關于清華校園建筑震害預測程序及在土木工程教學中的應用研究分析
1引言
建筑結構抗震分析是土木工程專業教學的重點和難點。一方面，它涵蓋地震工程、抗震工程、結構動力學等多種專業知識，內容豐富，綜合性強;另一方面，實際教學過程中，這些知識通常是在幾門獨立的專業課程中分別教授的，學生不易整體把握所學知識。在這種傳統的教學方法下，學生能較好地掌握各門課程的基礎知識和理論方法，但缺乏一個綜合平臺幫助學生融會理解、實際運用這些分散的知識。
其實，大學校園本身便是一個合適的綜合平臺，可以提供開展科學探究所需的各種基本教學資源，從這個角度來說，校園是一個鮮活的實驗室。“校園實驗室”(Campus As Laboratory, CAL)這個概念，最初由普林斯頓大學于2011年提出。具體到建筑結構抗震分析，特別是區域建筑抗震分析來說，大學校園建筑不僅結構類型多樣、跨越年代廣泛，提供了豐富全面的研究對象，而且數據資料容易獲取，甚至還能獲得部分建筑的設計詳圖，有利于建立結構分析模型。
“清華校園建筑震害預測程序”就是清華大學“校園實驗室”項目的成果之一。該程序以清華大學校園建筑為研究對象，以身邊的科學間題為切入點，較之相對枯燥的書本知識，貼近生活的案例更易激發學生的探索熱情。同時，學生可利用該程序直觀地理解、鞏固并綜合運用所學知識，提高實踐和創新能力，甚至以此為平臺進行更深入的研究探索。此程序可以用于《土木工程概論》、《結構動力學》、《抗震工程概論》、《防災減災工程學》等課程的輔助教學。
2清華校園建筑震害預測程序
“清華校園建筑震害預測程序”(以下簡稱“震害預測程序”)，由清華大學土木工程系開發完成。通過網絡搜索以及實地調研等方法，收集了清華大學絕大部分校園建筑的坐標、層數、層高、建造及加固年代、結構類型等基本宏觀信息。利用這些信息，為各個建筑生成相應的剪切層模型，在用戶選定的地震動下，對這些校園建筑進行彈塑性時程分析，并直觀地展示整個清華校園建筑在地震作用下的響應和破壞狀況。
依據輸入文件中提供的結構層數等宏觀信息，基于美國Hazus軟件的調查統計和該程序開發者的研究工作，計算得到結構的各階周期、各層層間骨架線和滯回參數以及各個破壞狀態對應的層間位移角限值等，建立剪切層模型，從而在指定的地震動作用下，進行彈塑性時程分析，得到結構的時程響應。
該程序包含以下功能模塊:建筑結構信息的讀取與編輯、地震波的可視化選擇與反應譜的生成、清華校園建筑在地震作用下的響應分析計算、以及結構的響應時程和破壞情況的直觀展示等。由于各個模塊都具有豐富的表格、曲線甚至是動畫功能，能直觀、生動地呈現從模型建立到結果顯示等整個震害分析過程，加之所選擇的分析對象是學生所熟悉的校園建筑，因此該程序可為結構動力學、地震工程等多個土木工程專業學科的教學提供幫助:不僅能使相關專業知識更形象、易于學生接受和理解，同時還能為感興趣的學生進行諸如地震損失評估等更深入的研究提供一個基礎平臺。
3清華校園建筑震害預測程序在土木工程專業學科教學中的應用
3.1結構抗震工程
“震害預測程序”的建筑結構信息讀取與編輯模塊，包含剪切層模型、結構層間滯回關系、結構破壞狀態及對應的層間位移角限值等結構抗震工程專業知識，可用于輔助其教學工作。輸入或修改結構的層數、結構類型、建設年代等信息，該程序會白動計算層間滯回參數等的取值。其中，對于鋼筋混凝土框架結構，采用修正的Clough層間滯回模型進行模擬;對于鋼結構，采用理想彈塑性模型模擬;而其它以剪切變形為主的結構，則使用捏攏模型作為滯回規則。同時，也可以手動修改這些取值，程序會實時更新對應的滯回曲線的形狀。
以上功能有助于學生理解層間滯回參數的概念和意義，探討不同結構類型的層間滯回特點。結合“震害預測程序”的分析計算和結構破壞狀態展示，可以進一步探究不同結構類型、滯回性能等因素對結構抗震性能的影響。
3.2結構動力學
