高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計教學(xué)改革探索

□王 敏

近年來，隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市化水平逐年提高，城市人口快速增多，高層建筑的建設(shè)在民用建筑建設(shè)量中占相當(dāng)大的比重。土木工程專業(yè)本科生畢業(yè)后，其中很多人在其職業(yè)生涯中會不同程度地介入高層建筑建設(shè)的策劃、設(shè)計、施工或監(jiān)理等領(lǐng)域的工作，這就要求他們對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計有一個系統(tǒng)而深入的認識。為此，各高校土木工程專業(yè)都將《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計》設(shè)為主干課程，甚至是核心課程。在學(xué)校，該課程為土木工程專業(yè)的專業(yè)技術(shù)必修課程，是結(jié)構(gòu)設(shè)計類系列課程的主要課程，開設(shè)在第6學(xué)期，前導(dǎo)課程有《結(jié)構(gòu)力學(xué)》《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》和《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計》等，同學(xué)期開設(shè)的有《建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計》等，后續(xù)課程有《PKPM輔助設(shè)計》等。該課程共32學(xué)時，其中理論課24學(xué)時，實踐課8學(xué)時，共2學(xué)分。

一、課程特點和存在的問題

高等學(xué)校土木工程專業(yè)指導(dǎo)委員會規(guī)定[1]，本課程的任務(wù)是使學(xué)生掌握高層建筑結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系布置、結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算、抗震設(shè)計基本概念和構(gòu)造措施等內(nèi)容，并能運用相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析。由此可知，本課程具有以下幾個特點。

(一)理論性強。本課程中有關(guān)框架、剪力墻、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的近似計算方法以及風(fēng)荷載的計算等內(nèi)容的理論性很強，學(xué)生學(xué)習(xí)過程中會覺得有難度且枯燥。因此，教師上課難度較大，為了確保教學(xué)效果，一方面要帶著學(xué)生努力梳理知識脈絡(luò)，另一方面也要積極調(diào)動學(xué)生的聽課積極性。

(二)綜合性強。在學(xué)生學(xué)習(xí)《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計》這門課程之前，學(xué)生對于土木工程專業(yè)的知識學(xué)習(xí)都處于構(gòu)件層次，其理論相對簡單。從《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計》開始，學(xué)生的專業(yè)知識學(xué)習(xí)從原來的構(gòu)件層次上升為結(jié)構(gòu)層次，而本課程則在該課程的基礎(chǔ)上進一步提升層次，涉及幾種結(jié)構(gòu)體系，知識體系跨度大，概念繁多，計算公式也多，要求學(xué)生將課程內(nèi)容吸收后內(nèi)化為對各種結(jié)構(gòu)體系的感性認識。但是，這種感性認識形成需要訓(xùn)練。

(三)個別知識點與其他課程重復(fù)。本課程與其他課程重復(fù)的知識點主要包括兩個方面。一方面，本課程中涉及框架的內(nèi)力計算方法，包括豎向荷載作用下的計算方法(分層力矩分配法)、水平荷載作用下的水平荷載作用下的計算方法(D值法和反彎點法)，都在《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計》這門課程進行了詳細地講解。另一方面，本課程中地震作用的計算也是《建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計》課程中的重點內(nèi)容。

(四)課程內(nèi)容與規(guī)范深入相關(guān)。本課程旨在教授學(xué)生高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，而結(jié)構(gòu)設(shè)計除了要準確計算結(jié)構(gòu)內(nèi)力，還要符合相關(guān)規(guī)范[2～5]的規(guī)定。因此，本課程的很多內(nèi)容涉及到規(guī)范條文，如房屋建筑的最大適用高度和高寬比、規(guī)則性、樓層最小地震剪力系數(shù)、樓層地震剪力調(diào)整、結(jié)構(gòu)變形驗算、抗震等級和構(gòu)造措施等[6]。眾所周知，規(guī)范內(nèi)容相對枯燥，如果教師單就規(guī)范內(nèi)容進行講解，學(xué)生很難理解這些規(guī)范條文的應(yīng)用情況和深意。如此一來，規(guī)范條文對于學(xué)生來說，僅僅就只是紙上的、空洞的文字或符號，考試結(jié)束后即會忘記，難以在其今后的職業(yè)生涯中發(fā)揮專業(yè)指導(dǎo)作用。

