以卓越工程師培養(yǎng)為目標的設計類課程教與學

高向玲++趙憲忠?í?

摘要：同濟大學土木工程專業(yè)自2010年以來結(jié)合 “卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”制定了新的培養(yǎng)方案，更加注重提升學生的工程能力和創(chuàng)新能力。土木工程專業(yè)本身是一門實踐性非常強的學科，每個課群方向都有對應的實踐教學環(huán)節(jié)，針對實踐教學環(huán)節(jié)承上啟下的作用，提出了設計類課程中的幾個關鍵知識點。對于建筑工程課群方向，建筑混凝土結(jié)構(gòu)課程設計是首次理論與實踐結(jié)合的教學環(huán)節(jié)，通過專業(yè)實踐課程培養(yǎng)學生結(jié)合相應的設計規(guī)范、圖集以及制圖規(guī)范獨立確定結(jié)構(gòu)方案進行結(jié)構(gòu)設計的能力，使學生從純理論的書本知識學習向工程師思維轉(zhuǎn)變，按行業(yè)標準培養(yǎng)學生從工程師角度提出問題、解決問題的能力，以及獨立進行結(jié)構(gòu)設計的能力。

關鍵詞：土木工程專業(yè)；卓越工程師；教學方法；專業(yè)實踐；建筑混凝土結(jié)構(gòu)設計

中圖分類號：G6423；TU318文獻標志碼：A文章編號：

10052909（2016）04009005

“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”是貫徹落實《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》和《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》的重大改革項目，也是促進我國由工程教育大國邁向工程教育強國的重大舉措，旨在培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強，適應經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術人才，對促進高等教育面向社會需求培養(yǎng)人才，全面提高工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量具有十分重要的示范和引導作用。同濟大學土木工程專業(yè)自1998年起，按照寬口徑人才培養(yǎng)模式進行了重組，實施知識體系改革與建設，自2001年起，更加注重學生工程素質(zhì)和實踐能力的培養(yǎng)與提升。2005年，同濟大學土木工程專業(yè)的人才培養(yǎng)體系進一步向創(chuàng)新意識和國際視野這一更深層次發(fā)展。2010年以來結(jié)合國家首批“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的土木學科專業(yè)要求，重新修訂了土木工程專業(yè)培養(yǎng)計劃，在人才培養(yǎng)模式上更加注重學生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力。土木工程專業(yè)的學生不僅要具有深厚的科學和人文素養(yǎng)，掌握土木工程學科的原理和知識，基礎理論扎實，專業(yè)知識寬厚，實踐能力突出，能勝任一般土木工程的設計、施工和管理工作，而且要能從事投資與開發(fā)等工作，具有繼續(xù)學習能力、創(chuàng)新能力、組織協(xié)調(diào)能力、團隊精神和國際視野

。

一、課程設置的目的

針對目前土木工程專業(yè)的人才培養(yǎng)目標，該專業(yè)的學生在大學一、二年級接受的是專業(yè)基礎性教育。在大學三年級時開始進行課群方向的分流，課群方向主要包括地下工程、橋梁工程、巖土工程、道路工程、軌道交通工程、水利工程和建筑工程。針對卓越工程師的培養(yǎng)計劃，按照通用標準和行業(yè)標準培養(yǎng)工程人才，強化培養(yǎng)學生的工程能力和創(chuàng)新能力。從2014級本科生開始，改變以往課程設計隨課程進行的現(xiàn)狀，強化知識系統(tǒng)性、連貫性，培養(yǎng)學生的工程能力。學生在三年級第一學期和第二學期的前九周系統(tǒng)進行課群方向?qū)I(yè)課基礎理論知識的學習，第二學期的后九周將進行相關專業(yè)課的課程設計學習。學習基本理論的最終目的是學以致用，而實踐課程正是基本原理與工程實踐之間的橋梁，經(jīng)過這一環(huán)節(jié)的訓練，通過具體的結(jié)構(gòu)設計，使學生形成一個系統(tǒng)、完整的結(jié)構(gòu)概念，而不是支離的構(gòu)件層次上的概念。在整個課程設計過程中，學生應按行業(yè)標準要求應用相關的結(jié)構(gòu)設計規(guī)范，逐步具有工程師的思維方式。從整體上把握結(jié)構(gòu)，強調(diào)結(jié)構(gòu)整體性的受力分析，并結(jié)合結(jié)構(gòu)所在地的實際情況進行材料的合理選擇，同時應加強有關設計規(guī)范和制圖標準的學習，注重有關的構(gòu)造要求，最后進行結(jié)構(gòu)施工圖的繪制和出圖。通過這一相對系統(tǒng)的土木工程師基本培養(yǎng)訓練，學生應初步具備從事其課群方向的結(jié)構(gòu)設計能力。

