vol.19
 Academy Users Report
 學術用戶介紹/第19回
東京都市大學
工程部 都市工程系 減輕災害(栗原)
研究室×吉川名譽教授
將結構物的安全保障為起點,研究開發水泥相關的新技術和各種評估方法
使用UC-win/Section進行獨特的設計練習
「都市設計製圖」,成為人氣科目
東京都市大學 工程部
都市工程系 減輕災害研究所
URL http://c-pc8.civil.tcu.ac.jp/conkuri/
所在地 東京都世田谷區

「可以看到課程中並沒有太多提問。因為學生們互相學習。只有真的得不到答案時才會請教TA或教授。」

東京都市大學工程部都市工程系第三年的學系共同科目「都市設計製圖」課程。在世田谷校區一號館2樓明亮且功能齊全的教室中,栗原哲彥副教授作為指導教官想學生們解釋問題的流程和新任務的要點。最後隨著「請大家開始練習」的聲音,所有人開始組隊後解決每組分配的不同難題。回顧課程的所有過程,教授提到了課程中獨特的教育方法。說道「透過以軟體為中心的課程,教授和學生可以互相加深設計工作的理解」。

大約從10年前開始這種教學模式。當時吉川弘道名譽教授(當時是該校教授)和栗原副教授開始摸索有效的學習鋼筋混凝土(RC)橋墩的抗震設計計算方法。由於吉川教授從很早開始使用敝公司的UC-win/RRAME(3D),透過與敝公司合作,開始考慮RC·SRC斷面的計算軟體「UC-win/Section」應用在課程中。此後,該課程成了熱門課程。吉川先生退休後,栗原副教授繼承了他的教學方法沿用至今。

在演習中給予學生建議
東京都市大學 吉川弘道 名譽教授


 減少災害損失,關注作為建築材料的混凝土

「減災實驗室」目的是為了減少災害損失、分析道路、橋樑、鐵路等的抗震性和風險。「栗原實驗室」是三大「減災實驗室」之一(還有「吉田實驗室」「關屋實驗室」)。

其中,栗原實驗室專注於材料的混凝土。儘管耐久性和經濟性很突出,但在「強化、長久化、安全使用」的理念下,進行各式各樣的研究。

東京都市大學 工程部 都市工程系
(災害減輕研究室) 栗原哲彥 副教授
栗原副教授最近關注的研究對象是
  • 1)混凝土回收利用
  • 2)混凝土連接和黏合
  • 3)RC內鋼筋的腐蝕判定
  • 4)用氨基甲酸乙酯加固RC
例如,在混凝土回收利用中研究利用廢棄的硫酸融化處理廢棄的混凝土,使其可以再利用。此外,關注混凝土增強材料的氨基甲酸乙酯的可能性。透過與企業合作,用實踐來研究增強效果。

同研究室的人員構成有1名碩士一年級生,8名四年級學部生。學部生裡包括2名女學生。 


 在創校90周年之際,透過預測社會需求改革自己

東京都市大學成立於1929年,創建當初有電力、土木、建築三個工程系,校名為武藏高等工科學校。從那時起,經過該校名和規模擴大,1949年受到學制改革的影響成立了擁有機械、電力、建設三個工程部的武藏工業大學。在那以後,不斷增設學系以及再編制,設立了大學院工程研究科以及環境資訊學部(1997年)和知識工程部(2007年)等專工程部。在創立80周年之際,將學校名改為東京都市大學的同時,增設了都市生活學部以及人類科學部。此外,2013年將環境資訊學部分為環境學部和資訊學部。而2019年大學迎來了創校90周年。

目前,該大學擁有工程部,知識工程部,環境學部,媒體資訊學部,都市生活學部以及人類科學部。而大學院有綜合理工程、工程、環境資訊學。包括大學和研究生在內約有7500名學生,268名全職教師(2018年5月的數據)。以世田谷、橫濱等等力三個校區為教育·研究基地。

其中,工程部分為機械工程系、機械系統工程系、醫用工程系、能源化學系、原子力安全工程系、建築學系、都市工程系、電力電子工程系,位於世田谷區校園內。

現在有超過400多名學生就讀於都市工程系,其目的是改善城市質量,超越傳統土木工程系的範疇,以滿足社會對城市的廣泛需求。



 考慮「都市設計製圖」的框架和課程流程

「做了29年的教師,我敢很自信的說這是目前為止最好的課程。」

為了讓學生學到實用的設計,實際操作時不可或缺的。那時,所有學生的作業內容不相同也是重要的一點。但如果難度太大,不利於課程的普及,因此有必要遵循專業人士進行設計的步驟。從這個意義上說,吉川名譽教授考慮所有要素後能作為解決方案的就是「都市設計製圖」手法。

從10年前開始,以吉川教授和栗原副教授為中心,探索用商用軟體對應難以處理的算法,提高RC橋墩的抗震設計計算效率的學習方法。由於之前有導入FORUM8軟體的經歷,將UC-win/Section作為教學軟體導入。包括學習實物計算的設計課程每週200分鐘,共有14周。還建立了輔助擔任教員的TA體制。

