土木工程專業(yè)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)畢業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)踐與探索

丁玉坤

摘要：為適應(yīng)社會(huì)對(duì)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)專門設(shè)計(jì)人才的需要，提高土木工程專業(yè)學(xué)生對(duì)高層鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)知識(shí)的應(yīng)用能力，文章對(duì)土木工程專業(yè)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)畢業(yè)設(shè)計(jì)存在問題進(jìn)行了探討，在畢業(yè)設(shè)計(jì)題目設(shè)置、設(shè)計(jì)指導(dǎo)中的師生互動(dòng)、增加針對(duì)性的實(shí)習(xí)和考核等方面提出了一些建議，旨在提高學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)和實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：土木工程；高層建筑鋼結(jié)構(gòu)；畢業(yè)設(shè)計(jì)，實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642；TU97 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2909（2015）03-0131-04

哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院本科專業(yè)課程鋼結(jié)構(gòu)基本原理及設(shè)計(jì)課堂教學(xué)共64學(xué)時(shí)。該課程理論性強(qiáng)、知識(shí)點(diǎn)多，在課堂教學(xué)后，還安排有一周半的鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)。在這個(gè)短暫的實(shí)踐教學(xué)中，除了指導(dǎo)教師布置任務(wù)和講解和最后的課設(shè)答辯，學(xué)生幾乎都在進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置、計(jì)算、書寫計(jì)算書和繪圖。雖然課設(shè)對(duì)象是單層工業(yè)廠房的鋼屋架，在一定程度上鞏固了所學(xué)的知識(shí)，但因時(shí)間緊迫，部分學(xué)生只能“照搬”參考書完成設(shè)計(jì)任務(wù)，這樣做很難將所學(xué)知識(shí)在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行消化，更難說有所創(chuàng)新了。而鋼結(jié)構(gòu)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，沒有足夠的實(shí)踐環(huán)節(jié)（包括課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)和實(shí)習(xí)等），是無從談及運(yùn)用理論知識(shí)來指導(dǎo)工程實(shí)踐的。因此，應(yīng)科學(xué)合理地安排畢業(yè)設(shè)計(jì)，使其成為全面鞏固學(xué)生所學(xué)知識(shí)，并將所學(xué)知識(shí)正確應(yīng)用于

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要實(shí)踐環(huán)節(jié)。

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)、建筑技術(shù)和城市化的發(fā)展，特別是鋼材產(chǎn)量和鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平的提高，工程中的鋼結(jié)構(gòu)已成為鼓勵(lì)采用的建筑結(jié)構(gòu)形式。在建筑用地日趨緊張的大都市，高層甚至超高層的鋼結(jié)構(gòu)建筑越來越多，高層鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和建造迫切需求專門設(shè)計(jì)人才。

基于上述考慮，筆者自2011年開設(shè)了高層鋼結(jié)構(gòu)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)的建筑規(guī)模主要有如下要求：總建筑面積20 000m2左右；地面以上建筑物層數(shù)20～30層（每層建筑面積800～1 200m2）；層高為一層3.9～4.8m，其余各層3.3～3.6m。對(duì)于剛接觸設(shè)計(jì)的本科生而言，該設(shè)計(jì)任務(wù)較龐大。結(jié)合近年該畢業(yè)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)工作，筆者對(duì)此有如下一些建議和思考。

一、題目的設(shè)置、指定和更新是提高畢業(yè)設(shè)計(jì)效果的關(guān)鍵

土木工程專業(yè)方向的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)，多以民用或工業(yè)建筑為背景。在題目設(shè)置上，常以某一具體工程為題材，圍繞建筑功能、結(jié)構(gòu)計(jì)算和設(shè)計(jì)，以及基礎(chǔ)或施工組織設(shè)計(jì)等內(nèi)容而進(jìn)行。在上述設(shè)計(jì)內(nèi)容中，又常以結(jié)構(gòu)計(jì)算和設(shè)計(jì)為主，通常時(shí)間安排為8周左右：建筑約4周；基礎(chǔ)或施工組織設(shè)計(jì)約2周。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分，學(xué)生將進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置、荷載匯集、結(jié)構(gòu)建模和計(jì)算、構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)等設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上書寫計(jì)算書和繪制圖紙等?？梢?，經(jīng)此系統(tǒng)訓(xùn)練后，學(xué)生可對(duì)某一題目下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程有完整的了解，有利于學(xué)生今后更好地處理與設(shè)計(jì)題目類似的工程問題。在高層鋼結(jié)構(gòu)畢業(yè)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)工作中，筆者的體會(huì)是學(xué)生能否得到感興趣的設(shè)計(jì)題目，以及如何設(shè)置題目和適時(shí)更新內(nèi)容及要求，是關(guān)系到畢業(yè)設(shè)計(jì)能否收到預(yù)期效果的首要問題。

