新工科背景下《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計》實驗設(shè)計與教學(xué)實踐研究

張文華

摘要：在新工科建設(shè)和我國建筑工業(yè)化進程不斷推進的大背景下，《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計》課程試驗急需重大變革。文章從提出增加與裝配式建筑設(shè)計理論、計算、施工、安裝相關(guān)的內(nèi)容出發(fā)，建立裝配式結(jié)構(gòu)虛擬仿真試驗平臺，并提出增設(shè)裝配式構(gòu)件組裝與節(jié)點連接的課程試驗內(nèi)容的三點改革措施。

關(guān)鍵詞：新工科;混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計;課程設(shè)計;教學(xué)實踐

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）52-0279-02

一、前言

隨著時代的進步與科技的迅猛發(fā)展，人類已經(jīng)由大工業(yè)時代進入了大數(shù)據(jù)和人工智能的時代，以計算機為核心的全新智能革命時代已來臨。為了適應(yīng)新工科時代的到來，2017年2月，教育部在復(fù)旦大學(xué)召開了高等工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會，同年4月在天津大學(xué)召開新工科建設(shè)研究會，同年6月在北京召開新工科研究與實踐專家組成立暨第一次工作會議，全面啟動新工科建設(shè)。三次會議的召開，預(yù)示著新工科時代理念正式進入到現(xiàn)代高校的教育體系中，將對我國高等學(xué)校的教育起到積極的促進作用[1，2]。

新工科專業(yè)，主要指針對新興產(chǎn)業(yè)的專業(yè)，以互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)智能為核心，包括大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、區(qū)塊鏈、虛擬現(xiàn)實、智能科學(xué)與技術(shù)等相關(guān)工科專業(yè)。與新工科專業(yè)相對應(yīng)的，土木工程、電氣工程、機械工程、化學(xué)工程等傳統(tǒng)的工科專業(yè)就是傳統(tǒng)工科專業(yè)[3]。

另一方面，2013年1月1日，國務(wù)院辦公廳轉(zhuǎn)發(fā)了發(fā)展改革委和住房城鄉(xiāng)建設(shè)部的《綠色建筑行動方案》，明確提出將“推廣建筑工業(yè)化，發(fā)展綠色建筑”列為十大重要任務(wù)[4]。裝配式建筑是一種在構(gòu)件預(yù)制工廠生產(chǎn)構(gòu)件，然后運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場進行拼裝的施工方法。

土木工程專業(yè)是一個傳統(tǒng)的專業(yè)，現(xiàn)在的理論和建造技術(shù)已經(jīng)比較成熟。在新工科建設(shè)和我國建筑工業(yè)化進程不斷推進的大背景下，我國土木工程行業(yè)面臨著前所未有的挑戰(zhàn)，與此同時，人工智能、大數(shù)據(jù)、3D打印等新興科技和國家宏觀戰(zhàn)略的刺激，也為土木工程行業(yè)帶來了革新的最強勁動力。土木工程專業(yè)相關(guān)課程，同樣需要進行深入的變革[2]。

二、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計》課程試驗的現(xiàn)狀

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計》是土木工程專業(yè)最為核心的課程，也是課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計等實踐環(huán)節(jié)的重要基礎(chǔ)。《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計》課程中的理論源于工程實際，真實混凝土結(jié)構(gòu)中梁、板、柱等構(gòu)件受力機理復(fù)雜、性能分析較為困難，難以直接利用理論力學(xué)、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)中的公式直接推導(dǎo)，都是基于大量試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合實際工程經(jīng)驗，提出符合構(gòu)件受力和變形規(guī)律的基本假定，從而推導(dǎo)出混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力計算方法和理論[5]。

