提升工程實踐能力的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計課程教改探討

趙必大+劉成清+袁偉斌

摘要：文章分析了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計課程教學改革的背景，在教學實踐的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)課程教學內(nèi)容繁雜，教學過程枯燥，與工程實踐聯(lián)系差，考核方式不合理等問題。在調(diào)整教學內(nèi)容、強調(diào)結(jié)構(gòu)概念、增加結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件教學、考核方式等方面進行了教學改革的探索，旨在提高學生的工程能力。

關(guān)鍵詞：高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計；教學內(nèi)容；教學改革；工程實踐能力

中圖分類號：G642.3；TU973 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2017）03-0051-04

一、課程概況

中國土木工程教育由以下幾大模塊組成[1]：基本原理與計算分析模塊、荷載與工程設(shè)計模塊、試驗與測試模塊、施工模塊。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計屬于工程設(shè)計模塊，是一門涉及結(jié)構(gòu)力學、荷載、混凝土結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)抗震等眾多前置專業(yè)課及專業(yè)基礎(chǔ)課的綜合應(yīng)用性課程，是一門具有明確的專業(yè)技術(shù)規(guī)范背景，與工程實踐緊密聯(lián)系的課程。因此，課程教學質(zhì)量直接關(guān)系到學生的專業(yè)素質(zhì)與能力，影響到用人單位對院校畢業(yè)生的感觀，其重要性不言而喻。

本科階段高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計課程（以下簡稱“高層課程”）的主要教學內(nèi)容包括：結(jié)構(gòu)體系及其設(shè)計要求，水平荷載，框架、剪力墻、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的近似計算方法與設(shè)計，筒體結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，多高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計等[2]。在教學內(nèi)容中既有力學分析計算，又密切聯(lián)系荷載、結(jié)構(gòu)抗震等各相關(guān)設(shè)計規(guī)范和具體的工程實踐，具有知識點多、綜合性強、理論與實踐并重等特點，無論對教師還是學生都是難度相當大的課程。為了提高教學質(zhì)量，教育工作者已經(jīng)從不同的角度進行教學改革[3-5]。文章從提升學生工程實踐能力的角度出發(fā)，對高層建筑結(jié)構(gòu)課程的教改進行探討。

二、教學改革的背景

（1）培養(yǎng)“工程能力”人才的需要。中國高層建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展迅猛，一些縣級小城市都高層建筑林立，近些年更是涌現(xiàn)出各類形狀奇異的新型高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)，這對工程技術(shù)人員的專業(yè)素質(zhì)、學習和創(chuàng)新能力提出了更高要求，亦要求學生具有更高的工程素質(zhì)。具備較強“工程能力”的畢業(yè)生往往更受企業(yè)的歡迎。教育部提出了《卓越工程師教育培養(yǎng)計劃》，把培養(yǎng)學生的“工程能力”作為中國高等教育改革的方向。就土木工程專業(yè)而言，結(jié)構(gòu)設(shè)計能力是體現(xiàn)“工程能力”的重要組成部分，結(jié)構(gòu)設(shè)計能力包括將具體工程抽象為力學模型的能力、結(jié)構(gòu)分析與計算能力、結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐能力等，掌握高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計是具備工程結(jié)構(gòu)設(shè)計能力的重要體現(xiàn)之一[5]。

（2）學生的工程實踐能力跟社會需求形成反差。畢業(yè)設(shè)計是培養(yǎng)學生運用已學知識解決工程實際問題的環(huán)節(jié)，高層課程的內(nèi)容和知識直接貫穿其中。然而，本人指導畢業(yè)設(shè)計的經(jīng)歷表明，

學生在設(shè)計實踐中不會運用已學的高層建筑結(jié)構(gòu)知識，存在生搬硬套、結(jié)構(gòu)布置呆板等問題。不少學生在建模計算時直接按PKPM默認參數(shù)一路到底，對計算結(jié)果正確與否不加以判斷，直接進行配筋設(shè)計。即使調(diào)整設(shè)計計算參數(shù)，也大多是直接向教師要答案，少有主動結(jié)合高層建筑結(jié)構(gòu)知識深入理解參數(shù)的意義后再進行調(diào)整。和設(shè)計行業(yè)資深工程師的交流發(fā)現(xiàn)，很多剛從院校畢業(yè)的技術(shù)人員對高層建筑結(jié)構(gòu)的一些概念理解不透，設(shè)計時完全依賴軟件的計算結(jié)果，不會從力學概念上判斷計算結(jié)果是否合理，更不會思考結(jié)構(gòu)方案是否需要改進，以及在不影響建筑使用功能的前提下如何改良結(jié)構(gòu)方案。然而，在競爭激烈的當下，用人單位往往希望畢業(yè)生具有較強的工程能力，能較快地完成從學生到工程師的轉(zhuǎn)換。因此，院校應(yīng)更加重視高層課程的教學，提升學生的工程能力。