土木工程專業(yè)建筑工程方向的學生為了獲得良好的工程師培訓，強化工程能力和創(chuàng)新能力，更好地勝任房屋工程的設計、施工與管理工作。該課群方向的學生在校期間應進行一系列的實踐課程培訓，學生將在九周的時間集中學習建筑混凝土結(jié)構(gòu)與砌體結(jié)構(gòu)設計、建筑鋼結(jié)構(gòu)設計等課程。

通過建筑混凝土結(jié)構(gòu)與砌體結(jié)構(gòu)設計課程的實踐學習，學生應掌握砌體結(jié)構(gòu)房屋以及混凝土單層廠房的設計。與該課程緊密相關的理論基礎課程是混凝土結(jié)構(gòu)基本原理[1-2]和砌體結(jié)構(gòu)[3-4]，通過這兩門課程的課堂教學，學生應掌握建筑混凝土結(jié)構(gòu)以及砌體結(jié)構(gòu)的材料力學性能、各類受力構(gòu)件的承載力計算、混凝土樓板及

樓梯等的受力分析和設計計算、混凝土結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)房屋整體力學模型建立和內(nèi)力計算方法。在此基礎上，學生進行兩個完整的結(jié)構(gòu)體系設計，主要內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)方案的確定、荷載的取值、廠房預制構(gòu)件的選取、結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析、構(gòu)件的設計，以及地基基礎設計，并熟悉有關規(guī)范，明確結(jié)構(gòu)施工圖的表達內(nèi)容和表達方式，從而初步達到按行業(yè)標準進行結(jié)構(gòu)設計的工程能力，為畢業(yè)設計階段與企業(yè)結(jié)合，進行大型復雜工程項目的設計、管理、創(chuàng)新奠定基礎。

二、課程學習基本要求

建筑混凝土結(jié)構(gòu)與砌體結(jié)構(gòu)設計要求學生進行兩種類型房屋的設計，一類是砌體結(jié)構(gòu)房屋，另一類是混凝土單層排架結(jié)構(gòu)廠房，通過這兩個設計任務使所學的基本理論知識在實踐中得到綜合運用，并且按行業(yè)標準應用相關的規(guī)范、圖集，培養(yǎng)學生的工程能力。

