢尖与节点板间角焊缝的大小；最终节点板的外廓尺寸需包络节点上所有焊缝的长度，从而最终确定节点板的尺寸。其他各节点的设计计算方法， 也可结合三维模型直观地加以展示，方便教师的深入讲解，同时也便于学生理解。
六 结语
BIM 技术的飞速发展将引发建筑业的大变革。本科生作为今后设计和施工技术人员中的生力军， 在面对巨大变革时，不仅需要掌握牢固的专业基础， 还需要积极吸收新知识，利用新技术和新手段不断开拓创新。在钢结构设计原理课程教学过程中引入三维建模技术，将复杂的节点构造和多样化的构件变形形态用三维可视化模型加以展示，可以直观且形象地描述课堂教学中的重难点问题，同时还可以引发学生利用新技术手段解决复杂工程问题的兴趣， 拓宽学生的专业知识视角，提高学生的专业素养， 为他们轻松学习后续各门相关专业课程、顺利开展课程设计和毕业设计，以及毕业后从事钢结构的相关设计及施工工作奠定坚实的基础。
参考文献
[1]高等学校土木工程专业指导委员会．高等学校土木工程专业本科教育培养目标和培养方案及课程教学大纲 [M]．北京：中国建筑工业出版社，2002．
[2]高等学校土木工程学科专业指导委员会．高等学校土木工程本科指指导性专业规范 [M]．北京 : 中国建筑工业出版社，2011．
[3]陈绍蕃，顾强．钢结构（上册）——钢结构基础（第四版）[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2018．
[4]陈绍蕃，顾强．钢结构（下册）——房屋建筑钢结构设计（第四版）[M]．北京：中国建筑工业出版社，2018．
[5]李智君．SketchUp Pro 2019 完全实战技术手册 [M]．北京：清华大学出版社，2020．
[6]张祚．Google SketchUp 在建筑专业画法几何教学中的应用及实例研究 [J]．高等建筑教育，2013，22(1)：155-160．
[7]张晓非，吕明明，马哲，等．论 Sketchup 在二年级建筑设计教学中的辅助作用 [J]．高等建筑教育，2009，18(4)：68-70.
[8]尹晖，孙梦婷，干喆渊，等．基于 SketchUp 的输电杆塔三维建模研究 [J]．测绘通报，2015(4)：34-37．
[9]GB50017-2017 钢结构设计标准 [S]．北京：中国建筑工业出版社，2018．
[10]但泽义．钢结构设计手册（第四版）[M]．北京：中国建筑 工业出版社，2019．
关注SCI论文创作发表，寻求SCI论文修改润色、SCI论文代发表等服务支撑，请锁定SCI论文网！
文章出自SCI论文网转载请注明出处：https://www.lunwensci.com/jiaoyulunwen/32438.html
