建筑力学课程关于概念分析的涵义和方法

黄政华

摘要：建筑力学是建筑学专业一门重要的专业基础课，其理论知识主要由概念、原理和分析组成。根据建筑学专业学生的特点和培养目标，提出建筑力学概念分析的理念，并对其内涵进行了论述。基于对概念分析内涵和目标的理解，采用结构内力变形分析法和结构内力刚度分配法进行概念分析并举例说明其应用。

关键词：建筑力学；概念分析；变形分析；刚度分配

中图分类号：G642文献标识码：A文章编号：1674-7615（2017）02-0088-03

DOI：10.15958/j.cnki.jywhlt.2017.02.017

建筑力学将传统的三大力学，理论力学、材料力学、结构力学内容系统有机的结合在一起，探讨和介绍与建筑结构设计密切相关的基础力学理论和方法，是建筑学专业、城市规划专业本科生的一门重要专业基础课。通过课程学习，学生应深刻理解建筑结构的有关力学概念和原理，能够将建筑结构简化为力学分析模型，具有计算静定、超静定结构在外载作用下的内力和绘制内力图的能力，并研究结构的强度、刚度及稳定性等问题。同时，课程学习还能够提高建筑学、城市规划专业学生的力学素养以及理性思维，进而能够进行兼具创意和力学合理性的高水平建筑设计。

一、课程教学存在的问题

建筑力学课程的理论知识主要由概念、原理和分析组成。概念是一种反映事物本质属性的思维认识，是人们在实践基础上经过感性认识上升到理性认识而形成的[1]。力学基本概念主要有荷载、内力、应力、位移、应变、刚体、弹性体等。原理是反映自然科学具有普遍意义的基本规律，建筑力学的主要力学原理是力系的平衡原理和虚功原理。力学分析则是利用力学原理对力学概念的内在联系进行分析，主要涉及几何稳定性分析、内力分析、应力应变分析、位移计算等。

建筑力学的内容体系除了少部分篇幅是用来阐释力学概念和力学原理外，大部分篇幅是用来讲述力学分析的方法和过程的。力学分析有两个层次，一个是数量分析，即將具体的建筑结构抽象为力学模型，并将其几何形态、物理特征数值化或矢量化，通过力学原理建立力学概念之间的数量模型，利用数学的方法，求出需要的力学物理量数值，在此基础上验算其强度、刚度及稳定性是否满足要求。另外一个层次则是概念分析或定性分析，即基于概念、原理对结构的受力性能进行定性的分析和判断，在此基础上提出合理建筑结构型式。在目前的建筑力学课程教学过程中，存在如下一些问题。

1内容多，时间短，学习难度大。从课程教学内容上看，建筑力学课程涵盖理论力学、材料力学、结构力学，理论知识点多面广，这对于土木工程专业的学生而言，通常要安排3个学期进行连续而循序渐进的学习。但对于建筑学、城市规划专业学生却只安排1个学期学习，学习难度可想而知。

2缺乏学习兴趣。建筑学专业大多为艺术、设计类课程，学生一般形象思维能力较强，对逻辑思维和抽象思维要求较高的力学概念和理论存在畏难情绪，更谈不上有强烈的兴趣。

3教学目标点多，侧重点在什么地方？偏重力学概念、原理的理解运用能力还是具体计算能力？

4学生考试成绩不大理想，多数学生难以达到现有教学目标确定的要求：既能准确的理解概念和原理，又能熟练掌握相关计算分析方法。

形成上述问题的原因是多方面的。其核心原因就是教学目标定位不大清晰，将建筑力学课程定位为土木专业三大力学课程的精简版，缺乏鲜明的专业特征。建筑学专业的培养目标是未来的建筑师，其对力学理论的掌握，应侧重于未来的职业需要，即在结构方案选型中考虑受力合理性，创作出安全、经济、适用和美观的建筑作品。考虑建筑结构的受力合理性，不是要求建筑师掌握力学计算技巧并进行数值计算，而是要求建筑师能够深刻理解建筑结构的力学概念和基本原理，并在此基础上对建筑结构的受力性能进行宏观的概念分析。因此，在教学内容的组织上，应该强化基本概念和基本原理，力学分析则应该强调概念分析，简化数量分析的要求，比如力法和位移法计算的内容。

随着有限元理论和商用计算分析软件的飞速发展和日益成熟，一方面电算已经成为建筑结构力学计算分析主流手段，即使是对结构工程师而言，建筑力学中的一些传统计算方法，比如力法、位移法的用途越来越少，目前仅限于对杆件数量少的简单结构电算结果进行复核，在实际工作应用的机会并不多。另一方面建筑结构日益复杂化，建筑师在结构选型阶段就应该对结构的受力性能有一个初步的判断，选择受力合理的结构型式，这就需要对结构的受力有一定的概念分析能力。从建筑师的工作性质来看，概念分析能力比计算分析能力更为重要。

二、建筑力学概念分析的涵义

建筑力学包括三大力学的基本内容，其中结构力学是主要部分，因此，本文建筑力学概念分析的主要内容就是结构力学的部分概念分析。结构力学概念分析的另一种提法是“概念结构力学”或“定性结构力学”。在2000年、2001年全国非力学专业力学基础课程专业指导委员会两届年会上，与会专家提出了《概念结构力学》的理念，认为《结构力学》可以分为三个层次，依次是《结构力学教程》、《计算结构力学》和《概念结构力学》[2]。