（一） 題目的設(shè)置應(yīng)有助于教學(xué)相長(zhǎng)

畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容的設(shè)置除了應(yīng)密切結(jié)合指導(dǎo)教師的科研項(xiàng)目外[1]，還應(yīng)結(jié)合指導(dǎo)教師的專業(yè)特長(zhǎng)，這樣教師對(duì)學(xué)生的指導(dǎo)才能高效。例如，筆者從攻讀博士學(xué)位開始，就從事新型高層鋼結(jié)構(gòu)體系及抗震性能等方面的研究。留校后，承擔(dān)了研究生選修課高層建筑鋼結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)工作，負(fù)責(zé)講授高層鋼結(jié)構(gòu)的制作和安裝，以及新型抗側(cè)力和耗能構(gòu)件在高層鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用等內(nèi)容。以上研究和教學(xué)工作均為指導(dǎo)采用新型結(jié)構(gòu)體系的高層鋼結(jié)構(gòu)畢業(yè)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)，通過給學(xué)生答疑，筆者感到，雖然學(xué)生的著眼點(diǎn)不同，但多數(shù)問題是圍繞設(shè)計(jì)任務(wù)提出來的，

一些問題也是指導(dǎo)教師尚未涉及而想弄明白的問題。因此，教師愿意投入時(shí)間去研究問題，這樣既解決了學(xué)生的疑惑，也有利于指導(dǎo)教師提高自身的專業(yè)技能。

（二）設(shè)計(jì)題目的指定應(yīng)兼顧學(xué)生的興趣

目前，學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目，大體上是由學(xué)院統(tǒng)一指定的。這樣做是為了避免學(xué)生“偏科”，即避免一些設(shè)計(jì)題目出現(xiàn)無學(xué)生選擇的窘境。但是，高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)題目與其他題目一樣，也僅是提升學(xué)生在一個(gè)專業(yè)方向上的理論水平和技能。而且相當(dāng)多的設(shè)計(jì)院在未來一定時(shí)期內(nèi)仍主要是開展量大面廣的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因此，由學(xué)院指定畢業(yè)設(shè)計(jì)題目的方式無法完全滿足學(xué)生的專業(yè)設(shè)計(jì)興趣和愛好，使真正對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有興趣的學(xué)生又得不到應(yīng)有的鍛煉。倘若學(xué)生對(duì)指定的題目毫無興趣，畢業(yè)設(shè)計(jì)就可能收效甚微。

其實(shí)，每個(gè)學(xué)生經(jīng)過3年多的學(xué)習(xí)，基本已有感興趣的專業(yè)方向，畢業(yè)設(shè)計(jì)題目應(yīng)結(jié)合學(xué)生畢業(yè)后的就業(yè)方向或深造計(jì)劃，并綜合考慮學(xué)生自己的興趣、能力和未來發(fā)展等因素來選擇建議。題目指定要有適當(dāng)?shù)撵`活性，給學(xué)生一定的選題權(quán)利，可列出每年開設(shè)的所有題目，讓學(xué)生提前自愿申報(bào)2～3個(gè)題目，然后綜合分組。這種適當(dāng)考慮學(xué)生興趣的選題做法將使學(xué)生對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)更有積極性，收效可能更好。

