基于“概念設(shè)計(jì)”的鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)改革探討

焦燏烽　陳俊嶺??

摘要：

結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)是對(duì)專業(yè)知識(shí)的綜合運(yùn)用， 具有定性準(zhǔn)確、簡(jiǎn)單快捷的特點(diǎn)，其關(guān)系到結(jié)構(gòu)的安全與合理。在鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中應(yīng)強(qiáng)調(diào)概念設(shè)計(jì)的重要性。文章闡述了適當(dāng)補(bǔ)充教材內(nèi)容的必要性，對(duì)豐富教學(xué)方法和手段也進(jìn)行了探討，并強(qiáng)調(diào)應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的概念設(shè)計(jì)理念， 為其今后工作實(shí)踐打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：概念設(shè)計(jì)；鋼結(jié)構(gòu) ；課程教學(xué)；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：TV391文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：

10052909（2015）02005703

一、概念設(shè)計(jì)在鋼結(jié)構(gòu)課程中的重要性

近年來(lái)，概念設(shè)計(jì)的理念被越來(lái)越多的結(jié)構(gòu)工程師所接受。但概念設(shè)計(jì)并非如大多數(shù)工程師所言，是工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的累積，而是在結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)中利用概念進(jìn)行判斷、推理、創(chuàng)新和決策的方法和過(guò)程；其基本思路是在特定的建筑空間中用整體概念來(lái)正確處理構(gòu)件與構(gòu)件、構(gòu)件與結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系，是結(jié)構(gòu)工程師基本結(jié)構(gòu)理念的集中體現(xiàn)[1-2]。目前，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)已經(jīng)在工程設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用，計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力是當(dāng)今社會(huì)衡量畢業(yè)生能力的一個(gè)重要指標(biāo)。但對(duì)結(jié)構(gòu)分析軟件（或電算程序）的計(jì)算結(jié)果，如何進(jìn)行分析判斷和校核？這就需要學(xué)生融合概念設(shè)計(jì)的理念，掌握力學(xué)概念、材料概念、荷載概念、施工概念、使用概念等等，并運(yùn)用到結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)、構(gòu)件布置、計(jì)算結(jié)果的分析中。

盡管概念設(shè)計(jì)已經(jīng)在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越大的作用，但在高校教學(xué)中，尤其是在房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程教學(xué)中，概念設(shè)計(jì)的作用并未充分體現(xiàn)。學(xué)生在完成鋼結(jié)構(gòu)基本原理的學(xué)習(xí)之后，雖然具備了計(jì)算構(gòu)件及連接的能力，能套用公式解題，也能輕松設(shè)計(jì)一個(gè)單根構(gòu)件，但對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)單的工程設(shè)計(jì)卻感到無(wú)從下手。此外，由于擔(dān)心工作后缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，學(xué)生常將更多時(shí)間花在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的學(xué)習(xí)上，對(duì)計(jì)算機(jī)過(guò)分依賴。這種狀況造成學(xué)生綜合分析判斷能力的下降，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念模糊不清。設(shè)計(jì)大師林同炎先生曾說(shuō)，現(xiàn)在的教育是先教構(gòu)件的設(shè)計(jì)，再到整個(gè)結(jié)構(gòu)，而在實(shí)際工程中是先結(jié)構(gòu)后構(gòu)件[3]。如果能夠做到讓學(xué)生先了解整個(gè)結(jié)構(gòu)，再學(xué)習(xí)構(gòu)件的具體計(jì)算、構(gòu)造要求等知識(shí)，將會(huì)取得更好的教學(xué)效果。

為此，筆者所在的河南科技大學(xué)土木工程學(xué)院鋼結(jié)構(gòu)課題組進(jìn)行了鋼結(jié)構(gòu)課程內(nèi)容改革，將概念設(shè)計(jì)貫穿課程教學(xué)中，使學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)，能在今后的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中熟練運(yùn)用概念估算方法，迅速、有效地選擇經(jīng)濟(jì)合理、切實(shí)可行的結(jié)構(gòu)形式，以及受力明確、傳力簡(jiǎn)捷的結(jié)構(gòu)體系。