（一）砌體結(jié)構(gòu)房屋的設計

通過該項目的設計，初步掌握一般砌體結(jié)構(gòu)房屋設計的方法，具體要求如下：

（1）掌握砌體結(jié)構(gòu)房屋靜力計算方案的一般原則；

（2）掌握鋼筋混凝土樓蓋結(jié)構(gòu)布置的一般原則；

（3）掌握鋼筋混凝土連續(xù)梁、板、樓梯的設計方法；

（4）掌握砌體墻體的設計方法；

（5）掌握墻下條形基礎的設計方法；

（6）熟悉相關的規(guī)范、規(guī)程以及圖集。

（二）單層工業(yè)廠房排架結(jié)構(gòu)的設計

通過此工程的設計，初步掌握單層工業(yè)廠房排架結(jié)構(gòu)的設計方法，具體要求如下：

（1）初步掌握鋼筋混凝土單層廠房結(jié)構(gòu)布置和結(jié)構(gòu)選型的原則；

（2）掌握單層廠房荷載效應組合的方法；

（3）掌握裝配式結(jié)構(gòu)計算的特點及節(jié)點構(gòu)造設計；

（4）熟悉裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋施工圖的繪制方法；

（5）掌握墻下條形基礎及柱下獨立基礎的設計方法；

（6）熟悉相關的規(guī)范、規(guī)程以及圖集。

此次課程設計是兩個完整的結(jié)構(gòu)體系訓練，嚴格按照結(jié)構(gòu)設計流程進行把控，學生應掌握工程計算書所包含的信息，計算書務必條理清楚，書寫規(guī)范，便于校對；結(jié)構(gòu)施工圖要求能準確表達設計意圖，圖面布置勻稱美觀、線條清晰、字體端正、尺寸詳細，符合施工圖要求，圖紙采用CAD繪制并打印出圖，為了訓練學生的繪圖基本功，要求應有1～2張的手繪圖紙。通過這兩個完整的房屋工程訓練，學生應初步學會從工程師的角度考慮問題：一是要全面，從結(jié)構(gòu)整體出發(fā)，包括結(jié)構(gòu)選型以及經(jīng)濟性的比較；二是設計必須結(jié)合實際（地質(zhì)情況、材料供應、施工難易程度等），從而設計出結(jié)構(gòu)體系合理、傳力明確、便于施工、經(jīng)濟合理的房屋。

三、課程學習中關鍵知識點的掌控與改進

在進行設計課程時，教師應明確卓越工程師的培養(yǎng)要點，按行業(yè)標準要求，強化學生的工程能力和創(chuàng)新能力。教師應采用實際案例，并且控制整個設計進度，最終使學生從實際工程入手進行結(jié)構(gòu)設計。圍繞卓越工程師培養(yǎng)這一目標，在建筑混凝土結(jié)構(gòu)與砌體結(jié)構(gòu)設計過程中，關鍵知識點的講解應從工程師的角度出發(fā)。

（一）實踐案例的提出

在以往的課程設計中，通常教師會提供一份完整的課程設計任務書，任務書中將結(jié)構(gòu)方案、結(jié)構(gòu)設計的有關參數(shù)甚至計算的主要步驟等均逐一列出，學生基本上按照教師提供的參數(shù)進行計算即可，而對于參數(shù)“如何確定”以及“為什么這么取”這些關鍵問題則一帶而過，由此將“設計”變成了“計算練習”，學生缺少獨立解決實際工程問題的能力，沒有真正達到培養(yǎng)工程師的目的。

針對目前普遍存在的情況，在此特別強調(diào)實踐案例是學生進行實踐課程的前提條件，案例應具備合理性、可行性以及代表性，案例應根據(jù)實際工程提出，不應過多地給出結(jié)構(gòu)設計的確定性參數(shù)，應由學生根據(jù)建筑方案確定結(jié)構(gòu)方案，從而逐一確定相關的結(jié)構(gòu)參數(shù)，進一步完成結(jié)構(gòu)設計。這樣一個完整的訓練是土木工程專業(yè)建筑工程課群方向必不可少的實踐環(huán)節(jié)，也是學生第一次接受完整的結(jié)構(gòu)設計，良好的職業(yè)習慣應在此階段逐漸形成。

（二）結(jié)構(gòu)方案的選型及整體體系的概念

結(jié)構(gòu)設計的第一步是根據(jù)建筑方案進行結(jié)構(gòu)方案的選型，主要內(nèi)容包括豎向結(jié)構(gòu)體系、水平結(jié)構(gòu)體系等。對于這兩個設計而言，結(jié)構(gòu)豎向體系基本明確，但學生應進行承重墻體、柱的合理布置和基礎選型，現(xiàn)澆混凝土肋型樓蓋中主、次梁的合理布置，明確預制樓板的選型依據(jù)等，并在此基礎上初步確定構(gòu)件的尺寸。

學生在前期的專業(yè)課程學習中，主要學習各類基本構(gòu)件的受力分析和設計，因此結(jié)構(gòu)整體的概念相對較弱，而結(jié)構(gòu)的構(gòu)件設計相對較強。在基礎理論學習階段，梁、板、柱以及砌體墻體等構(gòu)件的內(nèi)力是作為已知條件給定的，是在已知荷載或內(nèi)力的情況下進行構(gòu)件設計，但對于構(gòu)件的內(nèi)力是如何得到的，并沒有十分明確的認識。這一點正是課程設計需要強調(diào)并完善的知識點之一，培養(yǎng)學生從整體上把握結(jié)構(gòu)體系，明確合理的結(jié)構(gòu)選型比單純的計算正確更為重要。

