本科生橋梁概念設(shè)計課程教學(xué)探討

賈麗君+阮欣+肖汝誠

摘要：隨著行業(yè)發(fā)展，復(fù)合型卓越人才是工程人才培養(yǎng)的重要發(fā)展趨勢和方向。目前，國內(nèi)各大高校開展的橋梁工程教學(xué)主要側(cè)重于各專業(yè)課程的設(shè)置，而缺乏對工程概念設(shè)計的整體性把握，為此，同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系開設(shè)了橋梁概念設(shè)計課。文章介紹橋梁概念設(shè)計課程的教學(xué)思想和理念、教學(xué)具體設(shè)計方案以及教學(xué)內(nèi)容，分析課程對提升學(xué)生能力素質(zhì)的作用，為提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果提供借鑒。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；設(shè)計理念；概念生成；課程改革

中圖分類號：G6423；TU997 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-2909（2017）04-0079-04

“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)劃的重大改革項目，也是促進(jìn)中國由工程教育大國邁進(jìn)工程教育強(qiáng)國的重要舉措。其宗旨是強(qiáng)化大學(xué)本科教育階段學(xué)生實際工程能力的培養(yǎng)，提高學(xué)生工程意識、工程素質(zhì)和工程實踐能力，培養(yǎng)創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)企業(yè)發(fā)展的優(yōu)秀工程師，以滿足科學(xué)技術(shù)和社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展對工程型人才的需求。

同濟(jì)大學(xué)從1998年開始實施寬口徑人才培養(yǎng)措施，土木工程專業(yè)本科生前兩年進(jìn)行公共基礎(chǔ)課及專業(yè)基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)。第三學(xué)年根據(jù)個人意愿以及擇優(yōu)錄取的原則，進(jìn)入橋梁工程課群組進(jìn)行更為專業(yè)的橋梁方向?qū)W習(xí)[1]。在前期的公共專業(yè)課中，更為強(qiáng)調(diào)的是具體學(xué)科知識的掌握與運用，缺乏對橋梁工程的宏觀把握。

工程中常因橋梁結(jié)構(gòu)體系選擇不當(dāng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)缺陷，造成投資浪費或橋梁壽命縮短甚至倒塌等災(zāi)難性后果；常因缺乏橋梁結(jié)構(gòu)體系理論指導(dǎo)，缺少參數(shù)優(yōu)化而不能實現(xiàn)更好的結(jié)構(gòu)性能；常因創(chuàng)新不足，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)形式單一，或者為了標(biāo)新立異，作畫蛇添足之舉[2]。而橋梁概念設(shè)計作為土木工程專業(yè)橋梁課群組的新設(shè)專業(yè)課，在前期專業(yè)知識積累的基礎(chǔ)上，旨在培養(yǎng)本科生的創(chuàng)新思維，運用創(chuàng)新技術(shù)的理念，增強(qiáng)整體認(rèn)識，避免“只見樹木，不見森林”的弊端，培養(yǎng)本科生設(shè)計橋梁的綜合能力。

一、教學(xué)思想和教學(xué)理念

（一）國內(nèi)現(xiàn)狀

在20世紀(jì)50至60 年代，工科教材大都使用從蘇聯(lián)翻譯過來的實用性教材，講授按規(guī)范進(jìn)行設(shè)計的方法。改革開放后，開始按學(xué)科設(shè)系，逐漸向國際體制轉(zhuǎn)變，但行業(yè)的影響力依舊存在。新版《橋梁工程》教材，除按新頒布的規(guī)范

作了必要修改外，篇、章、節(jié)安排上基本還是沿襲老教材體系，并沒有本質(zhì)上的改變，在教學(xué)理念和方法上也沒有完全擺脫蘇聯(lián)工科教學(xué)模式的影響。這種傳統(tǒng)的教學(xué)方法使學(xué)生易形成思維定式，限制了學(xué)生的創(chuàng)新思維[3]。

