以高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計教學(xué)為例看教學(xué)相長

張敬書　閆標　張偉鵬??

摘要：

在本科土木工程專業(yè)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計課程的教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，教材中一道關(guān)于風(fēng)荷載計算的例題與當時GB 50009—2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》不符。在布置該例題作為課下習(xí)題后，絕大部分學(xué)生都發(fā)現(xiàn)了問題，并按照規(guī)范給出了正確解答，個別同學(xué)還對該例題進行了較大補充，提出了新的思路和解答。這是一個典型的教學(xué)相長實例，學(xué)生發(fā)揮了自己的想象力和主觀能動性，教師也從中得到學(xué)習(xí)。

關(guān)鍵詞：土木工程；高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計；風(fēng)荷載；荷載規(guī)范；教學(xué)相長

中圖分類號：G6420文獻標志碼：A文章編號：

10052909（2015）02013405

赫伯特·胡佛曾指出，土木工程是一個崇高的行業(yè)。它的魅力在于把人類的想象借助科技力量加以實現(xiàn)，同時為人們提供住房，創(chuàng)造就業(yè)機會，提高生活質(zhì)量[1]。在高等學(xué)校，土木工程學(xué)科是一個歷史悠久、生命力強、投入巨大，對國民經(jīng)濟具有拉動作用，專業(yè)覆蓋面和行業(yè)涉及面極廣的平實而又重要的一級學(xué)科[2]。

高校工程教育基本任務(wù)是使學(xué)生系統(tǒng)地接受理工學(xué)科理論知識、基本技能的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，在完成學(xué)業(yè)時，初步具備成為工程師的基本素質(zhì)和條件[3]。為達到這個目標，土木工程專業(yè)的學(xué)生不但要強化基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)，而且要認真學(xué)習(xí)專業(yè)課[4]。蘭州大學(xué)土木工程專業(yè)從2002年招收第一屆本科生開始，就確定了培養(yǎng)“具有較強工程實踐能力和初步開展科研能力的創(chuàng)新型土木工程專業(yè)人才”的目標[5]，將高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計作為一門重要的專業(yè)課來開設(shè)，作者一直在負責該課程的教學(xué)工作。

教材對學(xué)生的學(xué)習(xí)、教師的講解有著重要的指導(dǎo)作用。在為數(shù)不多的《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計》教材中，方鄂華、錢稼茹、葉列平編著的《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計》[6]內(nèi)容全面，概念清晰，難度適中，故蘭州大學(xué)土木工程專業(yè)一直選用該教材進行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的教學(xué)。

在教學(xué)中，發(fā)現(xiàn)該教材中一道關(guān)于風(fēng)荷載計算的例題與當時GB 50009—2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[7]不符，故布置該例題作為習(xí)題，要求學(xué)生獨立發(fā)現(xiàn)問題并加以改正。絕大部分學(xué)生都按照規(guī)范給出了正確解答，尤為令人欣喜的

是，有一位學(xué)生還對該例題提出了新的思路并進行了修改完善。這是典型的從學(xué)生中得到學(xué)習(xí)的實例，故撰寫成文，以與同行分享。

一、原例題及存在的問題

在《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計》[6]的第3.1節(jié)“風(fēng)荷載”中，有一道例題如下：

計算具有圖1平面的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的總風(fēng)荷載及其合力作用點位置。18層房屋總高58 m，H/B=1.72，D類地區(qū)，地區(qū)標準風(fēng)壓w0=0.70 kN/m2。

準確計算荷載是對土木工程師的基本要求之一。由于高層建筑結(jié)構(gòu)的控制荷載主要是風(fēng)荷載和水平地震作用，因此，該例題的編排恰到好處，值得示范介紹。

該例題的結(jié)構(gòu)平面呈三角形，三條邊均有一段外伸，屬于較復(fù)雜的平面類型。要準確計算該結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載，必須要結(jié)合規(guī)范，靈活、正確地選取風(fēng)載體型系數(shù)。因此，該例題可以訓(xùn)練準確、靈活運用規(guī)范解決實際工程問題的能力，是一道經(jīng)典的風(fēng)荷載計算例題。

