導(dǎo)語(yǔ)：城市地下空間計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)教學(xué)研究一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：文章對(duì)城市地下空間工程專業(yè)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行系統(tǒng)的研究。通過(guò)分析總結(jié)，給出了目前城市地下空間工程專業(yè)在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)教學(xué)方面的必要性。根據(jù)目前城市地下空間工程行業(yè)的發(fā)展，討論了當(dāng)前該專業(yè)中計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)所面臨的諸多問(wèn)題。針對(duì)目前地下空間工程所處的歷史機(jī)遇，分析計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在未來(lái)所面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，認(rèn)為對(duì)于城市地下空間工程專業(yè)，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)教學(xué)的開(kāi)展是非常必要的。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)；城市地下空間工程專業(yè)；教學(xué)研究

一、前言

自2000年，我國(guó)城市地下空間工程發(fā)展迅猛[1]。而目前計(jì)算機(jī)的影響幾乎涉及每個(gè)領(lǐng)域。對(duì)于工科類(lèi)別的城市地下空間工程專業(yè)學(xué)生來(lái)說(shuō)，此特點(diǎn)尤為明顯。不過(guò)和生活中計(jì)算機(jī)大量應(yīng)用相比，與工程應(yīng)用相結(jié)合的教學(xué)中該方面卻有所欠缺。從現(xiàn)有的計(jì)算教材（如巖土工程數(shù)值分析）來(lái)看，其數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他課程，如土力學(xué)、地下結(jié)構(gòu)等，下圖是根據(jù)京東網(wǎng)上書(shū)城的檢索統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

二、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)教學(xué)的必要性

（一）城市地下空間工程專業(yè)的特點(diǎn)。城市地下空間工程專業(yè)是近年來(lái)根據(jù)國(guó)內(nèi)工程實(shí)踐的需要和行業(yè)發(fā)展所興起的專業(yè)[2]，其專業(yè)技能涉及傳統(tǒng)的巖土工程、結(jié)構(gòu)工程及隧道工程等專業(yè)，對(duì)數(shù)學(xué)、力學(xué)及計(jì)算機(jī)水平要求較高。（二）理論的復(fù)雜性。在大多數(shù)工程設(shè)計(jì)中，涉及的與承載力相關(guān)的材料主要包括混凝土、金屬以及土體。混凝土和金屬相對(duì)于土體材料來(lái)說(shuō)，剛度通常大于1000倍，且變形相對(duì)較小，通常在彈性變形階段工作。土體材料主要作為地基承載或地下結(jié)構(gòu)的荷載，在工作階段常常達(dá)到塑性階段。故在進(jìn)行與土體材料相關(guān)的設(shè)計(jì)時(shí)，如果不考慮土體的塑性特性，則計(jì)算偏差較大。在此條件下，需要采用土體的彈塑性模型，如常見(jiàn)的摩爾-庫(kù)倫模型、劍橋模型等[3]。同時(shí)，在計(jì)算結(jié)構(gòu)-土體相互作用時(shí)，也多采用非線性彈性或彈塑性模型。故涉及該種計(jì)算時(shí)，需要更多的材料參數(shù)，從而使得計(jì)算更加復(fù)雜。（三）理論與實(shí)踐的差異性。由于天然土體的分層特性，以及形成過(guò)程的不同，土體材料多表現(xiàn)出各向異性及應(yīng)力歷史相關(guān)等特性，導(dǎo)致即使采用復(fù)雜的土體本構(gòu)理論，也很難完全描述實(shí)際的土體力學(xué)特性，致使實(shí)踐中的計(jì)算需要進(jìn)行大量的抽象簡(jiǎn)化。這些特點(diǎn)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)對(duì)理論理解的深度和大量的分析經(jīng)驗(yàn)做基礎(chǔ)[4]。（四）職業(yè)發(fā)展與時(shí)俱進(jìn)的需求目前因巖土工程的復(fù)雜性，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法已出現(xiàn)在部分規(guī)范中，如：①基坑工程規(guī)范在計(jì)算復(fù)雜基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)整體受力；②邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)，條分法計(jì)算；③結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范關(guān)于振動(dòng)頻率部分；④地下水分析等。上述問(wèn)題通常是傳統(tǒng)意義上“手算”很難在短時(shí)間內(nèi)完成，甚至無(wú)法完成，故必須借助計(jì)算機(jī)。