（二）國際先進(jìn)理念

橋梁工程在學(xué)科上屬土木工程的分支，在功能上是交通工程的咽喉[4]。2006年，德國柏林工業(yè)大學(xué)土木系的M. Schlaich教授曾在國際橋協(xié)布達(dá)佩斯年會上作了題為《對教育的挑戰(zhàn)——概念和結(jié)構(gòu)設(shè)計》的報告，介紹了柏林工業(yè)大學(xué)正在進(jìn)行的土木工程教育改革，將傳統(tǒng)按材料劃分的“鋼結(jié)構(gòu)”教研室和“混凝土”教研室合并更名為“概念和結(jié)構(gòu)設(shè)計”教研室，不再分別講授鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計和混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的分析方法和設(shè)計方法，改為面對所有建筑材料按結(jié)構(gòu)類型（橋梁、高層建筑和空間結(jié)構(gòu)）講授概念設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計，并且加強(qiáng)對學(xué)生創(chuàng)新理念和能力的培養(yǎng)，不僅訓(xùn)練結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本功，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行概念設(shè)計的創(chuàng)造能力[5]。

（三） 課程理念改革與探索

近幾年來，對“錢學(xué)森之問——為什么我們的學(xué)?？偸桥囵B(yǎng)不出杰出人才”這一命題的熱議說明中國工程教育改革的緊迫性和必要性。同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院橋梁工程系配合“卓越工程師”培養(yǎng)計劃，為本科生開設(shè)了橋梁概念設(shè)計這一門全新的課程，以培養(yǎng)新一代橋梁工程師的概念設(shè)計能力，克服中國橋梁在創(chuàng)新理念、工程質(zhì)量和美學(xué)考慮三方面的不足，為中國在21世紀(jì)通過自主創(chuàng)新，從橋梁大國走向橋梁強(qiáng)國貢獻(xiàn)一份力量。

二、教學(xué)具體設(shè)計方案

（一）知識講授

改變以往“教師講，學(xué)生聽”的單向教學(xué)模式，推行探究式、討論式、案例式、參與式、小班制等教學(xué)方式。保留部分課堂講授內(nèi)容，作為專業(yè)基礎(chǔ)知識的介紹與引導(dǎo)，結(jié)合小組討論

深入講解。整個課程中，結(jié)合概念設(shè)計習(xí)題，將專業(yè)知識應(yīng)用于實際工程，并鼓勵技術(shù)創(chuàng)新，使學(xué)生獲得更為真實的工程實踐體驗，對專業(yè)知識理解更為透徹。

（1）課堂講授。橋梁概念設(shè)計的概念、創(chuàng)新設(shè)計構(gòu)思和總體布置方法以及結(jié)構(gòu)安全性驗證。

（2）小組討論。分組討論，加深對概念設(shè)計的理解，探討給定建橋條件和功能情況下的方案構(gòu)思與比選。

（3）習(xí)題練習(xí)。根據(jù)具體建橋的條件和功能要求，開展設(shè)計構(gòu)思和總體布置，力求技術(shù)創(chuàng)新。

（二） 能力培養(yǎng)

在課程中，通過習(xí)題練習(xí)等，精心設(shè)計訓(xùn)練環(huán)節(jié)，著重培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，如學(xué)習(xí)能力、動手能力、表達(dá)能力、交流能力、溝通能力等。通過學(xué)生完成作業(yè)或習(xí)題等提高對知識的掌握程度。在學(xué)習(xí)中發(fā)現(xiàn)問題，并應(yīng)用知識解決問題。在課堂教學(xué)中引入系統(tǒng)思維和創(chuàng)造性思維的概念，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，通過科學(xué)的思維方式，引導(dǎo)學(xué)生解決抽象和復(fù)雜問題。

（三）人格養(yǎng)成

面對現(xiàn)在規(guī)模日益龐大的工程項目，除了扎實的專業(yè)知識外，工程倫理、團(tuán)隊配合及工程管理日益成為工程能否順利實施的重要影響因素。在課程中，授課教師以專業(yè)的知識、精彩的授課內(nèi)容感染學(xué)生、影響學(xué)生的同時，以理論知識和經(jīng)驗結(jié)合構(gòu)建專業(yè)知識框架，組成實踐訓(xùn)練體系，讓學(xué)生體驗更為真實的工程環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊合作精神與責(zé)任心。

（四）考核方式

在考核方式上，改變了以往以試卷評價為主的單一形式，將綜合能力和人格養(yǎng)成作為評價的重要內(nèi)容，建立多元化評價制度。采用平時訓(xùn)練、專題設(shè)計結(jié)合的形式進(jìn)行綜合評價，注重學(xué)生知識、能力、人格等方面的協(xié)調(diào)發(fā)展。

三、 教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時分配endprint

（一） 教學(xué)內(nèi)容

教學(xué)內(nèi)容包括概論、建橋的自然條件和功能要求、設(shè)計構(gòu)思和總體設(shè)計、結(jié)構(gòu)安全性驗證、橋梁概念設(shè)計實例以及習(xí)題練習(xí)6個方面。

