王 刚 周晓青
（深圳大学土木与交通工程学院 广东·深圳 518060）
土木工程是一门典型的应用型专业，合格的本科毕业生除了掌握坚实的力学以及专业理论基础知识，还必须具备理论联系实践的能力。而毕业设计是整个过程中最后一个综合性的教学实践环节，是学生综合运用基本理论和专业技能分析和解决工程实际问题、实施独立工作和创新研究的演练过程，也是对学生学习能力和专业素质的全面检查。根据工程教育认证的核心理念“以成果为导向”的要求，全体合格毕业生毕业时应该经过专门的专业训练，具备土木工程相关专业知识，具有解决复杂工程问题能力。为了达到这一要求，毕业设计就显得尤其重要。
目前土木工程毕业设计存在较多问题，比如选题简单，重复性高，学生对规范对软件的理解不足，指导老师经验不足等等。针对这些问题，不少学者提出了解决方法，主要改进方向在于提高学生自主学习的能力、提高指导老师的指导能力、加强毕业设计过程性管理、改善硬件条件等方面。这些方法都有一定的效果，并能在一定程度上提高毕业设计的质量，然而毕业生在解决复杂工程问题的能力方面仍然存在欠缺。有鉴于此，深圳大学土木工程系从毕业设计的任务要求方面着手改革。
通常的毕业设计要求是完整的手算过程，配合电算，并对两者的计算结果进行比较分析。本论文针对这一具体的毕业设计要求进行改革创新，打破之前必需的完整手算要求，改为将电算作为毕业设计的主线，不需要完整连续的手算过程，但是在必须掌握的手算部分要求手算，同时提取电算的计算结果，强调设计过程中手算和电算的对比。此要求避免了大量的重复手算工作，要求学生掌握手算内容的同时熟悉电算内容，并能准确提取电算中间结果，更有利于基础理论和专业知识的掌握。深圳大学土木工程系根据此思路，修改了毕业设计任务书，对同学提出了不一样的新要求。目前该方法已经实施三年，达到了较好的预期效果。
1 毕业设计任务书修改
任务书整体要求基本不变。在自行设计的建筑施工图基础上，完成结构布置、建模分析、结构计算、构件设计、楼屋盖设计、基础设计、结构施工图的绘制。学生可以根据自己的基础以及兴趣，选择设计不同功能的建筑，比如办公楼、宿舍、宾馆、教学楼、住宅以及厂房等；结构形式可以选取框架结构、框架剪力墙结构、剪力墙结构或者钢结构。针对有兴趣，并且学有余力的同学，还可以选择BIM设计，BIM设计除了BIM建筑结构建模的要求以外，也必须完成结构的电算以及相应的手算部分，并且同样需要手算和电算的比较分析。BIM小组的同学一般无须建筑设计部分，通常是从设计院获得的实际工程的完整建筑图纸，在此基础上进行结构设计。
土木工程本科毕业设计中，对于结构的计算以及构件的设计，要求手算和电算相结合。任务书的主要修改在于对手算和电算要求的调整。
以框架结构为例，跟传统的任务书比较，主要修改为内力计算不必手算，如手算，中间可以借用电算结果。旧的任务书要求手算标准二维框架的荷载，然后采用分层法或者二次弯矩分配法计算竖向荷载作用下的内力标准值，采用D值法计算水平荷载作用下的内力标准值。考虑到大四上学期的框架课程设计中已经做过分层法、D值法的练习，因此毕业设计不再要求这部分手工计算，而是修改为在手算荷载后，可借助软件（结构力学求解器、SAP2000、PKPM等）计算二维框架内力，且将二维计算跟三维建模计算得出的内力进行比较，分析产生误差的主要原因。二维内力计算推荐采用SAP2000。
任务书的另外一个大的修改是不再要求手算的连续性，计算结构动力特性时，可采用电算的质量和刚度，计算梁柱配筋时，可采用电算的内力标准值进行内力组合调整。此项修改可避免手算误差的积累。任务书要求多处比较手算和电算的区别，之前手算电算完全分开的毕业设计方法使得两者误差很大，有时候已经失去了比较的意义。修改后的任务书要求分阶段读取电算结果，以电算结果为基础进行手算，然后分阶段进行比较，从而使得手算电算的可比性增强。