（三）設(shè)計(jì)內(nèi)容應(yīng)結(jié)合專業(yè)最新發(fā)展而適時(shí)更新

為避免多年使用同一設(shè)計(jì)題目可能出現(xiàn)的抄襲現(xiàn)象，指導(dǎo)教師有必要適時(shí)更換設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求。鑒于目前設(shè)計(jì)院或施工單位“以高層設(shè)計(jì)為主流”的情況，應(yīng)結(jié)合高層建筑的實(shí)際工程應(yīng)用，增加新型結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)內(nèi)容，以縮短學(xué)生就業(yè)后的工作適應(yīng)期[2]。對(duì)高層鋼結(jié)構(gòu)，應(yīng)要求學(xué)生掌握目前比較流行的結(jié)構(gòu)形式、計(jì)算方法和構(gòu)造要求。因此，筆者在設(shè)計(jì)任務(wù)書中鼓勵(lì)學(xué)生應(yīng)用新型的抗側(cè)力構(gòu)件和新型的結(jié)構(gòu)體系作為設(shè)計(jì)任務(wù)。除了采用傳統(tǒng)的純鋼中心支撐，推薦采用新型的墻板內(nèi)置無粘結(jié)鋼支撐或桿狀防屈曲支撐（Buckling Restrained Brace）代替?zhèn)鹘y(tǒng)的純鋼支撐。除了中心支撐，也鼓勵(lì)采用偏心支撐和鋼板剪力墻等抗側(cè)力構(gòu)件。例如，在2014年的畢業(yè)設(shè)計(jì)中，一名學(xué)生自愿嘗試采用偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)形式，通過努力，圓滿完成了設(shè)計(jì)任務(wù)，最終取得了較好成績(jī)。endprint

二、積極有效的師生互動(dòng)是畢業(yè)設(shè)計(jì)取得實(shí)效的基石

（一）注重培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的能力

對(duì)20多層的高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要求學(xué)生

學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)軟件的使用，進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模、內(nèi)力分析和設(shè)計(jì)，這樣的工作不僅量大而且有難度。建議教師提前布置和安排任務(wù)，給學(xué)生自學(xué)的機(jī)會(huì)和時(shí)間。以結(jié)構(gòu)建模和分析為例，筆者一開始便盡早安排學(xué)生安裝和學(xué)習(xí)使用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件ETABS，這樣學(xué)生在做荷載匯集等準(zhǔn)備工作之余，就可以有針對(duì)性地查閱和學(xué)習(xí)該軟件的使用說明等資料，到建模和分析環(huán)節(jié)時(shí)，學(xué)生就可以建立結(jié)構(gòu)模型。圖1為學(xué)生自學(xué)軟件后建立的結(jié)構(gòu)模型。

應(yīng)當(dāng)注意的是，雖然大多數(shù)學(xué)生之前并未有建立復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型的經(jīng)驗(yàn)，也可能因此而心生畏懼，指導(dǎo)教師應(yīng)強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)和使用通用軟件的必要性，讓學(xué)生明白學(xué)好一個(gè)軟件對(duì)將來應(yīng)用其他類似設(shè)計(jì)軟件也有很好的借鑒作用。教師要耐心引導(dǎo)和鼓勵(lì)，培養(yǎng)學(xué)生的興趣和自信心?？梢?/p>

學(xué)生先簡(jiǎn)后繁，積累經(jīng)驗(yàn)。學(xué)生消除畏懼心理后，建模和設(shè)計(jì)操作就會(huì)逐漸得心應(yīng)手，在實(shí)踐中熟能生巧。有的學(xué)生在熟練使用軟件后甚至主動(dòng)去鉆研軟件內(nèi)的參數(shù)和求解設(shè)置等功能，提高了對(duì)理論知識(shí)的歸納消化和應(yīng)用能力。

（二）營(yíng)造積極的心理互動(dòng)氛圍

結(jié)構(gòu)方案的確定以及結(jié)構(gòu)建模、分析和設(shè)計(jì)等，這些任務(wù)一環(huán)緊扣一環(huán)，教師應(yīng)在各階段工作中嚴(yán)格檢查，認(rèn)真引導(dǎo)和解惑。以建模和分析為例，因大部分學(xué)生是初次接觸大型設(shè)計(jì)軟件和設(shè)計(jì)規(guī)范等，面對(duì)陌生的軟件以及系數(shù)重重的設(shè)計(jì)公式，要在短時(shí)間內(nèi)掌握并熟練應(yīng)用軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有較大難度。特別是對(duì)這些軟件在內(nèi)部分析環(huán)節(jié)可能存在的一些缺陷，指導(dǎo)教師必須強(qiáng)調(diào)指出，以免學(xué)生誤入歧途而影響進(jìn)度。因此，指導(dǎo)教師應(yīng)對(duì)軟件的一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)有使用經(jīng)驗(yàn)，并能做出正確的判斷，才能引導(dǎo)學(xué)生去認(rèn)真求證，加深理解。這樣也才可能幫助學(xué)生較快熟悉設(shè)計(jì)過程，

