PKPM 等建筑结构设计程序在土木工程本科教育中的定位与教学探讨

李胜林

（中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京 100083）

目前，一般高等院校土木工程专业均开设以某个电算软件为载体的结构设计电算课程，目前市场上占有率较高的建筑结构计算程序包含：PKPM 系列、YJK、ETABS 和MIDAS/GEN 等。PKPM 软件从软件的特点、本科生接受程度等角度出发，大部分高校选择了PKPM 系列程序[1-3]。

PKPM 系列程序可以作为高职院校应用课程的内容，也可作为建筑力学与结构课程进行计算机辅助设计应用能力训练的内容，还可以作为工程技术人员初学应用软件的选择，对毕业生进入社会寻找工作具有强有力的支持作用。从毕业生反馈信息上看，开设建筑结构设计程序是必要也是必需的，但教学效果差强人意，这除了与教学方式、讲授水平等原因有关外，更与电算课程的定位及讲授的内容有关。

中国矿业大学（北京）从2014 年起，为土木工程专业建筑工程方向本科生开设结构电算课程，在借鉴兄弟院校成功经验的基础上，结合本校的教学培养目标，教学团队一边进行教学工作，一边进行该课程的教学研究工作，及时地将研究成果应用到教学中。

一、电算课程的教学定位

一般来讲，PKPM 等建筑结构设计课程开设在下列课程之前：工程力学含理论力学、材料力学、结构力学和弹性力学，结构设计原理含钢筋混凝土结构和钢结构等，高层建筑结构，抗震工程，有限元理论。PKPM 等电算课程会不同程度地应用上述课程的基本知识。应用程序进行结构建模过程其实就是建立数学力学模型的过程，这需要将原先所学知识灵活运用，因此PKPM 等电算课程应被当作一个融汇各专业知识的平台课程。学生需要具备较强的相关专业学科理论基础，才能快速高效地进入电算课程的学习中。

大学阶段讲授的力学及结构相关课程中，在做了一定的简化后，使用解析方法进行问题的求解，如横向及竖向荷载作用下排架结构内力分布问题，我们一般不考虑梁的轴向变形或柱的剪切变形，这种简化后求解的结果与实际具有一定的偏差，而使用PKPM 等结构软件，可以更加真实地模拟结构的实际受力状态和变形特征，得到的结果更加接近实际。随着结构体量越来越庞大，边界条件越来越复杂，以及要考虑多物理场的耦合，传统的解析方法已经不能满足结构工程的发展需要，数值模拟方法尤其是有限元方法在结构工程界一枝独秀，当下结构的弹性反应计算均采用PKPM 等有限元软件进行，工程师之间的交流也是在某个软件平台上展开，而解析法或手算法更多用于构件级别的力学响应计算或者用于定性的分析。因此精通电算原理、掌握一门电算软件应是当下本科毕业生的必备本领，也是大学本科毕业生进入社会，走向工程师道路的敲门砖[4-6]。

使用PKPM 等结构软件进行结构的初步设计，可得到量化后的结构的整体性指标，如周期比、位移比、刚度比、有效质量比、刚重比、剪重比和刚层间受剪承载力比，而这些概念只是在以前的高层建筑结构等课程有所耳闻，未能深入理解，而使用电算软件可以方便地获取上述指标，通过结构方案调整，得到较优的指标，满足规范相关规定。方案的调整过程能增强学生对结构设计的思想的理解，提高学生的结构设计能力，增加学生作为设计主体的成就感与荣誉感。

二、教学内容的确定

在传统的建筑结构PKPM 课程教学中[7-8]，多数高校采用以软件使用为目的的单一教学模式，主要内容偏重于PKPM 软件各模块操作流程的讲解，对程序的教学更多停留在基本命令使用的初级层面上。学生通常惊艳于计算书及配筋图的输出，简单地将建筑结构的软件看成了出图的工具，因此学习过程中其主要的精力更多集中在建模及后处理上，这显然是不合适的。出现这种情况的主要原因在于教学内容不合理。