二、將概念設(shè)計(jì)引入教學(xué)的具體措施

（一）教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整

在現(xiàn)有教材《房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》 [4]中，概念設(shè)計(jì)一般作為結(jié)構(gòu)體系與布置原則的一部分內(nèi)容，而實(shí)際上概念設(shè)計(jì)貫穿于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的全過(guò)程，教材中關(guān)于結(jié)構(gòu)布置的一系列規(guī)定和要求也無(wú)不體現(xiàn)著概念設(shè)計(jì)的思想。針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，結(jié)合各類結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)要點(diǎn)、相關(guān)規(guī)范規(guī)定，應(yīng)補(bǔ)充如下教學(xué)內(nèi)容。

1.結(jié)構(gòu)計(jì)算的概念和判斷

對(duì)工程師而言結(jié)構(gòu)計(jì)算概念和判斷是體現(xiàn)其設(shè)計(jì)水平的重要方面，因此在授課中應(yīng)重點(diǎn)給學(xué)生講解正常使用極限狀態(tài)計(jì)算結(jié)果的判斷準(zhǔn)則，和承載能力極限狀態(tài)計(jì)算結(jié)果的判斷準(zhǔn)則，幫助學(xué)生走出概念的混沌狀態(tài)，使其對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果有清晰的把握和判斷，引導(dǎo)學(xué)生基于已有專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)思考正常使用極限狀態(tài)的變形特征，即變形首先要保證連續(xù)，這是結(jié)果可信的必要條件。另外，結(jié)構(gòu)各方向剛度的均衡性可以根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力參數(shù)（頻率分析、振型）加以判斷；對(duì)承載能力極限狀態(tài)、輕質(zhì)薄壁結(jié)構(gòu)按邊緣屈服控制強(qiáng)度，并考慮與局部穩(wěn)定相關(guān)的有效截面參數(shù)。而非薄壁結(jié)構(gòu)可適當(dāng)考慮塑性發(fā)展深度，可按10%以內(nèi)控制。通過(guò)對(duì)此類計(jì)算結(jié)果的判斷講解，有助于學(xué)生建立初步的概念設(shè)計(jì)理念，避免出現(xiàn)因整體概念不清晰而導(dǎo)致不合理的設(shè)計(jì)。

2.建筑結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化

學(xué)生在學(xué)習(xí)基本構(gòu)件受力特點(diǎn)及設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，由于只是簡(jiǎn)單地生搬硬套規(guī)范公式，因此在進(jìn)行有針對(duì)性的參數(shù)固定的計(jì)算時(shí)，大多能嚴(yán)格按要求執(zhí)行，但對(duì)結(jié)構(gòu)形式的合理性卻缺乏思考。故在教材內(nèi)容改革方面，重點(diǎn)增加了結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化的講解內(nèi)容。結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化包括結(jié)構(gòu)整體的優(yōu)化和單根桿件的優(yōu)化。讓學(xué)生明確整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的是提高結(jié)構(gòu)效率。整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可分步走，先根據(jù)力學(xué)原理作判斷，定大方向，然后依據(jù)具體條件分析確定詳細(xì)設(shè)計(jì)方案。為避免講解此部分內(nèi)容時(shí)太籠統(tǒng)，可引導(dǎo)學(xué)生掌握不同跨度的大跨度屋面結(jié)構(gòu)形式選擇。就單根桿件的優(yōu)化而言，主要包括應(yīng)力性質(zhì)的優(yōu)化和應(yīng)力水平的優(yōu)化。