“震害預測程序”提供對剪切層模型的周期和振型計算功能。例如，一個四層結構的頻率和一階振型。調整阻尼比等參數，并重新計算，可以分析各個參數對結構頻率和振型的影響，加深認識多白由度體系的白振規律;選擇不同的校園建筑，可以對比不同類型建筑的結構動力學性質差異。學生還可利用程序所提供的結果與白己手算的結果進行對比，進一步鞏固課程中所學的知識。
3.3地震工程概論
地震動的主要特性可由反應譜和加速度時程曲線等加以刻畫。一般的教學通常側重于講解反應譜的概念、利用加速度時程計算反應譜的原理、以及根據規范反應譜進行結構抗震設計的方法步驟等。學生可以根據相關公式和中國《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)的規定掌握簡單的結構地震作用的計算，但不易直觀地認識普通反應譜與規范給出的設計反映譜的區別、基本烈度與超越概率對規范反應譜形狀的影響等。
“震害預測程序”中地震波可視化選擇與反應譜生成模塊所提供的功能。將其用于地震工程概論的課程教學，可以清晰地展現幾個著名地震波的時程曲線，并方便地生成指定峰值加速度(PGA)下這些加速度時程曲線對應的反應譜。將反應譜與規范反應譜繪制在同一區域，可以對比二者的區別與聯系，體現規范反應譜的特點:它是為方便工程計算而進行的簡化處理方法。此外，8度罕遇地震對應的規范反應譜與PGA為0.4g的加速度時程對應的反應譜相比，其最大反應比較接近，這類對比有利于幫助學生理解抗震設防烈度和設計基本地震加速度的對應關系。
3.4防震減災
在給定地震動和PGA的條件下，“震害預測程序”可進行彈塑性時程分析，并能在分析結束后，直觀地呈現校園建筑的樓層位移響應時程、詳細信息和最終破壞情況。
在防震減災教學過程中，“震害預測程序”可以有以下應用:
1)比較分析不同結構在地震作用下的響應。
該程序中建立了清華大學校園中600多棟建筑的模型，不僅包含鋼筋混凝土框架、鋼框架、框架剪力墻、砌體結構等多種結構類型，而且包括不同年代、不同高度的`結構。在給定地震動作用下，可以比較分析這些不同類型的結構在地震作用下的響應特點，使學生加深對地震作用的認識。例如，觀察整個校園的破壞和倒塌情況可知，一般砌體結構和建筑年代較早的結構破壞較嚴重。
2)比較不同地震波對結構的作用。
一方面，學生可以選擇并觀察漢川波等幾條典型地震波對結構的作用，激發學習興趣;另一方面，還可以對比不同地震波對結構的作用，通過觀察這些地震波對應的反應譜的特點，可以體會反應譜的物理意義。例如，反應譜峰值對應的周期較短的地震波，對低層結構等周期較短的結構破壞性更大;反應譜峰值對應的周期較長的地震波，則對中高層結構等周期較長的結構破壞性更大。
3)展開更深入的探索研究。
“震害預測程序”還為學生展開更深入的探索提供了平臺。例如，可以通過收集校園建筑的財產、人員分布情況等信息，并添加到“震害預測程序”中，從而探索校園建筑地震損失評估方法;可以將校園道路抽象成無向圖等適當拓撲結構，利用圖論中的Dijkstra算法考慮人群的疏散交通需求，綜合“震害預測程序”計算得到的建筑破壞與倒塌情況，進行震后應急疏散的研究等。學生可以充分利用熟悉的校園環境，采集所需數據，整合至“震害預測程序”中，進行各種有意義的學習探索，更好地掌握和運用防震減災知識。
4結論與展望
本文介紹了“清華校園震害預測程序”的主要功能，并結合現有土木工程教學中存在的難點及間題，分析了該程序在結構抗震工程、結構動力學、地震工程以及防震減災等課程教學中的作用和價值。該程序結合校園實驗室的概念，提供學生所熟悉的校園建筑作為研究對象，不僅能激發學習熱情，加深對相關課程知識的理解，更能為學生的科研與創新提供一個很好的平臺。可以用于《土木工程概論》、《結構動力學》、《抗震工程概論》、《防災減災工程學》等課程的輔助教學。
目前，“震害預測程序”暫時無法考慮不同位置的結構作用不同的地震動，也不包含建筑的財產、人員分布情況等信息，無法進行經濟損失評估。因此，該程序的開發人員和感興趣的學生可以在此基礎上擴展其功能，使之能考慮多點地震動輸入和地震經濟損失評估等問題。
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