使用UC-win/Section的實際場景

目前沿襲此架構的都市工程系的3年次・針對後期的設計演習「都市設計製圖/RC橋腳的耐震設計」,同學系3年級生(約90名)幾乎半數約50名同學上課。學生在此接受了
  • 課題1:橋腳基部的斷面解析
    課題2:RC橋腳的耐震設計(其1)
    課題3:RC橋腳的耐震設計(其2)
3個階段性課題,並針對各別項目提出報告(計算書)。在一連串的演習課題中,學生針對單柱式RC橋腳,以道路橋示方書為基準進行耐震設計。

具體而言,每次皆須事前準備60~70set不同的設計條件。在課題1中學生應基於各自設定的條件來確認橋腳基部的耐震性,利用UC-win/Section進行斷面解析,算定M-φ關係及抗彎耐力。此時,給予每位學生各別不同的數值及規格、設計條件等。這些也將影響接下來的課題,學生不用依賴其他學生靠自己完成各自的課題、不得不計算的企劃。

此外在課題2中,學生用課題1中自己決定好的斷面為基礎,依據容許應力法自己製作簡易Excel表,地震時依據保有水平耐力法分別利用UC-win/Section並進行耐震設計計算。

「其實在課題2中為了使耐震性的判定結果出現『OUT』,而在一開始就做了一些條件設定」

也就是說,在此學生基於各別計算判定時,就已經自己判定出為何照査結果會出現「OUT」了。例如,經過這般反復測試,也與光靠課程中的說明很難學習到的、主鋼筋及橫拘束筋的重要性或者效果等有所關聯。而且,接下來的課題3中為了使其滿足設計基準(出現「OK」)而變更配筋,再次執行耐震設計計算後,製作出最後的報告,栗原副教授講述流程。

都市設計製圖/RC橋腳的耐震設計:
活用套裝軟體

■基部斷面
斷面:複鋼筋+側方鋼筋
荷重:軸力+抗彎力矩(手算終究不可行)
UC-win/Section的斷面分析(購入9套)
■M-φ關係, Mu, φy, φu的算定:UC-win/Section
■Mu、φu的計算:手算
用斷面來計算判斷出單鋼筋結構,與UC-win/Section比較
■容許應力法(LevelⅠ地震動)
準備可計算出 混凝土及鋼筋的應力度的Excel工作表
■地震時保有水平耐力法(LevelⅡ地震動)
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都市設計製圖/RC橋腳的耐震設計:成果・感想・課題
  1. 變化全部60位學生的設計條件.⇒ 無法依靠其他同學,需自行完成計算書
  2. 學習手算的辛勞也很重要的,但使用/熟悉實務計算的商用工具的收穫也非常多.
    學生很快就習慣了電腦軟體,愉悅地面對軟體計算畫面.
  3. 實際使用電腦軟體.
    橫拘束筋、剪斷補強筋、曲率等、自然地使用首次知道的專業用語.也學到了工程的旨趣.
  4. 讓學得比較快的學生對學得比較慢的學生進行說明.宛如獨當一面的工程師般,十分可靠.
  5. 斷面特性及應力計算等、用手算較困難的計算也可透過套裝軟體,進行到下一個階段.
  6. 透過初始條件,給予使照査結果出現OUT的設計條件.
    進行設計變更或補強計算.可使其理解耐震設計計算的核心.
  7. 特意給予使照査結果出現OUT的設計條件.
    透過不斷測試,了解主鋼筋/橫拘束筋的重要性及效果.相反地,即便在課程中說明多次最後也記不起來.
      透過演練的測試,可理解耐震設計.


 透過教育及研究兩層面拓展軟體使用的可能性

「好的軟體也可以使用在工程教育上」

吉川名譽教授有10年同設計演習的經驗。透過適當活用市售軟體及實際設計計算書等,學生切身學習到設計作業,吉川教授說到在學得比較快的學生幫助其他學生的過程中,已感受到實驗的效果。

另一方面,在今年度後期的「都市設計製圖」中,都是由隸屬於栗原研究室的橋本啓佑(同大學研究所綜合理工程研究系主修建築都市碩士1年)和吉田拓矢(同大學工程部都市工程系4年)擔任TA。他們協助栗原副教授,必要時直接指導學生UC-win/Section及公式的使用方法等等。以此觀點來看,可得出同軟體的結構分析之易操作度及易觀看度的印象。

一直以來研究混凝土材料相關領域比重較高的栗原副教授說到近年來其在結構領域上也持續擴展研究基礎。

「(在今後的研究)成為RC結構體時的材料有時有些不同(混凝土的)性能的部分也想納入並持續研究下去。因此才需要使用這樣的軟體進行驗證,我也想做各種準備」

吉川弘道名譽教授作為此演習授課的一環,製作並活用力學模型「振動應答習得機」。此外,最近以正確地認知社會基礎建設的意義及繼承下一代為目的,介紹土木建設的公開投稿型資料庫為主,透過SNS持續地發送資訊。最終以「將100年前的基礎建設圖像公開推廣到100年後」為目標。
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●土木 watching
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目前已刊載800多個建設。

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東京都市大學 吉川 弘道 名譽教授
執筆:池野隆
(Up&Coming '19 新年號刊載)



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