为使学生掌握一门建筑结构软件，具备结构计算与分析的能力，PKPM 等电算软件课程至少应包含以下内容。

（一）有限元基础知识

PKPM 大部分的计算内核如SATWE 使用的是有限元方法，因此在SATWE 学习前学生应掌握有限元基础知识。①有限元方法利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟，利用简单而又相互作用的元素（即单元），就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。其以上特点决定了其在工程界无可替代的地位，目前所有的结构设计院均使用有限元方法进行结构的弹性计算，有限元方法也是所有数值方法中最为可靠的一种。②基本方程。有限元技术涉及的基本方程总共为15 个，包括3 个平衡方程、6 个物理方程和6 个几何变形方程；求解的独立变量总共15 个，包括3个位移分量、6 个应力分量和6 个应变分量；变量数等于方程数，保证了解的唯一性。③单元。结构有限元中常用的单元有梁单元、壳单元和体单元，不同类型单元的连接方式，SATWE 中的墙元；单元的选择，以实例化的方式讲解一根普通钢筋混凝土梁用三种单元模拟的优与劣，深梁及连梁的模拟等；梁单元与现实中梁的区别。

（二）建筑结构主要软件

学生应能够根据电算的具体内容选择相关类型的软件，目前市场上能够进行建筑结构计算的软件有很多种，大体可以分为这三类：①通用有限元软件；②建筑结构专用软件，如PKPM、YJK、SAP84、广厦建筑结构CAD、Midas/GEN 和ETABS 等；③构件设计工具或截面应力分析工具，如探索者、理正工具箱等。重点讲解第二、三类软件特点及适用性，以一个复杂工程为例，说明不同的分析问题需要不同类型的软件。

（三）PKPM 模块及相关规范

PKPM 模块很多，涵盖了建筑、结构、暖通、预算和岩土相关专业，对于建筑工程方向的学生，应掌握下列模块：①主要的计算模块有PK、TAT 和SATWE，知识点包含基本假设与原理、适用范围和与规范相关的调整系数等；②PMCAD 模块，知识点包含轴网、房间、结构/荷载标准层等基本概念、操作流程与基本技巧等；③JC CAD 包含控制参数、基本概念和操作流程等；④施工图绘制模块包括绘图参数、图素修改和图纸输出等。

上述的模块涵盖了大学阶段结构专业的主要知识点，也涉及了《建筑结构荷载规范》《混凝土结构设计规范》《建筑抗震设计规范》《高层建筑混凝土结构技术规程》《建筑地基基础设计规范》等混凝土类结构设计规范。

工程规范是为在工程建设领域内获得最佳秩序，对建设工程的勘察、规划、设计、施工、安装、验收、运营维护及管理等活动和结果需要协调统一的事项所制定的共同的、重复使用的技术依据和准则，对促进技术进步，保证工程的安全、质量、环境和公众利益，实现最佳社会效益、经济效益、环境效益和最佳效率等，具有直接作用和重要意义。

规范是工程建设者必须遵守的准则，对于马上毕业的本科生，应全面了解专业规范的主要内容与思路，掌握部分规范的强条，会基于结构或构件的实际情况，在规范中找到相关的设计条文。

（四）结构的四轮计算过程

使用PKPM 软件，以某个工程项目为例，讲解建筑结构设计中的四轮计算过程。一轮计算完成整体参数的正确设置，包含振型组合数、最大地震作用方向和结构基本周期。二轮计算确定整体结构的合理性，主要是规范规定的指标在规定的范围内。三轮计算对单个构件进行优化设计，对于钢筋混凝土结构，主要检查配筋率及轴压比。四轮计算满足构造要求，需要确定合适的归并系数、梁支座形式和钢筋库等。

结构设计是循序渐进的过程，遵从由整体到局部的原则。以前的专业课程把更多的学时放在了局部，强调构件设计，弱化了结构与构件间整体与局部的联系，学生对设计的整体认识不清，因此教师应根据这一特点，利用电算程序，向学生演示设计过程。