隨著計算機、大數(shù)據(jù)、人工智能、3D打印等新工科技術(shù)的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計》課程試驗已不能滿足知識、能力、素質(zhì)并重的新型工程設(shè)計人才的培養(yǎng)要求。此外，已有的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計》課程試驗主要包括單筋矩形截面梁正截面破壞、斜截面破壞和偏心受壓柱破壞三個試驗，并未體現(xiàn)與建筑工業(yè)化和裝配式建筑相關(guān)的部分。因此，《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計》課程試驗教學(xué)改革迫在眉睫。

三、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計》課程實驗設(shè)計與教學(xué)改革措施

（一）強化《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計》中裝配式建筑部分內(nèi)容

由高等教育出版社出版、沈蒲生主編的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計》（第4版）中，對于裝配式建筑的內(nèi)容，主要體現(xiàn)在第一章梁板結(jié)構(gòu)中的“1.5裝配式梁板結(jié)構(gòu)”。該部分介紹了預(yù)制板、梁形式及特點，預(yù)制梁、板結(jié)構(gòu)布置，裝配式梁板結(jié)構(gòu)連接構(gòu)造以及裝配式梁、板計算特點，共四部分內(nèi)容。該部分主要對裝配式梁板結(jié)構(gòu)的概念進行了介紹，所涉及的內(nèi)容較為簡單，沒有系統(tǒng)地講解關(guān)于裝配式的理論的計算。然而，目前版本的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計》其他章節(jié)中，找不到關(guān)于裝配式結(jié)構(gòu)的內(nèi)容，并且經(jīng)過近十幾年的發(fā)展，裝配式建筑無論是從設(shè)計與計算理論，還是相應(yīng)的施工方法，都有了非常大的進步。

由郭學(xué)明編著、機械工業(yè)出版社出版的《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計、制作與施工》，是近年來一本關(guān)于裝配式建筑較好的書籍，該書從混凝土裝配式建筑的發(fā)展現(xiàn)狀、技術(shù)特點入手，結(jié)合國際的先進技術(shù)和國內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r，共分五篇26章，全面系統(tǒng)地介紹了裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的材料特點、設(shè)計原則、制作要點及施工工藝流程，為廣大讀者認(rèn)識裝配式建筑提供了很好的文獻資料。

（二）增設(shè)裝配式結(jié)構(gòu)虛擬仿真試驗平臺

目前對于裝配式建筑的教學(xué)更多的是在課堂中運用多媒體信息手段進行理論教學(xué)，非常缺乏實踐性環(huán)節(jié)，學(xué)生難以形成直觀的認(rèn)知。裝配式建筑教學(xué)試驗室建設(shè)方面還處于起步階段，設(shè)置儀器不夠完善，雖然可能有建筑實體模型，但構(gòu)件模型是靜態(tài)的，難以重現(xiàn)構(gòu)件安裝裝配的整個流程，更不能使學(xué)生明白在裝配的過程中構(gòu)件的吊裝以及關(guān)鍵節(jié)點的處理難題。因此，如何將實際工程的裝配技術(shù)流程向試驗教學(xué)方面轉(zhuǎn)化，是目前裝配式建筑教學(xué)中一個急需解決的重要問題。

隨著VR技術(shù)和電腦科技的發(fā)展，建立裝配式結(jié)構(gòu)虛擬仿真試驗平臺，是新工科背景下土木工程專業(yè)培養(yǎng)人才的有效方式。虛擬仿真試驗平臺包含混凝土構(gòu)件預(yù)制階段、運輸階段、吊裝階段、后續(xù)施工階段等裝配式項目流程，通過真實細(xì)致的三維構(gòu)件模型以及逼真的施工大環(huán)境渲染效果，讓學(xué)生猶如置身于真實的施工現(xiàn)場進行構(gòu)件生產(chǎn)和現(xiàn)場裝配的模擬、動態(tài)演示、交互式操作實訓(xùn)。不同類型工程案例的VR漫游都能使得學(xué)生在沉浸式建筑施工環(huán)境中針對不同裝配式建筑形成過程產(chǎn)生感性的認(rèn)識，成為土木工程專業(yè)學(xué)生掌握和理解裝配式建筑專業(yè)的有效工具，同時也是學(xué)生融會貫通專業(yè)知識點和技能點的有效手段。