培養(yǎng)學(xué)生的自信心和學(xué)習(xí)興趣。

畢業(yè)設(shè)計(jì)為師生提供了長(zhǎng)達(dá)一學(xué)期的交流互動(dòng)機(jī)會(huì)，教師應(yīng)在指導(dǎo)工作中傾注熱情，與學(xué)生積極互動(dòng)，這樣不僅能使任務(wù)完成得更加高效，而且也有利于學(xué)生的全面發(fā)展。教師不僅要關(guān)注學(xué)生的專業(yè)訓(xùn)練，也要不失時(shí)機(jī)地對(duì)學(xué)生進(jìn)行職業(yè)道德的言傳身教，引導(dǎo)學(xué)生帶著問題去思考和討論，啟迪學(xué)生的智慧，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性。

三、畢業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)適當(dāng)增加針對(duì)性實(shí)習(xí)

與單純課堂教學(xué)相比，畢業(yè)設(shè)計(jì)屬于實(shí)踐環(huán)節(jié)。但若不加以恰當(dāng)引導(dǎo)，相當(dāng)多的學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)僅僅是對(duì)參考書等資料的簡(jiǎn)單模仿。因此，在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)通過小組或個(gè)人（以整個(gè)年級(jí)為單位的統(tǒng)一畢業(yè)實(shí)習(xí)，針對(duì)性不強(qiáng)）的實(shí)習(xí)活動(dòng)，例如參觀鋼結(jié)構(gòu)工程或鋼構(gòu)件制作等，夯實(shí)書本所學(xué)知識(shí)，拓寬知識(shí)面，使學(xué)生獲得真實(shí)感受。此外，通過實(shí)習(xí)，還可消除學(xué)生不切實(shí)際的想法和由此導(dǎo)致的誤差或錯(cuò)誤，有助于學(xué)生深入思考，以開展更加符合實(shí)際應(yīng)用需求的理性創(chuàng)作。

（一）參觀鋼結(jié)構(gòu)工程和鋼結(jié)構(gòu)安裝

應(yīng)組織學(xué)生參觀正在建設(shè)的高層鋼結(jié)構(gòu)工程。因?yàn)閺氖┕ぶ斜┞兜匿摴羌?，學(xué)生可以清楚地觀看構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的加工和連接做法。實(shí)地考察如不可行時(shí)，也應(yīng)提供必要的實(shí)錄視頻、圖形資料和講解，以加深學(xué)生的理解。還可以推薦一些好的參考書和期刊，例如《鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展與市場(chǎng)》和《建筑結(jié)構(gòu)》等，幫助學(xué)生了解新型鋼結(jié)構(gòu)工程和建造技術(shù)。此類資料圖文并茂，是本科生很好的課外讀物。另外，因高層建筑鋼結(jié)構(gòu)一些基本的構(gòu)造和連接做法等，在低層和多層鋼結(jié)構(gòu)中也有體現(xiàn)。因此，也可組織學(xué)生考察當(dāng)?shù)匾恍┰诮ǖ亩鄬由踔羻螌愉摻Y(jié)構(gòu)工程，例如施工現(xiàn)場(chǎng)的焊縫和螺栓連接等。通過接觸實(shí)際工程，增強(qiáng)學(xué)生的認(rèn)知能力。

（二） 參觀鋼結(jié)構(gòu)加工廠和鋼構(gòu)件制作

在實(shí)習(xí)中，還可組織學(xué)生參觀鋼構(gòu)件加工廠等。隨著新材料和新工藝的快速發(fā)展，目前鋼結(jié)構(gòu)中的大型構(gòu)件的加工制作方法和質(zhì)量控制技術(shù)等都有革新，書本上的知識(shí)也非常有限。必要的學(xué)習(xí)參觀有利于學(xué)生拓展知識(shí)面，幫助他們更好地理解和繪制施工圖。指導(dǎo)教師可組織學(xué)生參觀了解鋼構(gòu)件的生產(chǎn)過程。例如，參觀工廠的焊接、刨邊和鉆孔等相關(guān)工藝流程等，并做好有針對(duì)性的實(shí)地講解，有利于學(xué)生對(duì)重要概念的理解和對(duì)書本知識(shí)的消化。