三、教学方法的革新

建筑结构电算课程涉及的理论知识多而广，工程相关性强，软件操作性强，课时量相对较少，常为24 课时，致使教学内容针对的工程类型有限[9-10]，理论知识不能过多。为能较好地提高教学质量，结合教学内容采用不同的教学方法。

（一）归纳总结法

使用建筑结构设计软件进行建模、分析及设计的过程，需要用到以前多门课程的相关知识，这些知识点隶属于不同课程，通常被大部分同学孤立地对待。在电算过程中，这些知识“点”应连成“线”，形成“面”，最终构成全方位的知识“体”系，这样才能准确理解并正确建立计算模型，否则结构或荷载与常规结构有所不同时，学生“照葫芦画瓢”技能无效，机械地仿照可能会导致错误的结果。

在对待这些专业基础或通用知识时，由于时间所限，教师应通过板书或者PPT 对相关知识进行总结归纳。比如一般结构弹性设计中，其在地震的响应分析方法有哪几种，每一种的适用范围有哪些？又比如大学物理中从重力摆的运动规律中得到了周期，结构动力学课程中通过运动学与内力平衡方程的联立得到了弹簧振子的运动周期，那么具有多自由度结构的周期怎么得来？计算方法有哪些？特点和适用性怎样？

结合几年来的教学实践，下面这些知识点可采用归纳总结法：数值方法中有限元方法的基本原理及特点；结构工程中常用的梁单元及壳单元特点及适用性；建筑结构规则性判断准则；偶然偏心与双向地震的选择；地震作用计算方法选择；模态分析方法的选择。

通过归纳总结，使结构计算知识系统化，这有利于学生对知识的全局掌握。但应注意的是，教师在总结的过程中，应加强不同课程之间的联系，采用提问或与学生活动的方式，让学生在“老”课程中找出“新”问题的解决方法，充分体会“学而时习之，不亦乐乎”的乐趣。

（二）对比分析法

在学习电算程序前，学生接触到的是数学力学解析方法及简化计算方法，包含材料力学中挠度的计算、竖向及水平荷载作用下单榀框架的内力等。上述这些方法中有相对严格的推导过程，而使用电算程序计算与以前手算的结果比较起来，结果如何？这是初始接触者最想知道的。教师在讲解程序前，应消除学生的疑惑，利用电算程序求解结构力学、高层结构的响应，为保持结果一致，建模时应施加与解析解同样的简化条件，以得到与解析解一致的结果，证明程序计算方法的正确性。求解时间的差别，手算的繁琐性与电算的快捷性，通过对比分析，让学生充分认识掌握电算程序是将来结构设计必须具备的本领。

（三）案例教学法

案例教学法是一种以案例为基础的教学法，案例本质上是提出一种教育的两难情境，没有特定的解决之道，而教师于教学中扮演着设计者和激励者的角色，鼓励学生积极参与讨论，不像是传统的教学方法，教师是一位很有学问的人，扮演着传授知识者的角色。

电算课程的目的在于使学生能够运用PKPM 等程序，通过四轮计算过程完成结构的设计。而使学生能够快速掌握程序的方法就是教师带领他们使用程序建立一个结构模型，包含使用PMCAD 建立轴网、布置构件、施加荷载和组装楼层，使用SATWE 指定特殊构件确定相关计算与调整参数、查看结构响应，使用相关模块输出配筋图。教师在操作过程中，除讲解软件的操作要点、相关功能外，还应结合程序将结构计算知识具体呈现出来，使学生体会软件的便捷性、方法的多样性和成果的丰富性，激起他们学习电算软件的兴趣。

在案例教学中，通过故意设置错误参数、设计不满足要求，使学生充分体会“人是主导，软件是工具”这一思想，要想使PKPM 等计算程序成为结构设计利器，工程师除具备必要的计算机操作本领外，更应具备扎实的专业知识、良好的计算分析能力。

