2009年，后勤工程学院将钢结构原理与设计列为学院重点建设课程，旨在改善教学条件，提升教学质量。钢结构原理与设计课程是土木工程类专业必修课。钢结构原理与设计课程是在已有结构知识基础上，培养学生对钢结构基本概念和基本原理的掌握，为进一步学习轻型门式刚架结构、单层厂房结构、多层及高层房屋钢结构等打下基础。该课程具有教学内容多、教学难度大、对学生空间想象力要求高、学生不易理解等特点，成为制约课程教学质量提高的瓶颈^[1-3]。钢结构节点作为该课程重要的教学内容之一，目前教学进行研讨的较少。钢结构节点是连接钢结构杆件的重要部分，实际钢结构破坏中，节点破坏占比较大。钢结构节点受力复杂、形式多样、构造及计算理解难度大，使得节点设计不易掌握。利用钢结构课程建设之际，对钢结构节点三维数字模型教学进行探讨，目的在于提高相关内容教学的质量。

钢结构节点种类繁多，构造十分复杂，相当一部分学生依靠平面图难以真实、准确地理解和掌握节点构造的完整信息。例如：结构构件与节点的连接位置关系、节点板的厚度、焊缝的分布及焊缝的形式、螺栓的数量及螺栓的排列等。在现有的钢结构教材中，多采用节点二维CAD图纸、二维图片等进行教学，这对学生的空间想象力要求较高；有条件时往往辅以节点教学模型。虽然节点模型有助于学生理解，但节点种类、数量有限，加之因模型笨重、使用不方便等原因在教学中一般较少使用。同济大学对此曾研讨钢结构节点三维实体技术^[4]，但均未用于教学活动中。

三维数字模型是指在计算机系统中利用图素来描述空间三维实体，通常用计算机或者其它视频设备进行显示。三维数字模型在各个领域都有着广泛应用。目前物体的建模方法大体有三种：第一种利用三维软件建模；第二种通过仪器设备测量建模；第三种利用图像或者视频建模。

钢结构节点常用的数字模型生成软件有：3DMAX、SoftImage、Maya、ANSYS、AutoCAD等，其共同特点是利用一些基本的几何元素，如立方体、球体等，通过一系列几何操作，如平移、旋转、拉伸以及布尔运算等构建复杂的几何场景。根据钢结构的特点，目前已开发了PKPM、3D3S、XSTELL等专业设计软件。利用专业设计软件可以方便快捷地建立钢结构三维数字模型。图 1为典型的钢结构三维数字模型图。

图 1(Figure 1)

图 1 典型钢结构三维数字模型图

钢结构节点主要有梁柱节点连接(柱边刚接单连接板、短梁拼接、柱边刚接双连接板三种梁柱固结节点；双剪连接、单连接板、双连接板三种铰接节点)、主次梁节点连接(采用高强螺栓加翼缘连接板连接、采用角焊缝加翼缘连接板连接、采用焊缝连接三种固结节点；双角钢连接、腹板深入、宽加劲肋、双连接板四种铰接节点)、柱脚(外露式柱脚无锚栓支承托座、外露式柱脚设锚栓支承托座、埋入式柱脚、包脚式柱脚四种固结柱脚；一种铰接柱脚)、支撑与梁柱连接、支撑与柱脚连接五种类型。教学过程中分别介绍各类节点的计算方法，构造时需要对这五类节点分别建立三维数字模型，学生理解和掌握时就有针对性。根据使用方便，便于学习和掌握的原则，建立了上述五类钢结构节点共计27个。

利用常用建筑结构计算软件PKPM钢结构设计计算STS功能模块中节点设计及计算单元，建立课程中常见节点的三维数字模型。节点三维数字模型建立基本步骤^[5]：首先确定节点中梁柱的截面大小；输入节点所受弯矩M和轴力N；确定连接方式为铰接或则固结；确定采用螺栓还是焊缝连接等基本参数；确定其他相关参数；采用软件自带的视图功能从不同角度观察节点。

PKPM三维数字模型建立主要窗口如图 2。

图 2(Figure 2)

图 2 PKPM三维数字模型建立主要窗口

以梁柱柱边刚接节点连接为例，建立的节点三维数字模型及基本设计参数如下：柱截面参数，钢截面焊接工字形截面600×300×10×12；梁截面参数，钢截面焊接工字形截面500×250×8×10；梁端节点设计弯矩，M=180.0kNm；梁端节点设计剪力，V=200kN；工字形梁与工字形柱刚接连接，连接类型为柱边刚接，单连接板高强螺栓连接(翼缘用对接焊缝，对接焊缝质量级别为2级；腹板用高强螺栓，翼缘承担全部弯矩，腹板只承担剪力)。建立三维数字模型如图 3。

图 3(Figure 3)

图 3 节点平面设计图与三维数字模型对比

从图 3可以看出，节点三维数字模型图较原平面设计图更直接、形象，学生对节点构造一目了然。

钢结构节点构造复杂，节点计算和构造理解难度大；利用三维数字模型，可以克服传统教学手段的不足，使学生直观地认识和理解常用节点的构造和传力路线，并掌握节点设计。利用常用PKPM结构设计软件中的STS功能模块建模方便，基本涵盖了常用钢结构节点类型，使用方便。从教学情况看，利用三维数字模型教学效果良好，深受学生欢迎。