（1）概論部分首先從橋梁的基本組成和分類，發(fā)展動態(tài)，概念設(shè)計目的、意義、基本原則以及創(chuàng)新理念的建立等角度進(jìn)行綜合闡述。在學(xué)習(xí)開始之初即引導(dǎo)學(xué)生形成整體且較為全面的認(rèn)識。

（2）建橋的自然條件和功能要求部分著重介紹河勢、水文、氣候氣象、地形地貌、地質(zhì)水質(zhì)等自然條件，并通過工程實例闡述如何分析、運用這些資料，使概念設(shè)計適合、滿足這些基礎(chǔ)條件。

概念設(shè)計階段，一方面，在理解、消化這些資料的基礎(chǔ)上抓住其核心控制要素和控制性條件，從而有助于學(xué)生形成整體的構(gòu)思。另一方面，可以用于總體和關(guān)鍵構(gòu)件的計算和分析，驗證和調(diào)整先前的構(gòu)思和布置。

（3）設(shè)計構(gòu)思和總體布置主要包括以下幾個方面：各種橋型的適用范圍和極限，橋式創(chuàng)新構(gòu)思和分孔布局，橋梁平、縱、橫斷面設(shè)計，各種基礎(chǔ)形式的特點和適用條件，影響經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的技術(shù)因素，橋梁美學(xué)設(shè)計以及橋梁設(shè)計方案的比選。

這部分內(nèi)容中，各種橋型的基礎(chǔ)知識，無論適用范圍和極限，還是平、縱、橫斷面設(shè)計，都是整個課程的基礎(chǔ)。各種橋型有其發(fā)展歷史、受力特點以及適用性等，只有通過不斷學(xué)習(xí)、積累，才能保證學(xué)生對各類橋型有正確認(rèn)識，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新。概念設(shè)計必須符合經(jīng)濟(jì)性要求，經(jīng)濟(jì)合理的創(chuàng)新才是真正有意義的創(chuàng)新。在之前了解各種橋型發(fā)展歷史、受力特點等基礎(chǔ)知識，學(xué)會用經(jīng)濟(jì)的觀點進(jìn)行概念設(shè)計和選擇。在上述基礎(chǔ)上，綜合考慮美學(xué)設(shè)計等方面，從而達(dá)到橋梁設(shè)計各方面的統(tǒng)一。

（4）結(jié)構(gòu)安全性驗證包含從設(shè)計到施工直至管養(yǎng)全過程的安全性驗證。在設(shè)計階段，要求對橋梁承受的荷載種類、大小以及相應(yīng)的重要力學(xué)驗算手段有較為宏觀全面的把握。

隨著社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，橋梁工程規(guī)模越來越大，系統(tǒng)功能也相應(yīng)越來越復(fù)雜，因此，除了常規(guī)的荷載外，強(qiáng)風(fēng)、地震、海嘯以及恐怖襲擊等對橋梁結(jié)構(gòu)的影響成為必須重點關(guān)注的因素。

本部分的學(xué)習(xí)通過介紹各種災(zāi)害對橋梁結(jié)構(gòu)可能造成的損傷和破壞以及耐久性問題，使學(xué)生掌握橋梁結(jié)構(gòu)抵抗各種災(zāi)害設(shè)計和耐久性設(shè)計的基本原則、基本方法和有效手段，在概念設(shè)計階段預(yù)先準(zhǔn)備結(jié)構(gòu)防災(zāi)和耐久性方案與措施。

（5）橋梁概念設(shè)計實例部分不同于上述的基礎(chǔ)知識介紹，采用課堂講授結(jié)合小組討論的方式。在對橋梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識初步了解的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體的橋梁工程項目討論分析，從而更為直觀、深入地理解理論知識。

（6）習(xí)題練習(xí)與討論部分實現(xiàn)了整個學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)的全過程閉合——從學(xué)習(xí)了解基礎(chǔ)知識到討論分析已有工程，最終完成設(shè)計工作。這一過程既是學(xué)習(xí)過程，在實際操作中發(fā)現(xiàn)知識掌握薄弱環(huán)節(jié)，在查漏補(bǔ)缺中完善對橋梁結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，也是考核過程，通過在設(shè)計過程中展示實際方案，考量學(xué)生對課程的掌握程度和理解水平，相較于單純的考試，更能反映學(xué)生真實情況和水平。