（三）力學計算簡圖的確定

這一步驟是培養(yǎng)學生從工程師的角度出發(fā)全面考慮問題的重要一步，結(jié)構(gòu)體系的計算模型是將空間的結(jié)構(gòu)簡化為力學模型，從而明確結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計算方法。此部分內(nèi)容對于混合結(jié)構(gòu)房屋應確定靜力計算方案，對于廠房應確定排架的計算簡圖，要求學生根據(jù)實際工程確定各種荷載的取值，然后進行各種荷載作用下的內(nèi)力計算，進而進行內(nèi)力組合，并根據(jù)控制截面的內(nèi)力組合進行豎向構(gòu)件的設計（墻體、排架柱）。在進行柱的正截面承載力計算時應注意柱的軸力和彎矩對應關系，在進行柱的斜截面承載力計算時應注意柱的剪力和軸力對應關系，合理選取柱的控制截面內(nèi)力，進行柱的配筋設計。設計中未考慮地震作用時，應明確房屋不考慮地震作用的條件。

在混凝土肋梁樓蓋設計中，次梁、樓板按連續(xù)梁進行內(nèi)力計算（按塑性理論計算內(nèi)力），同樣主梁也是按照多跨連續(xù)梁設計（按彈性理論計算內(nèi)力）。此時應明確兩個概念：一是主梁作為連續(xù)梁計算的條件，二是主梁下的支承簡化為鉸支座的條件。第二點學生通常不加考慮，參照書上例題按鉸支座進行分析，到畢業(yè)設計時，學生對框架結(jié)構(gòu)的主梁也按多跨連續(xù)梁計算，所以應明確支承簡化的條件，從結(jié)構(gòu)整體上分析結(jié)構(gòu)。同時應注意屋面按彈性理論計算內(nèi)力，主梁應進行變形和裂縫寬度的驗算。

（四）相關規(guī)范的合理應用

按照工程師的培養(yǎng)計劃和行業(yè)標準培養(yǎng)工程人才。此實踐課程是學生第一次進行房屋結(jié)構(gòu)的設計，應通過此實踐課程的鍛煉，使學生學會應用規(guī)范，并逐步熟悉相關的規(guī)范，如《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[5]《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》[6]《砌體結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》[7]和《建筑地基基礎設計規(guī)范》[8]等。通過對規(guī)范中相關條文的應用，達到初步進行工程師培訓的目的。通過這一環(huán)節(jié)，使學生初步形成獨立自主的學習能力。這一觀念的形成對學生后續(xù)專業(yè)課學習、設計能力提高以及分析和解決實際工程問題均十分有益。

（五）結(jié)構(gòu)的構(gòu)造措施以及選材

結(jié)構(gòu)的構(gòu)造措施因沒有具體的工程實踐，是學生掌握比較薄弱的一個環(huán)節(jié)。在此特別強調(diào)構(gòu)造措施的重要性，構(gòu)建措施是保證結(jié)構(gòu)安全的必要措施，房屋所用建筑材料鋼筋、混凝土、塊體以及砂漿的選取既應滿足相關規(guī)范對材料強度等級的要求，又要符合房屋所在地的實際情況，合理選材。

同時應注意《砌體結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》[6]中第4.3.5條地面以下或防潮層以下的砌體墻所用材料的最低強度等級。一般構(gòu)造要求中的第6.2.7條和第6.2.8條，當梁的跨度達到一定值時，應考慮設置墊塊、壁柱。同時關注第6.5條中防止或減輕墻體開裂的主要措施，以及構(gòu)造柱、圈梁的合理設計。對于廠房應注意排架柱、吊車梁、抗風柱與預制構(gòu)件的連接部位以及預埋件的設置。在進行牛腿設計時，應特別注意《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》[5]對于牛腿的構(gòu)造要求。讓學生意識到結(jié)構(gòu)設計并不僅僅是承載力的計算和變形、裂縫寬度等，還需有必要的構(gòu)造措施，才能設計出安全合理的結(jié)構(gòu)體系。

（六）預制構(gòu)件的選型

對于鋼筋混凝土單層工業(yè)廠房排架結(jié)構(gòu)需進行屋面板、屋架、天窗架、天溝、吊車梁、基礎梁等混凝土預制構(gòu)件的選型。在此應著重培養(yǎng)學生搜集相關資料以及根據(jù)資料選取有關構(gòu)件的工程能力，同時亦應結(jié)合當?shù)氐膶嶋H情況，考慮預制構(gòu)件的承載力、使用范圍、運輸以及安裝等成本。應從工程師的角度全面考慮問題，而不是單純受力分析和計算。此階段相對應的圖集主要包括：