（四）学生走向讲台模式

针对本课程要求学生能够使用程序进行建模，大部分高校均设置了一定课时的上机实践，教师提前布置给出结构概况，要求学生独立完成建模、分析和出图等电算全过程。如果学生与老师比例大于30 左右时，教学秩序不好控制，教学效果难以保证。鉴于结构电算课程课时相对较少，为提高每个课时的功效，作者不建议集中上机实践，替代以学生课下独自或自行结组方式进行，教师通过微信等现代通讯工具或者课余时间进行指导。

为检验实践成果，教师在课堂上随机指点一名同学走向讲台，以一个框架或框剪结构为例，展示结构计算与设计全过程，教师在台下指导相关操作。然后再让另外一名同学上台，设计同样的一个结构，这时上一个同学担当教师的角色进行辅助。如果这时出现了技术问题，两个同学可以向台下的同学求助。

采用这种方式进行教学时，课堂气氛热烈，学生积极主动，同时也激起了学生利用课下时间学习的兴趣。

四、课程考核

课程非常注重应用性和实践性，课程的核心在于培养学生对营销活动方案的策划能力和组织管理能力，同时注重理论与实践的结合，培养学生对旅游行业的应变分析能力和创新能力。基于此，原考核方式——试卷考试，已经不能完全真实地反映学生对问题的分析能力，在试卷的设计中也无法将教学内容、教学考核与实际工作岗位发生的状况要求结合起来。尽管在试卷考核中设计了案例分析题，但相对来说也只能有1～2 个案例分析，并不能较全面的考核学生的实践操作能力。

此外，课程的平时作业设计均以项目任务驱动的方式进行，各个模拟工作团队通过市场分析、调查、研究与总结，以及营销战略及策略的教学任务环节，完成各个团队较为详实的营销方案，针对整个教学过程及任务成果的考核细致、全面，已经能较为全面地完成对学生学习成果的评价，无需再进行试卷考核。

综合以上分析，结合结构设计软件PKPM 课程实操性强的特点，仅采用笔试考核方式无法体现学生的上机操作能力，若采用机试则在时间上难以实现，因此很多高校采用笔试加机试的考核方式[11-12]。

而从课程的定位出发，电算课程的目的在于让学生能够运用PKPM 等软件进行结构设计，结构的设计及计算模型的确立、参数正确设置才是重点，这几个部分相互耦合，共同构成有机整体，因此作者并不认同使用考试的考核方式，而是采用编制项目计算报告进行考核。

作者认为比较好的方式为：先对学生进行分组，教师给每组提供不同的建筑施工图（电子版），并提出具体的电算要求及计算书格式，要求每组集中完成。各组组长根据计算任务进行组员分工，教师依据电算报告给出小组得分A，小组负责人根据贡献及参与度情况对每个组员进行打分B，每个同学得分就是A×B。

由于教师给定的结构体型相对复杂，学生操作软件的深度、参数设置的难度也都大幅度提高。这种考核方式下，学生参与热情很高，并且相互协作，同学间能取长补短。

五、结束语

大学本科开设建筑结构设计程序是必要也是必需的，但教学效果差强人意，这除了与教学方式、讲授水平等原因有关外，更与电算课程的定位及讲授的内容有关。因此为了提高学生的学习积极性与效率，教学模式需要进行进一步的改革与创新。

本文通过在课程中添加“学生动手→教师点评→学生改进”的环节，增加了学生的知识获取渠道，巩固学生所学知识，加深其对教学内容的学习印象。学生通过此环节增加了知识的摄入渠道，加深对教学内容的印象，固化课程重要知识，大大提高学习积极性与效果。

借助课堂演示与实操课的开展，解决一直困扰学生学习软件基本操作问题的同时，融合土木工程专业各学科课程知识，通过引入工程案例进行实战性操作与训练，提高课程学习的主动性与积极性，培养学生理论联系实际的专业综合能力。