三、當前教學中存在的問題

（1）內(nèi)容繁瑣，課時少。高校往往將高層課程安排在第6或第7學期。但高層課程涉及專業(yè)基礎(chǔ)課多且綜合性強，包括風荷載和地震作用等相關(guān)知識及其基本原理的講解，框架、框-剪、剪力墻等多種結(jié)構(gòu)體系的近似計算公式的推導及闡釋，現(xiàn)行規(guī)范的一些概念如結(jié)構(gòu)體系的不規(guī)則定義、變形限制、各種調(diào)整系數(shù)的解釋等。雖然多媒體教學緩解了板書授課占用時間多的問題，但32課時依然不夠用，教師不得不為了講得全而講得快，或講得慢卻內(nèi)容少且粗略，學生對學過的知識點不感興趣，而新的問題卻沒有足夠時間理解，對教學效果產(chǎn)生不利影響。

（2）教學過程顯得枯燥乏味。高層課程因其特點，存在很多理論推導，且結(jié)論都用于計算內(nèi)力及構(gòu)件設(shè)計。雖然現(xiàn)在多媒體教學中插入很多典型高層建筑結(jié)構(gòu)的圖片，但教學依然偏重理論推導和計算，再加上課時少而內(nèi)容多，學生產(chǎn)生枯燥感，無法提高其學習的主動性。

（3）從“構(gòu)件/平面層次”到“結(jié)構(gòu)/空間層次”轉(zhuǎn)換的效果差。高層課程的學習方式與先前學習的課程有較大不同，比如材料力學、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等，往往側(cè)重對單個構(gòu)件進行截面設(shè)計或驗算，或者是平面問題的結(jié)構(gòu)力學，學生形成一種習慣性的“構(gòu)件/平面思維”。而高層建筑結(jié)構(gòu)貼近實際工程，其不再是研究“構(gòu)件/平面層次”，而是典型的“結(jié)構(gòu)/空間層次”，簡化為平面問題是有條件的，需要從“空間整體思維”角度考慮問題。然而，在傳統(tǒng)教學模式下，學習思維方式從“構(gòu)件/平面層次”到“結(jié)構(gòu)/空間層次”轉(zhuǎn)變的效果差，導致分析問題時不由自主地局限于平面思維，進而導致對概念的片面理解，畢業(yè)設(shè)計時概念性錯誤屢見不鮮等。

（4）與工程設(shè)計實踐聯(lián)系不密切。主要體現(xiàn)在兩方面，一方面是對著教材講解相關(guān)規(guī)范規(guī)定條文，設(shè)計理論和規(guī)范內(nèi)容割裂，導致學生對規(guī)范理解不透徹，在實踐中不會正確查找規(guī)范，更不會靈活運用。另一方面體現(xiàn)在與結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件（最常見為PKPM系列）的結(jié)合差，以PKPM為代表的暗箱操作軟件在工程設(shè)計中得到普遍應(yīng)用，但結(jié)構(gòu)設(shè)計程序應(yīng)用課程僅講解具體操作步驟，高層課程又因課時少而忽略了結(jié)構(gòu)設(shè)計程序部分。導致學生在畢業(yè)設(shè)計甚至在參加工作后，對程序的基本理論假定、限制條件等缺乏了解，導致完全依賴程序計算結(jié)果，而不是有效地利用程序為設(shè)計服務(wù)。

（5）課程考核方式不盡合理。大多院校對該課程的考核方式為平時成績30%（或20%），期末考試70%（或80%）。期末考試采取開卷（或閉卷），試題包括填空、簡答（或名詞解釋）、計算等，而平時成績則根據(jù)作業(yè)和課堂表現(xiàn)綜合評定。這樣傳統(tǒng)的考核方式無法有效檢驗學生掌握這門課程的效果，該課程對學生今后從事設(shè)計與施工起到直接作用，工程實踐中更關(guān)注的是如何靈活運用所學知識獨立完成結(jié)構(gòu)設(shè)計，或施工過程中利用所學知識讀懂圖紙以及發(fā)現(xiàn)存在的問題，即更多是檢驗學生應(yīng)用與實踐的能力而不是掌握知識點的效果?？梢?，當前的考核方式無法檢驗學生的“工程能力”，無法反映《卓越工程師教育培養(yǎng)計劃》的教育目的。