2 电算要求
改革后的毕业设计任务书，要求学生完全掌握一种结构设计软件（PKPM或者盈建科），因此相应地提高了电算要求。任务书中要求毕业设计的第一步就是电算建模分析计算。
首先根据建筑平面图，进行结构体系的平面布置和竖向布置；针对结构布置方案，选择材料强度等级；根据结构设计的基本规定，结合经验和简化计算方法初选梁和柱的截面尺寸、楼板的厚度等。然后在结构设计软件，PKPM或者盈建科中，建立计算模型并进行计算分析；针对电算结果对结构整体验算，分析计算结果。
具体整体验算指标包括：
验算《高规》3.4.5条、《抗规》5.2.2条周期比；验算《高规》3.4.5条扭转位移比；《高规》4.3.12条剪重比验算；《高规》5.4.4，结合手算和电算结果，验算各层的刚重比；《高规》3.5.2条刚度比验算；《高规》3.5.3条剪承比验算；《高规》3.7.3条层间位移验算；《高规》5.1.13条有效质量系数检查；《高规》6.4.2条柱子轴压比验算。针对带剪力墙的较复杂的结构，要求采用至少两种不同的结构方案，比如不同结构形式或者不同的结构布置，电算建模分析，然后比较不同结构方案的计算结果，选取较优的方案进行下一步计算。
在选定满足整体指标的结构方案之后，进一步检查是否出现超筋超限，检查梁板的裂缝宽度和挠度是否满足要求。针对平面布置复杂的平面不规则情况，需要采用有限元法计算板的内力，并在此基础上配筋；针对规则性结构的楼屋盖板，则可以采用规范推荐的简化方法进行计算。
电算时，楼梯需要参与建模。此外，要求对基础进行建模计算分析，根据任务书的地质情况设计基础，建议采用桩基。
6）周边脚手架应从一个角部开始并向两边延伸交圈搭设；并应按定位依次竖起立杆，将立杆与纵、横向扫地杆连接固定，然后装设第l步的纵向和横向钢管，随校正立杆垂直之后予以固定，并按此要求继续向上搭设。脚手架各杆件相交伸出的端头均大于10cm，以防止杆件滑脱。
电算完成后，需要查计算书以及相应的中间文件，记录电算的重力荷载代表值，刚度，周期等动力特性，水平荷载，不同荷载作用下的内力标准值，以及主要结构构件的配筋。针对框架结构，还需进行框架二维模块的计算，导出二维框架的荷载图。
除了以上的完整的三维空间模型的计算，为了比较二维平面假定下的手算结果，还需要将手算和手绘的荷载图，输入SAP2000，进行二维框架在不同荷载（主要荷载包括恒载、活载、风载和地震荷载）作用下的内力标准值计算，并绘制不同荷载作用下的内力图。
3 手算要求以及手算电算的比较
虽然手算的计算量有所降低，手算的要求仍然贯穿整个设计过程。具体手算包括以下内容：
3.1 重力荷载代表值计算
手算楼屋面荷载并计算重力荷载代表值，进而与电算得出的重力荷载代表值进行对比。计算误差主要来自于梁板柱重叠部分的计算，正确计算的情况下，手算和电算的误差很小，要求误差不超过5%。
3.2 结构动力特性计算
手算整体结构沿某个方向（X或者Y方向）的第一自振周期，规则的结构可采用顶点位移法或者能量法，鼓励利用MATLAB软件计算单向振动的前三周期和振型（所需刚度质量信息可以读取电算结果），对比分析手算和电算结果，主要比较第一自振周期。
3.3 竖向荷载计算
为了电算结果的准确性，需要认真细致地根据不同构件的自重，计算恒载，根据荷载规范查找不同建筑功能区域的活载分布，并在结构计算软件中输入正确的恒载和活载。在此基础上，绘制标准平面框架的恒载图以及活载图。荷载图的绘制可以帮助同学们理解荷载的传递，根据单向板、双向板的不同传力特点，计算并绘制作用于主梁的荷载，同时考虑纵向联系梁传来的集中力，注意因为偏心引起的附加弯矩。框架结构手绘荷载图可跟PKPM电算导出的二维框架的荷载图进行比较分析，如有较大误差，需要认真查找原因。