（1）04 G410—1 1.5 m×6.0 m預應力混凝土屋面板（預應力混凝土部分）；

（2）04 G410—2 1.5 m×6.0 m預應力混凝土屋面板（鋼筋混凝土部分） ；

（3）04 G415—1 預應力混凝土折線形屋架（預應力鋼筋為鋼絞線，跨度18～30 m）；

（4）95 G316 標準圖 П型鋼筋混凝土天窗架；

（5）04 G323—1 鋼筋混凝土吊車梁（工作級別A6）；

（6）04 G323—2 鋼筋混凝土吊車梁（工作級別A4、A5） ；

（7）04 G320 鋼筋混凝土基礎梁；

（8）05 G336柱間支撐 ；

（9）起重機產(chǎn)品樣本（2004年），機械工業(yè)出版社。

（七）基礎的布置以及設計計算

建筑工程專業(yè)學生對地基基礎部分相對比較陌生，從實際工程角度出發(fā)，應提供給學生一份完整的地質(zhì)勘察報告，而不是僅給出持力層的地基承載力。學生應通過查閱地質(zhì)勘察報告，進行持力層的選取，確定基礎埋深等，進行基礎尺寸的確定。通過此次課程設計實踐，使學生熟悉兩類基礎形式以及《建筑地基基礎設計規(guī)范》[8]。對于混合結(jié)構(gòu)房屋砌體墻體采用墻下條形基礎形式，對于單層排架混凝土結(jié)構(gòu)廠房建議采用柱下獨立基礎形式。應特別注意在確定基底面積時根據(jù)地基承載力以及基底的總反力確定，而在進行基礎本身的承載力設計時應采用地基的凈反力。學生根據(jù)實際地質(zhì)情況和結(jié)構(gòu)體系進行持力層的選取和基礎選型設計。

（八）結(jié)構(gòu)施工圖的繪制

圖紙是結(jié)構(gòu)工程師的語言，圖紙表達應清晰、簡明，能夠準確反映設計意圖，符合設計、施工、存檔的要求，適應工程建設的需要。圖紙應符合《房屋建筑制圖統(tǒng)一標準》[9]《建筑結(jié)構(gòu)制圖標準》[10]等制圖規(guī)范的要求，保證圖紙質(zhì)量。線條粗細適當，文字大小合適，同時應完成一定量的CAD制圖和手繪制圖。學生還應熟悉國家建筑標準設計圖集[11]，通過完整的結(jié)構(gòu)施工圖繪制以及出圖，學生能全面掌握施工圖的表達方式。

四、結(jié)語

卓越工程師的培養(yǎng)要求是按行業(yè)標準培養(yǎng)工程人才，強化學生的工程能力和創(chuàng)新能力。實踐課程是理論課程與實際工程相結(jié)合的橋梁，通過實踐環(huán)節(jié)的教學，學生可進一步鞏固所學的基本理論知識，同時加強理論知識的應用，解決實際工程問題，做到學以致用。培養(yǎng)學生從工程師的角度在結(jié)構(gòu)整體上把握結(jié)構(gòu)，確定結(jié)構(gòu)方案、荷載、計算模型、構(gòu)件選型等，并應具有經(jīng)濟意識，注重結(jié)合地方的實際情況。通過這一階段的強化訓練，全面提高學生的工程能力和創(chuàng)新能力。參考文獻：

[1]顧祥林.混凝土結(jié)構(gòu)基本原理[M].上海：同濟大學出版社，2012.

[2]顧祥林.建筑混凝土結(jié)構(gòu)設計[M].上海：同濟大學出版社， 2012.

[3]蘇小卒.砌體結(jié)構(gòu)設計[M].上海：同濟大學出版社，2013.

[4]高向玲.砌體結(jié)構(gòu)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2013.

[5] 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.

[6] GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[7] GB 50003—2011砌體結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[8] GB 50007—2011建筑地基基礎設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[9] GB/T 50001—2001房屋建筑制圖統(tǒng)一標準[S].北京：人民出版社，2001.

[10] GB/T 50105—2001建筑結(jié)構(gòu)制圖標準[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.

[11] 11G101—1，2，3混凝土結(jié)構(gòu)施工圖平面整體表示方法制圖規(guī)則和構(gòu)造詳圖[S].北京：中國計劃出版社，2011.