四、課程的教學改革

（1）教學內(nèi)容進行調(diào)整，減少重復。高層課程綜合性強，有些內(nèi)容與其他專業(yè)課存在重疊現(xiàn)象，譬如，框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算方法（分層彎矩分配法和D值法）劃歸鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)課程中重點講解，在高層課程中僅作復習和總結(jié)。地震作用放在建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計課程中重點講解，而高層課程僅重點講解結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防目標、設(shè)計反應(yīng)譜的來源、底部剪力法。鑒于抗震設(shè)計在工程設(shè)計中的重要性，且兩門課程在設(shè)計實踐中往往緊密聯(lián)系，可考慮將兩門課結(jié)合為一門課程，2～3位教師分別講解自己最擅長內(nèi)容，如此，不僅消除兩門課的重疊部分，而且連貫起來后能更好地培養(yǎng)學生的綜合應(yīng)用能力，提升學生的“工程能力”。

（2）加強結(jié)構(gòu)概念的教學。結(jié)構(gòu)設(shè)計大致分為結(jié)構(gòu)方案設(shè)計、結(jié)構(gòu)計算分析、施工圖繪制三大部分?，F(xiàn)實中，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員往往注重結(jié)構(gòu)分析計算和施工圖繪制，忽視結(jié)構(gòu)方案設(shè)計。然而，結(jié)構(gòu)方案設(shè)計才是重點，體現(xiàn)了從整體概念出發(fā)來設(shè)計結(jié)構(gòu)而非拘泥于某個細節(jié)。優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計，不僅結(jié)構(gòu)受力合理，節(jié)約建造成本，有利于防災(zāi)減災(zāi)，更表明結(jié)構(gòu)工程師掌握了豐富的結(jié)構(gòu)概念，結(jié)構(gòu)概念越豐富則結(jié)構(gòu)概念設(shè)計做得越好，反之隨著實踐的增長，結(jié)構(gòu)概念越豐富，設(shè)計成果也越來越創(chuàng)新、完美。因此，在高層課程中不僅要將概念設(shè)計貫穿始終，還要強調(diào)結(jié)構(gòu)概念。講到結(jié)構(gòu)布置的扭轉(zhuǎn)規(guī)則性時，不僅要講清楚其中水平位移計算的前提條件，如樓板不是按PKPM軟件默認的剛性樓板假定而是實際剛度的彈性體，采用的水平力是“給定水平力”而非任意水平力，其中兩端的彈性水平位移是指位于主體結(jié)構(gòu)而非懸挑構(gòu)件（如陽臺）部分等，而且要講解這些前提條件的意義。同時結(jié)合具體工程講解扭轉(zhuǎn)嚴重不規(guī)則時，如何在不影響建筑使用功能及立面造型的前提下通過修改局部予以改善，如簡單的加密周邊柱子（不影響建筑內(nèi)部空間）等。講解結(jié)構(gòu)側(cè)移時，結(jié)合數(shù)學力學相關(guān)概念讓學生透徹理解什么是剪切（彎曲）型側(cè)移曲線，在水平均布荷載q作用下，將橫坐標定義為結(jié)構(gòu)側(cè)移δ、縱坐標定義為結(jié)構(gòu)高度z（最高點為H），根據(jù)Timoshenko梁理論[6]可知，任意高度Z處的撓度（側(cè)移）δ由兩部分組成：彎曲變形δm和剪切變形δv，其中dδm2/dz2=M（Z）/EI=q（H- Z）2/EI，積分并考慮邊界條件得

δm=q（Z4-4Z3H+6Z2H2）/24EI，dδv/dz=αsV（Z）/GA=αsq（H-Z）/GA，得δv=αsq（HZ-0.5Z2）/

GA，其中E、G、I、A、αs分別為彈性模量、剪切模量、截面慣性矩、截面面積、剪切系數(shù)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)可視為截面高度（框架跨度）很大、空腹（腹板幾乎沒有）的懸臂梁，再考慮到框架結(jié)構(gòu)總高H往往不大， EI很大而 GA較小，故框架結(jié)構(gòu)的δv遠大于δm，表現(xiàn)為剪切型側(cè)移；剪力墻結(jié)構(gòu)可視為實腹型懸臂梁，根據(jù)力學知識，再考慮到剪力墻結(jié)構(gòu)的總高度H往往較大，故其δm遠大于δv，表現(xiàn)為彎曲型側(cè)移。δm、δv的二階導數(shù)分別為q（H-Z）2/2EI、-αsq/GA，顯然前者為正、后者為負，由數(shù)學知識并結(jié)合到自變量z為縱坐標可知，曲線外形為前者左凸、后者左凹，深刻地解釋了隨著高度增加，彎曲型側(cè)移的層間位移增加，而剪切型則降低的規(guī)律。如此，將結(jié)構(gòu)知識與力學概念聯(lián)系，增強學生運用力學概念進行結(jié)構(gòu)分析的能力，再與常見講解方式（框架結(jié)構(gòu)層間位移為層間剪力與該層總D值之比，樓層越低層間剪力越大但每一層總D值差異相對較小，故而層間位移呈現(xiàn)下大上小的特點）結(jié)合，加深學生對彎曲型、剪切型側(cè)移概念的理解。