3.4 水平作用计算
采用电算的自振周期手工计算某特定方向（X或者Y方向）的水平地震作用和风荷载，风荷载计算需要考虑风振系数。水平地震作用建议采用振型分解反应谱法，可以只考虑采用之前手算的前三周期和振型；高度低于40米并且布置规则的结构可采用底部剪力法计算。对比手算和电算的底部剪力结果。
3.5 内力计算及组合与调整
选取某一榀包含边柱的典型平面框架，绘制其在恒载和活载作用下的受荷图，采用SAP2000软件（或者PKPM二维计算，或者其他内力计算软件）计算该榀框架的内力。将结果与三维电算结果（PKPM、营建科）进行对比。
给出规范所要求的所有内力调整信息，对选定的一榀框架找出代表性楼层的梁柱的内力标准值（电算结果），进行内力调整，并进行内力组合。
3.6 构件设计
按手算的内力组合结果，选取最不利内力进行截面配筋计算，并满足构造要求；找出电算的配筋计算结果；比较两个计算结果，分析误差产生的原因。
3.7 基础设计
基础选型：根据地质条件和上部结构荷载情况确定基础的类型、确定桩的直径；基础平面布置：单桩承载力计算；根据电算结果中底层柱内力确定桩数及布桩；桩基础承载力验算，桩的配筋，承台截面设计及构造，基础梁计算；给出电算结果；比较手算电算两个计算结果，分析误差产生的原因。
3.8 楼屋盖设计
按照规范推荐的方法，根据不同的计算假定，按照弹性算法或者塑性算法手算进行楼屋盖配筋计算，并满足构造要求；给出电算的配筋计算结果；比较两个计算结果，分析误差产生的原因。
3.9 楼梯设计
楼梯采用手算并配筋。
4 实施效果
毕业设计任务改革之前，因为要求手算的完整性，框架剪力墙结构的手算过程过于复杂，很多同学望而却步，使得绝大多数同学毕业设计选择框架这种单一的结构形式。手算要求降低后，同学们少了心理负担，毕业设计选题范围更广。
之前大部分同学过于专注于手算，大量的时间用于保证整个手算的完整性，而电算要求较低，部分同学对结构设计软件的电算仅仅掌握了皮毛，严重的甚至模型出错、输入参数不正确，导致设计结果不合理。虽然也要求手算和电算进行比较，但两者的差距过大，很多同学不敢把比较结果放入计算书。任务要求改革之后，学生不得不增加电算的比重，从建模、参数输入，中间数据的获取，到整体指标的分析以及配筋文件，整体电算水平有了很大的提高。
不同阶段的手算电算的比较要求也进一步提高了手算的准确性。重力荷载代表值的允许误差很小，两者的比较要求使得同学们在荷载的计算过程中更为细致精确。
任务的改变也提高了同学们对概念的理解。第一自振周期以及地震力的比较帮助同学们进一步掌握了周期折减系数对地震荷载的影响。有同学比较发现误差大的原因是手算和电算采用的折减系数不一致引起的计算错误。竖向荷载的比较让同学们发现可能的荷载传递的概念不清。风荷载的比较让同学发现振型的差别可能产生较大的误差。内力组合和调整的比较进一步帮助同学们掌握了强柱弱梁，强剪弱弯的延性设计准则。
5 结语
根据本文提出的毕业设计手算电算新思路，深圳大学土木工程系已实践三年，获得了很好的效果。首先是同学们对软件的掌握和理解有了很大的进步。因为中间的计算过程需要从软件提取有关数据，而这部分之前往往被忽略了，之前只关注输入和输出，中间过程则被当成黑匣子不予理会，为了获得正确的中间结果，不得不认真查找、核对。另一方面，手算的计算部分除了竖向荷载和水平荷载作用下的内力不再计算，其他全部都有保留，荷载计算，刚度计算，以及内力组合调整和配筋，有了跟电算的细致比较，有利于学生对专业知识的进一步理解。