3. 結(jié)構(gòu)荷載的選擇與調(diào)整

教材對(duì)荷載及其組合一般僅從規(guī)范規(guī)定出發(fā)來(lái)介紹，但結(jié)構(gòu)荷載的選擇與調(diào)整對(duì)于結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)有著重要意義?？蓮目拐鸾嵌龋龑?dǎo)學(xué)生思考地震區(qū)設(shè)計(jì)多層建筑，如何用較小的代價(jià)達(dá)到較好的抗震效果，答案無(wú)疑是減輕自重。因?yàn)榱叶群蛨?chǎng)地類別是無(wú)法選擇的，只有建筑材料的自重可以由設(shè)計(jì)者選擇，而地震的慣性力與自重直接相關(guān)；從材料選用角度，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)效應(yīng)是以荷載與作用為自變量，代入結(jié)構(gòu)效應(yīng)函數(shù)中產(chǎn)生的，彎矩這一主要結(jié)構(gòu)效應(yīng)與跨度的平方成正比，所以對(duì)大跨度結(jié)構(gòu)減輕自重就顯得尤其重要。大跨度建筑一般采用輕質(zhì)材料，但小跨度結(jié)構(gòu)則不一定采用。學(xué)生一旦明確了這些概念，就可以在設(shè)計(jì)初始避免由于不合理的材料選用及荷載選擇而造成設(shè)計(jì)的先天不足。雖然這些內(nèi)容在教材中有所提及，但并未形成系統(tǒng)，因此有必要在授課中進(jìn)行調(diào)整，以利于學(xué)生靈活掌握。

4. 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)分析

在講解節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)著重突出節(jié)點(diǎn)的概念以及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的目標(biāo)，強(qiáng)調(diào)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要忠實(shí)體現(xiàn)其在整體結(jié)構(gòu)中的功能，且要有可靠的承載力，并保持規(guī)定所要求的狀態(tài)。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)承載力不足會(huì)造成破壞，而節(jié)點(diǎn)狀態(tài)不好，如螺栓松動(dòng)等也會(huì)造成反復(fù)荷載作用下的破壞。另外，講授節(jié)點(diǎn)傳力時(shí)，要強(qiáng)調(diào)在設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)保證其傳力通達(dá)順暢，不應(yīng)造成應(yīng)力紊亂、集中。焊縫以平滑的對(duì)接焊為最好，加引弧板后磨平更好，螺栓連接以摩擦型高強(qiáng)螺栓為最好。在結(jié)構(gòu)計(jì)算中，節(jié)點(diǎn)與整體之間又是相互對(duì)立統(tǒng)一的。結(jié)構(gòu)整體要求節(jié)點(diǎn)盡可能精確，但節(jié)點(diǎn)不可能完全精確，如提高精確度需要付出更多代價(jià)。因此此部分內(nèi)容的講解要基于結(jié)構(gòu)整體受力特點(diǎn)，并結(jié)合實(shí)例分析在什么位置做適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化假定較為合理，且有利于降低連接的成本。

（二）靈活教學(xué)方法和手段

將概念設(shè)計(jì)引入工程結(jié)構(gòu)教學(xué)中，內(nèi)容整體性高，概括性強(qiáng)，具有相當(dāng)?shù)碾y度，因此在教學(xué)方法上必須多樣化。

1.工程案例分析

由于概念設(shè)計(jì)內(nèi)容較為零散，為了加深學(xué)生對(duì)概念設(shè)計(jì)理念的理解，必須將課堂教學(xué)及工程案例分析結(jié)合起來(lái)。教師平時(shí)應(yīng)注重教學(xué)素材的積累。例如在講解風(fēng)荷載的選取與調(diào)整時(shí)，按圖1的思路分析不同結(jié)構(gòu)體系的風(fēng)荷載體型系數(shù)取值差別。

2.互動(dòng)問(wèn)答環(huán)節(jié)

在鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中，尤其是在講解概念設(shè)計(jì)時(shí)，教師的課堂講授是主要方式，但與學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)交流也非常重要。因此，要培養(yǎng)學(xué)生的結(jié)構(gòu)概念，有必要組織不同程度的課堂討論。在活躍的、有趣味的學(xué)習(xí)討論中，點(diǎn)燃學(xué)生的創(chuàng)新火花，使學(xué)生的專業(yè)能力得到大幅度的提高，同時(shí)也能鍛煉學(xué)生處理問(wèn)題的能力，進(jìn)而提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。對(duì)每個(gè)概念的知識(shí)點(diǎn)，教師都應(yīng)準(zhǔn)備一個(gè)或者幾個(gè)最為典型的問(wèn)題，通過(guò)提問(wèn)的方式幫助學(xué)生更好地掌握所學(xué)知識(shí)。

例如：結(jié)合疲勞動(dòng)力荷載，可向?qū)W生提出問(wèn)題：如何避免疲勞破壞？通常情況下，許多學(xué)生知道疲勞應(yīng)力幅大于相應(yīng)的允許疲勞應(yīng)力幅，則結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生疲勞破壞。但對(duì)于如何減小疲勞應(yīng)力幅并無(wú)具體的概念，因此應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生查閱相關(guān)文獻(xiàn)，從疲勞動(dòng)力荷載最為基本的概念入手，即減少疲勞應(yīng)力幅其實(shí)就是減少結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化幅度?？蔀閷W(xué)生介紹兩類方法：用簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)代替連續(xù)結(jié)構(gòu)和用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)代替非預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。引導(dǎo)學(xué)生追本溯源，組織學(xué)生討論簡(jiǎn)支梁和連續(xù)梁的受力特點(diǎn)，以及預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)與非預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的區(qū)別。之后再給學(xué)生具體講解這兩類方法能減小疲勞荷載的原因。通過(guò)這樣的互動(dòng)，加深學(xué)生對(duì)疲勞荷載的理解，使學(xué)生學(xué)會(huì)從概念分析入手解決問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的能力。

3.多樣化教學(xué)手段

在授課過(guò)程中，盡量運(yùn)用多元化教學(xué)手段。如在講解鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件穩(wěn)定時(shí)，學(xué)生對(duì)構(gòu)件的失穩(wěn)機(jī)理理解得不是很透徹，因此應(yīng)盡量將構(gòu)件的各類失穩(wěn)過(guò)程制作成三維動(dòng)畫，或運(yùn)用有限元分析軟件展示構(gòu)件失穩(wěn)時(shí)的變形和應(yīng)力狀態(tài)，繪制荷載位移曲線。如在講解簡(jiǎn)支梁平面外彎扭時(shí)，可利用有限元軟件ANSYS模擬均布荷載作用下的失穩(wěn)過(guò)程。這些過(guò)程以動(dòng)畫形式呈現(xiàn)在課堂教學(xué)中，學(xué)生接收快，效果良好。

三、結(jié)語(yǔ)

掌握概念設(shè)計(jì)是一個(gè)優(yōu)秀工程師必備的能力。而這種能力的獲取不僅有賴于工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的長(zhǎng)期積累，更需要在學(xué)習(xí)階段有意識(shí)地加以培養(yǎng)。因此這就要求教師把概念設(shè)計(jì)的思想滲透到課程教學(xué)過(guò)程中，幫助學(xué)生更好地掌握其基本內(nèi)容， 同時(shí)也可以提升學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)，為其今后工作實(shí)踐打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)：

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[4]沈祖炎，陳以一，陳揚(yáng)驥.房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

Abstract：

With accurate and concise quantification， concept design is the comprehensive application for professional knowledge. The idea of concept design in steel structure course teaching should be emphasized in view of its importance to structure safety and reasonability. In the paper， diversified methods on how to establish exact conception of design are discussed by increasing contents related to concept design， which is helpful to students for further practice.

Keywords： concept design； steel structure； course teaching； teaching reform

（編輯王宣）