三、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)教學(xué)面臨的問(wèn)題

（一）理論深度問(wèn)題。相對(duì)于結(jié)構(gòu)問(wèn)題而言，巖土工程問(wèn)題考慮到土體材料的復(fù)雜性，如剪脹、應(yīng)力路徑、固結(jié)等問(wèn)題，其計(jì)算需要更為復(fù)雜的本構(gòu)模型，導(dǎo)致在計(jì)算中很難解決復(fù)雜問(wèn)題。（二）軟件選擇問(wèn)題。從目前國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先的計(jì)算巖土工程問(wèn)題的軟件計(jì)算方法來(lái)看，可分為兩類(lèi)，通用有限元軟件，如ANSYS，ABAQUS等；巖土專業(yè)軟件，如Plaxis、Flac3D等[5-6]。從計(jì)算原理上看，可分為有限元方法和其他方法，有限元方法是目前應(yīng)用最為廣泛的方法，主要在于其理論相對(duì)完善，發(fā)展歷史較長(zhǎng)。其他方法大多在于解決有限元方法無(wú)法解決的一些問(wèn)題，如開(kāi)裂和大變形問(wèn)題。從巖土工程專業(yè)的特點(diǎn)來(lái)看，對(duì)于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，有限元方法可以解決絕大多數(shù)問(wèn)題。因此選擇有限元方法是完全能滿足專業(yè)需求和教學(xué)的。按照計(jì)算目的分，可分為以判斷是否滿足規(guī)范要求為目的的工程應(yīng)用軟件，如Geo5，PKPM等；以解決復(fù)雜問(wèn)題及具有科學(xué)研究性質(zhì)的有限元軟件，如MidasGTSNX等。（三）實(shí)踐案例匱乏問(wèn)題。針對(duì)教學(xué)需要的實(shí)踐案例，要滿足簡(jiǎn)單易理解，且設(shè)計(jì)參數(shù)詳盡，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)完善。但實(shí)際該種案例相對(duì)匱乏，欠缺部分?jǐn)?shù)據(jù)，導(dǎo)致在計(jì)算中需要進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)性分析。（四）案例復(fù)雜性問(wèn)題。通常實(shí)際的案例復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)本科教學(xué)中課程設(shè)計(jì)的體量，將案例作為一種計(jì)算例題就更加復(fù)雜，如基坑分步開(kāi)挖過(guò)程中支擋結(jié)構(gòu)的受力問(wèn)題等。

四、機(jī)遇與挑戰(zhàn)

（一）當(dāng)前國(guó)內(nèi)的大體量地下建設(shè)時(shí)期。近些年來(lái)，我國(guó)土木工程建設(shè)在體量、技術(shù)水平都達(dá)到世界領(lǐng)先水平，國(guó)內(nèi)地下工程建設(shè)也是迅猛發(fā)展，許多城市都在進(jìn)行地下綜合管廊的建設(shè)，大中型城市都在進(jìn)行地鐵建設(shè)。（二）城市地下空間工程專業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。城市地下工程專業(yè)自2001年由教育部設(shè)置以來(lái)，經(jīng)過(guò)18年的發(fā)展，已從最初的1所高校增至32所高校。同時(shí)多次大學(xué)生建模大賽成功舉辦，其發(fā)展呈現(xiàn)蓬勃之勢(shì)。（三）與“一帶一路”的契合問(wèn)題。黨和國(guó)家提出“一帶一路”合作倡議以來(lái)，我國(guó)同一帶一路沿線國(guó)家的經(jīng)貿(mào)往來(lái)迅速增加。我國(guó)也迅速加入沿線國(guó)家的土木工程建設(shè)當(dāng)中，承建了大量的復(fù)雜巖土工程項(xiàng)目[7]。由于沿線國(guó)家地質(zhì)條件的復(fù)雜性給巖土工程的設(shè)計(jì)計(jì)算帶來(lái)諸多問(wèn)題，所以更加需要計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算。

五、結(jié)論

城市地下空間工程專業(yè)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)教學(xué)工作是專業(yè)培養(yǎng)所需要的，也是城市地下空間工程專業(yè)學(xué)習(xí)內(nèi)容復(fù)雜性和學(xué)生職業(yè)化工作所需要的；城市地下空間工程專業(yè)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)教學(xué)目前面臨軟件和案例等多種因素的難題；城市地下空間工程專業(yè)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)教學(xué)的大力開(kāi)展與國(guó)家建設(shè)和提高我國(guó)地下空間工程國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力是相契合的。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫鈞.國(guó)內(nèi)外城市地下空間資源開(kāi)發(fā)利用的發(fā)展和問(wèn)題[J].隧道建設(shè)(中英文),2019,39(05):699-709.

[2]慕煥東,李榮建,王松鶴,張昭,劉奉銀.我國(guó)城市地下空間工程專業(yè)分布格局及其行業(yè)特點(diǎn)分析[J].教學(xué)研究,2017,40(1):68-71.

[3]楊光華.土的現(xiàn)代本構(gòu)理論的發(fā)展回顧與展望[J].巖土工程學(xué)報(bào),2018,40(08):1363-1372.

[4]李曉娜.巖土工程中數(shù)值流形方法的應(yīng)用及研究———評(píng)《巖土工程數(shù)值分析》[J].巖土工程學(xué)報(bào),2019,41(08):1581.

[5]董志高,吳繼敏,胡嫣然,高曉兵.巖土工程有限元軟件應(yīng)用與發(fā)展(一)通用大型有限元軟件[J].工程地質(zhì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2010,(02):3-9.

[6]董志高,吳繼敏,洪曉珍,傅文淦,孫超.巖土工程有限元軟件應(yīng)用與發(fā)展(二)專業(yè)巖土工程有限元軟件與我國(guó)巖土工程有限元軟件發(fā)展[J].工程地質(zhì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2010,(03):1-7.

[7]楊成,富海鷹,蒲黔輝.“一帶一路”背景下交通土建高層次國(guó)際化人才培養(yǎng)探索[J].高等工程教育研究,2019,(05):110-114.

作者:靳軍偉 李明宇 李光 單位:1.鄭州大學(xué) 2.信息工程大學(xué)洛陽(yáng)校區(qū)