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摘要：文章對城市地下空間工程專業計算機輔助設計實踐教學進行系統的研究。通過分析總結，給出了目前城市地下空間工程專業在計算機輔助設計教學方面的必要性。根據目前城市地下空間工程行業的發展，討論了當前該專業中計算機輔助設計所面臨的諸多問題。針對目前地下空間工程所處的歷史機遇，分析計算機輔助設計在未來所面臨的機遇和挑戰，認為對于城市地下空間工程專業，計算機輔助設計教學的開展是非常必要的。

關鍵詞：計算機輔助設計；城市地下空間工程專業；教學研究

一、前言

自2000年，我國城市地下空間工程發展迅猛[1]。而目前計算機的影響幾乎涉及每個領域。對于工科類別的城市地下空間工程專業學生來說，此特點尤為明顯。不過和生活中計算機大量應用相比，與工程應用相結合的教學中該方面卻有所欠缺。從現有的計算教材（如巖土工程數值分析）來看，其數量遠遠小于其他課程，如土力學、地下結構等，下圖是根據京東網上書城的檢索統計結果。

二、計算機輔助設計教學的必要性

（一）城市地下空間工程專業的特點。城市地下空間工程專業是近年來根據國內工程實踐的需要和行業發展所興起的專業[2]，其專業技能涉及傳統的巖土工程、結構工程及隧道工程等專業，對數學、力學及計算機水平要求較高。（二）理論的復雜性。在大多數工程設計中，涉及的與承載力相關的材料主要包括混凝土、金屬以及土體?；炷梁徒饘傧鄬τ谕馏w材料來說，剛度通常大于1000倍，且變形相對較小，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構的荷載，在工作階段常常達到塑性階段。故在進行與土體材料相關的設計時，如果不考慮土體的塑性特性，則計算偏差較大。在此條件下，需要采用土體的彈塑性模型，如常見的摩爾-庫倫模型、劍橋模型等[3]。同時，在計算結構-土體相互作用時，也多采用非線性彈性或彈塑性模型。故涉及該種計算時，需要更多的材料參數，從而使得計算更加復雜。（三）理論與實踐的差異性。由于天然土體的分層特性，以及形成過程的不同，土體材料多表現出各向異性及應力歷史相關等特性，導致即使采用復雜的土體本構理論，也很難完全描述實際的土體力學特性，致使實踐中的計算需要進行大量的抽象簡化。這些特點導致計算機輔助設計對理論理解的深度和大量的分析經驗做基礎[4]。（四）職業發展與時俱進的需求目前因巖土工程的復雜性，計算機輔助設計方法已出現在部分規范中，如：①基坑工程規范在計算復雜基坑支護結構整體受力；②邊坡穩定性分析時，條分法計算；③結構抗震規范關于振動頻率部分；④地下水分析等。上述問題通常是傳統意義上“手算”很難在短時間內完成，甚至無法完成，故必須借助計算機。

三、計算機輔助設計教學面臨的問題

（一）理論深度問題。相對于結構問題而言，巖土工程問題考慮到土體材料的復雜性，如剪脹、應力路徑、固結等問題，其計算需要更為復雜的本構模型，導致在計算中很難解決復雜問題。（二）軟件選擇問題。從目前國內外領先的計算巖土工程問題的軟件計算方法來看，可分為兩類，通用有限元軟件，如ANSYS，ABAQUS等；巖土專業軟件，如Plaxis、Flac3D等[5-6]。從計算原理上看，可分為有限元方法和其他方法，有限元方法是目前應用最為廣泛的方法，主要在于其理論相對完善，發展歷史較長。其他方法大多在于解決有限元方法無法解決的一些問題，如開裂和大變形問題。從巖土工程專業的特點來看，對于傳統的設計來說，有限元方法可以解決絕大多數問題。因此選擇有限元方法是完全能滿足專業需求和教學的。按照計算目的分，可分為以判斷是否滿足規范要求為目的的工程應用軟件，如Geo5，PKPM等；以解決復雜問題及具有科學研究性質的有限元軟件，如MidasGTSNX等。（三）實踐案例匱乏問題。針對教學需要的實踐案例，要滿足簡單易理解，且設計參數詳盡，監測數據完善。但實際該種案例相對匱乏，欠缺部分數據，導致在計算中需要進行經驗性分析。（四）案例復雜性問題。通常實際的案例復雜程度遠遠超過本科教學中課程設計的體量，將案例作為一種計算例題就更加復雜，如基坑分步開挖過程中支擋結構的受力問題等。

四、機遇與挑戰

（一）當前國內的大體量地下建設時期。近些年來，我國土木工程建設在體量、技術水平都達到世界領先水平，國內地下工程建設也是迅猛發展，許多城市都在進行地下綜合管廊的建設，大中型城市都在進行地鐵建設。（二）城市地下空間工程專業的發展趨勢。城市地下工程專業自2001年由教育部設置以來，經過18年的發展，已從最初的1所高校增至32所高校。同時多次大學生建模大賽成功舉辦，其發展呈現蓬勃之勢。（三）與“一帶一路”的契合問題。黨和國家提出“一帶一路”合作倡議以來，我國同一帶一路沿線國家的經貿往來迅速增加。我國也迅速加入沿線國家的土木工程建設當中，承建了大量的復雜巖土工程項目[7]。由于沿線國家地質條件的復雜性給巖土工程的設計計算帶來諸多問題，所以更加需要計算機輔助設計計算。

五、結論

城市地下空間工程專業計算機輔助設計教學工作是專業培養所需要的，也是城市地下空間工程專業學習內容復雜性和學生職業化工作所需要的；城市地下空間工程專業計算機輔助設計教學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計算機輔助設計教學的大力開展與國家建設和提高我國地下空間工程國際競爭力是相契合的。

參考文獻：

[1]孫鈞.國內外城市地下空間資源開發利用的發展和問題[J].隧道建設(中英文),2019,39(05):699-709.

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

[3]楊光華.土的現代本構理論的發展回顧與展望[J].巖土工程學報,2018,40(08):1363-1372.

[4]李曉娜.巖土工程中數值流形方法的應用及研究———評《巖土工程數值分析》[J].巖土工程學報,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用與發展(一)通用大型有限元軟件[J].工程地質計算機應用,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用與發展(二)專業巖土工程有限元軟件與我國巖土工程有限元軟件發展[J].工程地質計算機應用,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際化人才培養探索[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 2.信息工程大學洛陽校區