城市地下空间计算机辅助设计教学研究

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摘要：文章对城市地下空间工程专业计算机辅助设计实践教学进行系统的研究。通过分析总结，给出了目前城市地下空间工程专业在计算机辅助设计教学方面的必要性。根据目前城市地下空间工程行业的发展，讨论了当前该专业中计算机辅助设计所面临的诸多问题。针对目前地下空间工程所处的历史机遇，分析计算机辅助设计在未来所面临的机遇和挑战，认为对于城市地下空间工程专业，计算机辅助设计教学的开展是非常必要的。

关键词：计算机辅助设计；城市地下空间工程专业；教学研究

一、前言

自2000年，我国城市地下空间工程发展迅猛[1]。而目前计算机的影响几乎涉及每个领域。对于工科类别的城市地下空间工程专业学生来说，此特点尤为明显。不过和生活中计算机大量应用相比，与工程应用相结合的教学中该方面却有所欠缺。从现有的计算教材（如岩土工程数值分析）来看，其数量远远小于其他课程，如土力学、地下结构等，下图是根据京东网上书城的检索统计结果。

二、计算机辅助设计教学的必要性

（一）城市地下空间工程专业的特点。城市地下空间工程专业是近年来根据国内工程实践的需要和行业发展所兴起的专业[2]，其专业技能涉及传统的岩土工程、结构工程及隧道工程等专业，对数学、力学及计算机水平要求较高。（二）理论的复杂性。在大多数工程设计中，涉及的与承载力相关的材料主要包括混凝土、金属以及土体。混凝土和金属相对于土体材料来说，刚度通常大于1000倍，且变形相对较小，通常在弹性变形阶段工作。土体材料主要作为地基承载或地下结构的荷载，在工作阶段常常达到塑性阶段。故在进行与土体材料相关的设计时，如果不考虑土体的塑性特性，则计算偏差较大。在此条件下，需要采用土体的弹塑性模型，如常见的摩尔-库伦模型、剑桥模型等[3]。同时，在计算结构-土体相互作用时，也多采用非线性弹性或弹塑性模型。故涉及该种计算时，需要更多的材料参数，从而使得计算更加复杂。（三）理论与实践的差异性。由于天然土体的分层特性，以及形成过程的不同，土体材料多表现出各向异性及应力历史相关等特性，导致即使采用复杂的土体本构理论，也很难完全描述实际的土体力学特性，致使实践中的计算需要进行大量的抽象简化。这些特点导致计算机辅助设计对理论理解的深度和大量的分析经验做基础[4]。（四）职业发展与时俱进的需求目前因岩土工程的复杂性，计算机辅助设计方法已出现在部分规范中，如：①基坑工程规范在计算复杂基坑支护结构整体受力；②边坡稳定性分析时，条分法计算；③结构抗震规范关于振动频率部分；④地下水分析等。上述问题通常是传统意义上“手算”很难在短时间内完成，甚至无法完成，故必须借助计算机。

三、计算机辅助设计教学面临的问题

（一）理论深度问题。相对于结构问题而言，岩土工程问题考虑到土体材料的复杂性，如剪胀、应力路径、固结等问题，其计算需要更为复杂的本构模型，导致在计算中很难解决复杂问题。（二）软件选择问题。从目前国内外领先的计算岩土工程问题的软件计算方法来看，可分为两类，通用有限元软件，如ANSYS，ABAQUS等；岩土专业软件，如Plaxis、Flac3D等[5-6]。从计算原理上看，可分为有限元方法和其他方法，有限元方法是目前应用最为广泛的方法，主要在于其理论相对完善，发展历史较长。其他方法大多在于解决有限元方法无法解决的一些问题，如开裂和大变形问题。从岩土工程专业的特点来看，对于传统的设计来说，有限元方法可以解决绝大多数问题。因此选择有限元方法是完全能满足专业需求和教学的。按照计算目的分，可分为以判断是否满足规范要求为目的的工程应用软件，如Geo5，PKPM等；以解决复杂问题及具有科学研究性质的有限元软件，如MidasGTSNX等。（三）实践案例匮乏问题。针对教学需要的实践案例，要满足简单易理解，且设计参数详尽，监测数据完善。但实际该种案例相对匮乏，欠缺部分数据，导致在计算中需要进行经验性分析。（四）案例复杂性问题。通常实际的案例复杂程度远远超过本科教学中课程设计的体量，将案例作为一种计算例题就更加复杂，如基坑分步开挖过程中支挡结构的受力问题等。

四、机遇与挑战

（一）当前国内的大体量地下建设时期。近些年来，我国土木工程建设在体量、技术水平都达到世界领先水平，国内地下工程建设也是迅猛发展，许多城市都在进行地下综合管廊的建设，大中型城市都在进行地铁建设。（二）城市地下空间工程专业的发展趋势。城市地下工程专业自2001年由教育部设置以来，经过18年的发展，已从最初的1所高校增至32所高校。同时多次大学生建模大赛成功举办，其发展呈现蓬勃之势。（三）与“一带一路”的契合问题。党和国家提出“一带一路”合作倡议以来，我国同一带一路沿线国家的经贸往来迅速增加。我国也迅速加入沿线国家的土木工程建设当中，承建了大量的复杂岩土工程项目[7]。由于沿线国家地质条件的复杂性给岩土工程的设计计算带来诸多问题，所以更加需要计算机辅助设计计算。

五、结论

城市地下空间工程专业计算机辅助设计教学工作是专业培养所需要的，也是城市地下空间工程专业学习内容复杂性和学生职业化工作所需要的；城市地下空间工程专业计算机辅助设计教学目前面临软件和案例等多种因素的难题；城市地下空间工程专业计算机辅助设计教学的大力开展与国家建设和提高我国地下空间工程国际竞争力是相契合的。

参考文献：

[1]孙钧.国内外城市地下空间资源开发利用的发展和问题[J].隧道建设(中英文),2019,39(05):699-709.

[2]慕焕东,李荣建,王松鹤,张昭,刘奉银.我国城市地下空间工程专业分布格局及其行业特点分析[J].教学研究,2017,40(1):68-71.

[3]杨光华.土的现代本构理论的发展回顾与展望[J].岩土工程学报,2018,40(08):1363-1372.

[4]李晓娜.岩土工程中数值流形方法的应用及研究———评《岩土工程数值分析》[J].岩土工程学报,2019,41(08):1581.

[5]董志高,吴继敏,胡嫣然,高晓兵.岩土工程有限元软件应用与发展(一)通用大型有限元软件[J].工程地质计算机应用,2010,(02):3-9.

[6]董志高,吴继敏,洪晓珍,傅文淦,孙超.岩土工程有限元软件应用与发展(二)专业岩土工程有限元软件与我国岩土工程有限元软件发展[J].工程地质计算机应用,2010,(03):1-7.

[7]杨成,富海鹰,蒲黔辉.“一带一路”背景下交通土建高层次国际化人才培养探索[J].高等工程教育研究,2019,(05):110-114.

作者:靳军伟 李明宇 李光 单位:1.郑州大学 2.信息工程大学洛阳校区