四、考核應(yīng)以學(xué)生實(shí)質(zhì)性的進(jìn)步為依據(jù)

（一）注重形式，更追求質(zhì)量

學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)要求學(xué)生完成不少于9張的1號(hào)圖紙，有些學(xué)生甚至能提供多達(dá)14張或者更多的圖紙。誠(chéng)然，為確保培養(yǎng)質(zhì)量，數(shù)量上的要求是必要的，但任務(wù)完成的質(zhì)量更為重要。筆者曾在一次鋼結(jié)構(gòu)畢業(yè)設(shè)計(jì)的答辯中發(fā)現(xiàn)，能夠提供十多張圖紙的學(xué)生，計(jì)算書雖然寫的很飽滿，但是連一個(gè)常用角焊縫的符號(hào)代表什么意思也回答不上來?？梢?，依葫蘆畫瓢的做法，在本科畢業(yè)設(shè)計(jì)中依然存在。

再以結(jié)構(gòu)施工圖的繪制為例，在堅(jiān)持部分圖紙必須手繪完成這一傳統(tǒng)做法的基礎(chǔ)上，為了提高學(xué)生應(yīng)用計(jì)算機(jī)作圖的能力，目前鼓勵(lì)采用計(jì)算機(jī)繪圖。但應(yīng)強(qiáng)調(diào)的是，計(jì)算機(jī)作圖應(yīng)讓學(xué)生利用AutoCAD軟件親手繪制，不能依靠設(shè)計(jì)軟件和繪圖軟件等自動(dòng)出圖。雖然從表現(xiàn)形式上看，自動(dòng)出圖比學(xué)生親手繪圖的圖面更美觀和全面，但這樣會(huì)使學(xué)生過分依賴軟件而使其基本技能得不到應(yīng)有的訓(xùn)練，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)理論不熟悉，不能提高識(shí)圖和繪圖能力，并且也難以準(zhǔn)確把握和判斷其設(shè)計(jì)結(jié)果。因此，教師在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)時(shí)刻提醒學(xué)生，在寫計(jì)算書或繪圖時(shí)，每寫一句，每畫一筆，都要弄清楚為什么，真正弄懂了才算得上學(xué)有所獲。

（二）綜合平時(shí)表現(xiàn)全面評(píng)價(jià)

通過畢業(yè)設(shè)計(jì)檢查學(xué)生對(duì)理論和技能真實(shí)掌握的情況，應(yīng)綜合學(xué)生平時(shí)表現(xiàn)并結(jié)合中期檢查等來作全面評(píng)價(jià)。例如在計(jì)算機(jī)房和報(bào)告廳，可根據(jù)學(xué)生的特定任務(wù)，抽取部分簡(jiǎn)圖要求

學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)用計(jì)算機(jī)或手工繪制。對(duì)個(gè)別問題，可要求其現(xiàn)場(chǎng)用板書展示。目的是讓學(xué)生更加注重自身實(shí)際能力的提升，更好地培養(yǎng)其獨(dú)立思考和解決問題的能力以及表述能力等。將平時(shí)成績(jī)和表現(xiàn)做好記錄，以占一定分值比例等方式，匯入最終畢業(yè)設(shè)計(jì)成績(jī)，依據(jù)學(xué)生完成任務(wù)質(zhì)量與實(shí)質(zhì)性進(jìn)步情況作出更加全面公正合理的評(píng)判。

五、結(jié)語

目前，隨著建筑鋼結(jié)構(gòu)工程的大量應(yīng)用，對(duì)高層鋼結(jié)構(gòu)專門技術(shù)人才的要求也越來越高。本文結(jié)合學(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)題目的設(shè)置，提出適當(dāng)增設(shè)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)畢業(yè)設(shè)計(jì)的建議。同時(shí)強(qiáng)調(diào)，在畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目選定、指導(dǎo)和考核等環(huán)節(jié)，應(yīng)積極探索和改革新的模式和新的方法，以不斷提高鋼結(jié)構(gòu)畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量，為經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展培養(yǎng)高素質(zhì)的專業(yè)人才。

參考文獻(xiàn)：

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（編輯 王 宣）endprint