(五)學(xué)時偏少。鑒于本課程的上述理論性強、綜合性強和與規(guī)范深入相關(guān)等特點，可想而知，若要學(xué)生較好地掌握本課程的教學(xué)內(nèi)容，32學(xué)時相對偏少，學(xué)生的學(xué)習(xí)強度和難度較大。

二、改革后的教學(xué)模式

本課程是土木工程專業(yè)本科生在畢業(yè)前的最后一個環(huán)節(jié)——畢業(yè)設(shè)計的重要理論基礎(chǔ)。因此，學(xué)生對本課程教學(xué)內(nèi)容的掌握情況關(guān)乎學(xué)生畢業(yè)設(shè)計的質(zhì)量。為了確保畢業(yè)設(shè)計的順利進行，應(yīng)積極促進學(xué)生對本課程的學(xué)習(xí)積極性和應(yīng)用水平，建議采取如下幾項措施。

(一)精簡課程內(nèi)容，突出重點。在開課前，做好授課計劃的整體設(shè)計。在滿足教學(xué)大綱的前提下，篩分出本課程中一些在先修課程中系統(tǒng)學(xué)習(xí)過的知識點，如分層力矩分配法、D值法和反彎點法、地震作用的計算等，在授課計劃中對這些重復(fù)內(nèi)容進行淡化。同時，梳理出本課程中的重點內(nèi)容，如風(fēng)荷載的計算、延性設(shè)計概念及其實現(xiàn)方式等。在授課過程中，由于新舊知識的銜接和邏輯性需要，不可避免地要提及上述重復(fù)知識，此時需把握好分寸，時刻關(guān)注根據(jù)學(xué)生的課堂表現(xiàn)，只要學(xué)生對已學(xué)的先修知識掌握程度足夠，就不再對那些知識過多講解，并及時過渡到本課程的新內(nèi)容，以便突出本課程的重點內(nèi)容。

(二)案例教學(xué)。設(shè)計案例，通過案例教學(xué)，訓(xùn)練學(xué)生的感性認識，培養(yǎng)學(xué)生的綜合工程能力。例如，概念設(shè)計是本課程的重點內(nèi)容，由于其自身的抽象性和高度概括性，如果不結(jié)合工程實例而僅就教材和規(guī)范條文進行講解，學(xué)生很難理解概念設(shè)計的重要性和實際應(yīng)用價值，那么就很難達成該內(nèi)容的教學(xué)目標。但是，如果將這些概念設(shè)計的抽象內(nèi)容融入具體的工程實例，讓這些工程實例成為概念設(shè)計植根的“土壤”，那么概念設(shè)計就會在這些“土壤”中生根、發(fā)芽、生長，學(xué)生就可以獲得關(guān)于概念設(shè)計的感性認識，從而形成綜合性的實際工程能力。

案例教學(xué)可以拆分成以下步驟，逐步實現(xiàn)。第一步，由授課教師結(jié)合工程實例講解概念設(shè)計的相關(guān)內(nèi)容。注意，此時已經(jīng)引入工程實例，并不是教材或規(guī)范條文的枯燥講授。第二步，由授課教師設(shè)計工程案例，由學(xué)生分組討論，用概念設(shè)計的知識對該工程案例的整體工作性能進行預(yù)判，并以組為單位陳述各組的看法。這一過程就是學(xué)生自主學(xué)習(xí)的過程，將第一步中教師的教學(xué)內(nèi)容消化、吸收，內(nèi)化為自己的工程能力。第三步，各組對其他各組的預(yù)判結(jié)果進行點評，提出肯定或質(zhì)疑。該步驟的主要目的是希望各組之間互相啟發(fā)，并補充認識。第四步，如果各組認為有必要修正本組看法，可以對本組的看法提出修正，重新發(fā)布本組看法。這一主動修正認識的過程，就是學(xué)生自主學(xué)習(xí)的深化過程。第五步，由授課教師對各組的看法分別進行點評，并根據(jù)概念設(shè)計的各知識點評價該工程案例的工作性能。

顯然，傳統(tǒng)的“填鴨式”教學(xué)模式只能完成上述五個步驟中的第一步，而這一“案例式”教學(xué)模式則讓學(xué)生在上述五個步驟中不斷修正、深化自己的認識，逐步形成感性認識，最終形成綜合工程能力。而且，“案例式”教學(xué)過程中，課程氣氛活躍，學(xué)生的課堂參與程度高，不難預(yù)見其教學(xué)效果會明顯提高。