（3）增加結(jié)構(gòu)設(shè)計程序的教學。工程結(jié)構(gòu)的分析計算往往由計算機程序完成，而結(jié)構(gòu)設(shè)計程序應(yīng)用課程（以PKPM系列為主）往往側(cè)重講具體的建模操作步驟，學生往往不會根據(jù)工程實際正確調(diào)整軟件中各種參數(shù)，不會判別計算結(jié)果是否正確。在高層課程中不介紹具體操作，但介紹軟件中的計算假定（如核心模塊SATWE中“墻元”有哪些假定）、程序中各種參數(shù)的意義、計算結(jié)果的判別等。在介紹其中參數(shù)時，應(yīng)結(jié)合課程內(nèi)容講解為什么調(diào)整，如僅作為梁間荷載輸入的填充墻，其增強了框架結(jié)構(gòu)的剛度，從而降低了框架結(jié)構(gòu)的周期，故需要將結(jié)構(gòu)分析模型的周期乘折減系數(shù)。講解如何利用周期、振型、位移等來判斷計算結(jié)果的合理性，如何根據(jù)周期序號、平動/振動的系數(shù)等來判斷扭轉(zhuǎn)振動是否明顯，如何判斷是否出現(xiàn)平面或豎向不規(guī)則，出現(xiàn)嚴重不規(guī)則或者明顯扭轉(zhuǎn)振動后如何在結(jié)構(gòu)方案設(shè)計中進行調(diào)整等。結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計程序應(yīng)用課程，教師可提供一個不合理的結(jié)構(gòu)方案，讓學生課后用PKPM進行建模分析，下次課讓學生根據(jù)計算結(jié)果說明結(jié)構(gòu)方案哪里不合理，有哪些改進措施，最后教師進行點評，提高學生的工程能力。

（4）調(diào)動學生課堂積極性。筆者的教學經(jīng)歷表明，以下幾個措施往往能激發(fā)學生學習興趣、調(diào)動課堂積極性。其一是對典型高層建筑實例進行講解，不僅介紹其先進性（如施工方法等），更要針對其不合理的地方進行批判。如為了獲得“世界第一高”的虛名而大量增加無建筑使用功能的塔尖。其二是反例教學法[7]，用一些工程事故、不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，作為反面案例來激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生的工程安全意識，通過引導學生分析其原因并提出解決方法，提升學生的工程能力。案例與理論知識點及教材中規(guī)范條文的有效銜接，不僅可加深學生對結(jié)構(gòu)概念和規(guī)范條文的理解，還可把抽象、枯燥的規(guī)范條文運用于具體工程，加強學生工程能力的培養(yǎng)。其三是科研反哺教學，在課堂中結(jié)合當前的相關(guān)科研成果，如研究成果在最新設(shè)計規(guī)范中體現(xiàn)在哪里，與高層結(jié)構(gòu)相關(guān)的科研趨勢及其對工程設(shè)計帶來的影響等。

（5）聯(lián)系工程實踐。高層課程是所有專業(yè)課程的集大成，與設(shè)計實踐直接相關(guān)?？煽紤]將本門課程與設(shè)計實踐相結(jié)合，在學生掌握理論知識的同時加強實踐能力。比如通過具體工程實例和相關(guān)施工圖，向?qū)W生介紹一些常見的結(jié)構(gòu)構(gòu)造細部做法、混凝土結(jié)構(gòu)施工圖平面表示法等，拓展學生的專業(yè)素質(zhì)，提高學生的學習能力、查找資料能力。

（6）改革考核方式。為達到應(yīng)用型人才的培養(yǎng)要求，改變考核方式，參照注冊工程師考試形式，允許學生攜帶教材，著重考核學生運用所學理論知識解決實際工程問題的能力，有助于學生對規(guī)范的理解，有助于畢業(yè)后工作中通過執(zhí)業(yè)資格考試，有助于工程能力培養(yǎng)，達到應(yīng)用型人才培養(yǎng)的要求。

五、結(jié)語

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計是一門綜合性、實踐性強的課程，對其教學內(nèi)容、教學方式進行改革，由單純傳授知識向培養(yǎng)工程能力轉(zhuǎn)變，取得了一定的成果。但由于教學改革是一項系統(tǒng)工程，加上各種因素的影響，該課程的改革還有很多事情要做，只有不斷努力和實踐，才能達到“卓越工程師”的人才培養(yǎng)目標。

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