（三）增設(shè)裝配式構(gòu)件組裝與節(jié)點連接課程試驗

裝配式建筑構(gòu)件與構(gòu)件之間相互連接的節(jié)點是裝配式建筑的薄弱環(huán)節(jié)，也是結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下應(yīng)力集中的區(qū)域，非常容易發(fā)生破壞，預(yù)制構(gòu)件的連接技術(shù)是裝配式建筑的關(guān)鍵、核心的技術(shù)。近年來，土木領(lǐng)域的科研工作者對裝配式結(jié)構(gòu)的節(jié)點連接展開了較為深入的研究，更新了眾多傳統(tǒng)的技術(shù)，無論連接方式還是節(jié)點的連接材料，都有了非常巨大的進步。然而，在目前版本的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計》中，無論是基礎(chǔ)知識理論還是具體的施工方法，都沒有相關(guān)的知識內(nèi)容。

目前國內(nèi)裝配式建筑采用較多的結(jié)構(gòu)形式是裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)，根據(jù)預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)連接節(jié)點的施工方法，梁柱連接方式主要有濕連接和干連接兩種。濕連接是指構(gòu)件在預(yù)制過程中在特定位置預(yù)留孔洞、套筒和連接筋，在現(xiàn)場安裝的過程中往套筒內(nèi)灌入高強灌漿料連接的方式。濕連接整體性好，抗震性能優(yōu)于干連接，但是節(jié)點核心區(qū)連接復(fù)雜，施工難度大，難以保證連接質(zhì)量，且不符合節(jié)能環(huán)保的要求。目前現(xiàn)階段濕連接的運用更為廣泛，《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》推薦的鋼筋套筒灌漿連接和鋼筋漿錨搭接兩大濕連接方式。

四、結(jié)論

1.目前的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計》課程試驗已不能滿足新工科和我國建筑業(yè)迅猛發(fā)展的需求，對土木工程專業(yè)學(xué)生的知識、能力、素質(zhì)并重的新型工程設(shè)計人才提出了更高的要求，《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計》課程試驗改革迫在眉睫。

2.現(xiàn)有的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計》課程及課程試驗中裝配式建筑部分內(nèi)容缺乏或者內(nèi)容較弱，應(yīng)增加與裝配式建筑設(shè)計理論、計算、施工、安裝相關(guān)的內(nèi)容。

3.建立裝配式結(jié)構(gòu)虛擬仿真試驗平臺，使其成為土木工程專業(yè)學(xué)生掌握和理解裝配式建筑專業(yè)的有效工具，這一手段是新工科背景下土木工程專業(yè)培養(yǎng)人才的有效新方式。

4.為了便于土木工程專業(yè)學(xué)生快速地適應(yīng)我們建筑行業(yè)快速發(fā)展的需求，增設(shè)裝配式構(gòu)件組裝與節(jié)點連接的課程試驗內(nèi)容勢在必行。

參考文獻：

[1]百度詞條.新工科[Z].2019.

[2]孫峻.“新工科”土木工程人才創(chuàng)新能力培養(yǎng)[J].高等建筑教育.2018，27（02）：5-9.

[3]百度詞條.傳統(tǒng)工科專業(yè)[Z].2019.

[4]中華人民共和國國務(wù)院.國務(wù)院辦公廳以國辦發(fā)〔2013〕1號轉(zhuǎn)發(fā)國家發(fā)展改革委、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部制訂的《綠色建筑行動方案》[Z].2013.

[5]徐明，李紅兵，肖士者，等.基于虛擬儀器的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計原理實驗教學(xué)演示系統(tǒng)設(shè)計[J].高等建筑教育，2015，24（06）：141-145.