（二）學(xué)時分配

針對大多數(shù)課程偏重理論學(xué)習(xí)、忽略設(shè)計訓(xùn)練的弊端，課程將兩部分結(jié)合，學(xué)時分配如表1所示。

四、 教學(xué)實例與分析

概念設(shè)計習(xí)題：某橋由于不能滿足日益增長的交通功能需求，需拆除老橋，建新橋。原橋為飛鳥式拱橋，橋面為兩車道，要求新建橋梁與兩側(cè)道路同寬，雙向六車道，并設(shè)置人行道。新建橋除滿足通航要求外，還需具有優(yōu)美造型，滿足城市景觀要求，是一座集交通與景觀功能于一體的城市景觀橋梁。

題目依據(jù)真實工程狀況設(shè)定，并提供了該橋梁的基本資料，包括項目概況、設(shè)計規(guī)范、規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)、主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、建設(shè)條件以及橋位信息等（圖1）。在給定上述實際條件的基礎(chǔ)上，要求學(xué)生完成概念設(shè)計。通過真實的橋梁建設(shè)實例進(jìn)行模擬，有助于增強(qiáng)學(xué)生對工程實際的把握，對課程學(xué)習(xí)和未來職業(yè)生涯的開展都能提供較大幫助。

概念設(shè)計主要分為兩大階段，從不同方面檢驗了學(xué)生對概念設(shè)計全過程的理解。

1.概念設(shè)計比選階段

通過對技術(shù)指標(biāo)和建設(shè)條件分析，運用基礎(chǔ)知識進(jìn)行概念生成或方案構(gòu)思，形成多種設(shè)計方案。在此基礎(chǔ)上，綜合“3E準(zhǔn)則”——功效（Efficiency）、經(jīng)濟(jì)（Economy）、美觀（Elegance），結(jié)合創(chuàng)新要求，進(jìn)行概念選擇或方案比選，并形成推薦方案。

2.推薦方案介紹階段

推薦方案部分包括所設(shè)計方案的特點、施工方法、關(guān)鍵技術(shù)問題以及安全性認(rèn)定四方面。要求學(xué)生從上述四方面入手，綜合闡述所選擇方案的整體特點和情況，完成概念設(shè)計。此外，要注重和先修主干課相聯(lián)系，學(xué)生根據(jù)所選橋型結(jié)構(gòu)，結(jié)合專業(yè)基礎(chǔ)課程，如混凝土結(jié)構(gòu)基本原理、鋼結(jié)構(gòu)基本原理等，對所選橋型結(jié)構(gòu)初步分析，并利用橋梁結(jié)構(gòu)計算軟件，如橋梁博士、Midas Civil等進(jìn)行初步模擬計算，驗證方案可行性和合理性，鍛煉學(xué)生的思辨能力，使其全面把握橋梁結(jié)構(gòu)。

五、 結(jié)語

橋梁概念設(shè)計課程目的在于使學(xué)生了解橋梁概念設(shè)計的創(chuàng)新設(shè)計構(gòu)思和總體布置方法，形成對橋梁結(jié)構(gòu)宏觀、整體的把握。在概念設(shè)計中了解建橋條件和功能要求，開展設(shè)計構(gòu)思和總體布置，將創(chuàng)新技術(shù)的認(rèn)識提前到概念設(shè)計。加強(qiáng)對創(chuàng)新的激勵，使中國橋梁設(shè)計盡快克服不足，走出誤區(qū)，也使中國高校的橋梁工程教育盡早擺脫傳統(tǒng)教材和方法的束縛，跟上國際工程教育改革的步伐，培養(yǎng)專業(yè)技術(shù)過硬的卓越工程師。

參考文獻(xiàn)：

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[5]項海帆.橋梁概念設(shè)計[M].北京：人民交通出版社，2011.

Abstract：With the development of civil engineering industry， cultivating excellent engineers with comprehensive abilities is an important trend and direction. Currently， universities mostly focus on specialized curriculum， but lack overall grasp of design concept. For this purpose， Tongji University offers bridge conceptual design course for undergraduate students. This paper introduced the teaching characteristics and ideas of bridge conceptual design. Teaching strategy and content are also illustrated. Moreover， analysis of professional quality improvement for the students provides a reference for teaching effect.

Keywords： bridge engineering； design concept； concept generalization； curriculum reform

（編輯 周 沫）endprint