土木工程技術(shù)發(fā)展迅猛，工程經(jīng)驗在不斷積累，相應(yīng)理論也在不斷修正、完善。因此，指導(dǎo)土木工程建設(shè)的規(guī)范也在不斷更新和修訂。教材相應(yīng)于規(guī)范的修編通常需要一定周期，不能及時與最新規(guī)范匹配。該例題就存在這樣的問題，另有些小錯誤也在此處指出，具體如下：

（1）風(fēng)壓高度變化系數(shù)不符合當時GB 50009—2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[7]（以下簡稱《01荷載規(guī)范》）中的規(guī)定。

（2）確定脈動增大系數(shù)ξ時需要根據(jù)參數(shù)w0T21查表，例題在計算w0T21時未考慮地面粗糙度的影響。按照《01荷載規(guī)范》，地面粗糙度B類地區(qū)可直接代入基本風(fēng)壓，而對A類、C類和D類地區(qū)應(yīng)按當?shù)氐幕撅L(fēng)壓分別乘以1.38、0.62和0.32后代入。

（3）題目中建筑物的H/B計算有誤，應(yīng)為1.59。這導(dǎo)致脈動影響系數(shù)v取值有所變化。

二、按GB 50009—2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的解答

如果教材未能按現(xiàn)行規(guī)范更新，教師應(yīng)按規(guī)范要求在課堂上對相關(guān)內(nèi)容進行補充修改。因此，作者布置該例題為課后習(xí)題，要求學(xué)生獨立發(fā)現(xiàn)問題，并按《01荷載規(guī)范》進行重新計算。之所以要求學(xué)生自行練習(xí)，主要基于以下目的：

（1）培養(yǎng)獨立思考、發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的能力；

（2）以本例題為契機，提高學(xué)生對規(guī)范中相關(guān)計算方法的理解，而非強制灌輸，進一步提高教學(xué)效果；

（3）訓(xùn)練根據(jù)規(guī)范正確取值、采用表格方式進行計算的基本功。

從作業(yè)發(fā)現(xiàn)，幾乎所有學(xué)生都發(fā)現(xiàn)了問題所在，并進行了改正，課堂教學(xué)取得了預(yù)期的效果。以下簡要介紹根據(jù)《01荷載規(guī)范》進行改正后的結(jié)果。

三、例題的補充

至此，已將原例題按《01荷載規(guī)范》計算完畢。令人意外的是，此文的合作者、當時大四的閆標通過規(guī)范了解到例題中的建筑在x方向也應(yīng)有類似y方向的計算，工程設(shè)計采用x、y兩主軸抗力方法。其給出的解答除包含上述內(nèi)容外，還完成了建筑在x方向荷載的計算，得到的風(fēng)合力作用點結(jié)果如表2所示。

將x、y兩個方向風(fēng)荷載進行組合，可求得最終風(fēng)荷載標準值，見表1中wz（x、y）項。對比可以發(fā)現(xiàn)，最終計算結(jié)果比僅考慮y方向的結(jié)果高1.2%。從簡化工程計算的角度講，僅考慮y方向投影不會造成較大誤差，就該例題而言可認為基本不影響結(jié)構(gòu)設(shè)計。但從教學(xué)的角度講，該例題實際涉及一個基本概念，即在水平荷載作用下，平面不對稱結(jié)構(gòu)不僅存在著與該荷載方向相平行的作用力，在垂直方向也可能存在作用力。因此，應(yīng)讓學(xué)生知其然并知其所以然，深化其對平面不對稱結(jié)構(gòu)水平荷載計算的理解，從而在遇到實際工程時概念清晰、有的放矢。

教材給學(xué)生以指引，教會學(xué)生基本的算法和步驟，而作為指導(dǎo)工程設(shè)計的規(guī)范，則更側(cè)重于計算的明確、嚴謹。借此機會，向?qū)W生詳細介紹規(guī)范中關(guān)于此類問題的計算方法，鼓勵學(xué)生在以后的學(xué)習(xí)和工作中不拘泥于課本，要按照規(guī)范中給出的方法對遇到的問題進行細致考慮。加深了學(xué)生對規(guī)范的理解，取得了意想不到的教學(xué)效果。