范夕森[2]等认为，概念结构力学应当是在掌握基础理论和基本计算方法的基础上，掌握结构力学的本质概念，并能够把力学知识灵活运用到工程实际。

李会军[3]等认为，概念结构力学应对结构受力规律与变形趋势进行判断，根据力学概念构造协同工作能力强的结构。概念结构力学强调趋势的判断，提高、训练判断力，将学生的精力主要集中在事物的因果关系上，而不是消耗在复杂的运算之中。

陈景涛[4]等认为，“定性结构力学”以训练和培养学生定性分析、估算判断的能力为目标，深刻理解、掌握和运用结构力学中的核心概念和基本方法，在工程和科学实践中的概念设计、估算判断、计算模型建立、计算模型简化、计算结果分析等重要课题中能够自觉主动并机动灵活地进行定性分析。

综合来看，建筑力学概念分析或定性分析，首先强调熟练掌握建筑力学的核心概念和基本原理，然后是运用这些概念原理对结构的受力规律和变形趋势进行定性的分析判断，在此基础上才能提出受力性能优良的结构型式。概念分析应注重建筑结构受力规律性的归纳和总结，并将其灵活运用于结构选型之中。

三、建筑力学概念分析的基本方法

黄达海在其主编的《概念结构力学》[5]指出，学习概念结构力学应偏向于对结构的直观感觉，从整体上把握结构的类型与特征；注重培养学生对受力规律和变形趋势的感受能力；能利用结构的约束强弱关系、荷载远近关系、结构主次关系、静定与超静定关系、位移内力关系等，掌握荷载的主要传播途径，以及荷载的分配机制。

为此，笔者根据近几年建筑力学课程教学的经验，总结了如下两种建筑力学概念分析的基本方法：

1结构内力变形分析法

2结构内力刚度分配法

结构内力变形分析法，是根据荷载作用方向和直觉判别结构的变形形态，根据变形形态以及荷载与内力的关系绘制结构的弯矩图形状。

图1是利用结构内力变形分析法进行内力分析的一个例子。其中图1a所示为门式结构在节点B承受向右的水平力FP作用，根据直觉即可判断结构将发生整体向右的侧移，且由于杆件变形的连续性和B、D节点刚性连接，变形后B、D节点连接的梁柱杆件夹角仍为直角。变形后的形态为图1b所示，其中杆AB、DE弯曲变形均为右侧受拉，左侧受压；杆BC为下侧受拉，上侧受压，杆CD为上侧受拉，下侧受压。根据荷载与内力的关系、铰节点A、C、E弯矩为零的条件以及弯矩图绘制在杆件受拉侧的规定，绘制杆件的弯矩图形状如图1c所示。虽然概念分析没有给出弯矩的具体数值，但是给出了杆件弯矩分布规律以及最大弯矩截面的位置，这对于工程结构受力定性分析有实际意义。

结构内力刚度分配法，则是根据内力按刚度分配的原理来确定各个杆件内力大小或者比例关系。杆单元的内力和位移由单元刚度确定，位移一定的情况下，单元刚度越大，承担的外荷载值越大，内力越大。

例如图2a所示的门式刚架，节点B承受向右的水平力FP作用，根据变形分析方法，绘制变形后的形态为图2b所示。由于横梁BC刚度远大于柱的刚度，柱的变形可以简化为端部有侧向位移的两端固接杆且AB、CD杆的侧向位移相等。根据刚度分配法，CD杆的线刚度为AB杆的2倍，因此CD杆的杆端弯矩也应为AB杆的2倍，如图2c所示。通过图2的分析可知，假如AB、CD杆均为方柱，则当CD杆的边长仅为AB杆的12倍时，其弯曲刚度和承担的弯矩就达到AB杆的2倍。因此通过增大截面面积提高承载力，来满足强度要求，有时候反而行不通，因为这时内力的增长速度远大于承载力的增长速度。

四、结语

建筑力學课程是建筑学专业一门重要的专业基础课。根据建筑学专业学生的特点和培养目标，在建筑力学课程的教学过程中提出强化概念和基本原理的概念分析方法。概念分析运用概念、原理对结构的受力规律和变形趋势进行定性的分析判断，在此基础上提出受力性能优良的结构型式。概念分析方法的教学效果需要在今后的教学实践中进行反馈和检验，并在此基础上不断得到丰富和完善。

参考文献：

[1]朱慈勉，尹小明概念设计的意义和工程应用[J].建筑技术，2005（08）：626-628

[2]范夕森，赵玉星概念结构力学的探讨[J].山东建筑工程学院学报，2003（03）：96-98

[3]李会军，李宗利，史姣概念结构力学教学研究与实践[J].黑龙江教育（高教研究与评估），2016（03）：8-10

[4]陈景涛，任韦辉，管亚彬“定性结构力学”的内容体系及其在工程中的应用[J].重庆工学院学报（自然科学版），2007（04）：48-49

[5]黄达海，郭全全概念结构力学[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010

（责任编辑赵广示）