《禮記·學(xué)記》：“雖有嘉肴，弗食，不知其旨也。雖有至道，弗學(xué)，不知其善也。是故學(xué)然后知不足，教然后知困。知不足，然后能自反也；知困，然后能自強也。故曰：教學(xué)相長也。”因此，教師不但可以在教學(xué)中為學(xué)生“傳道、授業(yè)、解惑”，也可以從引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的過程中發(fā)現(xiàn)自己教學(xué)中的疏漏，對自己也是一種提高。

四、《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計》第二版的問題

2012年，GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（以下簡稱《12荷載規(guī)范》）[8]發(fā)布并實施。2013年，《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計》也修訂了第二版[9]，該例題在新版教材中進行了更正，但仍存在部分問題；

（1）例題的計算方法和相應(yīng)參數(shù)取值仍參考《01荷載規(guī)范》，與《12荷載規(guī)范》中規(guī)定不符；

（2）即使按《01荷載規(guī)范》，教材確定脈動增大系數(shù)ξ時仍有錯誤，應(yīng)將基本風(fēng)壓乘以系數(shù)0.32后代入w0T21查表，而非教材中求得B類地區(qū)ξ后再乘以系數(shù)0.32的做法；

（3）第一版教材中結(jié)構(gòu)的H/B計算有誤，盡管第二版對此進行了改正，但脈動影響系數(shù)v仍與原版相同，不合理；

（4）仍未進行x方向風(fēng)荷載的計算，解答不夠嚴謹、完善。

雖然《01荷載規(guī)范》已廢止，但作為對教材的修正、補充，采用《01荷載規(guī)范》對該例題進行正確解答對教學(xué)來講仍具有借鑒意義。上文中關(guān)于該例題與《01荷載規(guī)范》相符的解答不存在上述（2）、（3）、（4）問題，故無需再次改正。

五、按GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的解答

《12荷載規(guī)范》參考了近年來的設(shè)計經(jīng)驗和研究成果，順風(fēng)向風(fēng)振系數(shù)的計算表達式和風(fēng)荷載高度變化系數(shù)相比《01荷載規(guī)范》有較大調(diào)整，有必要將例題按照《12荷載規(guī)范》進行重新計算。

最終，按《12荷載規(guī)范》中規(guī)定計算結(jié)果如表3所示，相應(yīng)考慮x方向風(fēng)荷載投影的結(jié)果在表中最后一列也已給出。從本例題計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，與《01荷載規(guī)范》計算結(jié)果相比，按《12荷載規(guī)范》計算的風(fēng)荷載數(shù)值在15層以下偏小，15層時相當，15層以上偏大?！?2荷載規(guī)范》適當加大了高度較高處的風(fēng)荷載，提高了較高建筑風(fēng)荷載設(shè)計時的可靠度。

六、結(jié)語

（1）教師從引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的過程中發(fā)現(xiàn)自己教學(xué)的疏漏，互相促進，教學(xué)相長。

（2）土木工程高等教育的目的是培養(yǎng)土木工程師，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的能力，牢固樹立采用現(xiàn)行規(guī)范進行工程建設(shè)活動的意識和訓(xùn)練正確計算、采用表格方式進行計算的基本功。

（3）教材內(nèi)容不但要及時更新，例題也要按現(xiàn)行規(guī)范進行更正。參考文獻：

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[4] 高等學(xué)校土木工程學(xué)科專業(yè)指導(dǎo)委員會， 高等學(xué)校土木工程本科指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范[M]，北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2011.

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[6] 方鄂華， 錢稼如， 葉列平. 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2003.

[7] GB 50009—2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2001.

[8] GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2012.

[9] 錢稼如， 趙作周， 葉列平. 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2012.

Abstract：

In the teaching of tall building structure design for undergraduates of civil engineering， we found that an example about wind load in the textbook does not calculated correctly according to the “Load code for the design of building structures” at that time. When the example was assigned to students as an exercise， most students found the problem and corrected errors. Furthermore， a student put forward a new idea to calculate wind load from the example. It is a typical instance to learn from the students， which shows that teaching benefits teachers as well as students.

Keywords： civil engineering； tall building structure design； wind load； load design code； teaching benefits teachers as well as students

（編輯周沫）