(三)以PKPM程序為平臺進行實踐教學(xué)。通過上一步的案例教學(xué)，學(xué)生已經(jīng)可以較好地掌握結(jié)構(gòu)布置的基本原則，但仍止步于紙上談兵。另外，對于一些其他設(shè)計要求、設(shè)計參數(shù)或知識點，如抗震設(shè)防類別、抗震等級、重力二階效應(yīng)、變形驗算等設(shè)計要求或設(shè)計參數(shù)，又如不同結(jié)構(gòu)體系的性能特點和對風(fēng)荷載或地震作用的敏感程度等知識點，學(xué)生只有通過親身實踐才能獲得相對深刻的感性認識。為此，以PKPM程序為平臺，讓學(xué)生在該平臺進行實踐教學(xué)。

例如，可設(shè)計如下實踐教學(xué)。第一步，由教師引導(dǎo)學(xué)生在PKPM程序中建立框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)各一個，并分別進行結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析。學(xué)生在進行結(jié)構(gòu)布置時，必然將再次用到案例教學(xué)中結(jié)構(gòu)布置的相關(guān)知識。結(jié)構(gòu)布置完成后，學(xué)生需要選定設(shè)計參數(shù)，如抗震設(shè)防烈度、抗震等級、風(fēng)荷載等，在此過程中可將這些本來僅存在于教材或規(guī)范上的、枯燥的規(guī)范條文在實踐教學(xué)中具體化，讓學(xué)生在實際操作中體會到這些規(guī)范條文的具體用途。第二步，結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析結(jié)束后，引導(dǎo)學(xué)生在內(nèi)力分析結(jié)果中查看有關(guān)變形驗算、重力二級效應(yīng)、樓層最小地震剪力系數(shù)、軸壓比等參數(shù)的計算結(jié)果，讓學(xué)生在實際算例中理解并強化這些規(guī)范條文的實際用途和意義。第三步，可以讓學(xué)生就三種不同結(jié)構(gòu)體系的受力特性進行對比，分析不同結(jié)構(gòu)體系受力特征的差異以及它們對風(fēng)荷載或地震作用的敏感性的差異。規(guī)范對這三種結(jié)構(gòu)體系的最大適用高度的規(guī)定有明顯差異，學(xué)生在上述案例教學(xué)中已經(jīng)了解這一點，但并不能深刻理解其中的內(nèi)在原因。在本實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，教師可引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)內(nèi)力分析結(jié)果顯示的三種結(jié)構(gòu)體系受力特征的差異，理解該規(guī)范條文的內(nèi)在原因，深化學(xué)生的認識。

通過這一實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，可以促使學(xué)生進一步掌握不同結(jié)構(gòu)體系的結(jié)構(gòu)布置原則，加強學(xué)生對不同結(jié)構(gòu)體系受力特征和抗震性能的感性認識，從而深化學(xué)生對規(guī)范的理解，并將其內(nèi)化為學(xué)生的綜合工程能力。另外，該實踐教學(xué)環(huán)節(jié)可為畢業(yè)設(shè)計的順利、高質(zhì)完成打下堅實的基礎(chǔ)。

(四)協(xié)同備課，合理安排學(xué)時，必要時增加學(xué)時。從上面的實踐教學(xué)可知，要實現(xiàn)該實踐教學(xué)，要在PKPM程序里花費不少學(xué)時。本課程總共32學(xué)時，其中理論24學(xué)時，實踐8學(xué)時。顯然，8學(xué)時的實踐教學(xué)學(xué)時無法滿足上述案例教學(xué)和實踐教學(xué)的需要。而本課程是土木工程專業(yè)的高階課程，課程內(nèi)容的理論性和綜合性強，壓縮僅有24學(xué)時的理論學(xué)時的可能性很小。為了不顯著增加學(xué)時，建議將本課程和PKPM課程協(xié)同備課，將本課程的一部分實踐教學(xué)植入PKPM課程中。具體而言，就是要求學(xué)生在PKPM課程中完成本課程的實踐教學(xué)中結(jié)構(gòu)模型的建立和內(nèi)力分析，而在本課程中對模型的內(nèi)力分析結(jié)果進行判斷。

可想而知，要實現(xiàn)這一想法，需要滿足以下條件。第一，這兩門課程需開設(shè)在同一學(xué)期。第二，這兩門課程教學(xué)內(nèi)容的銜接需經(jīng)過精妙設(shè)計。本課程實踐教學(xué)開始時，PKPM的基本操作流程應(yīng)該已經(jīng)在該課程中講授和初步操作完畢，接下來完整系統(tǒng)性地建模分析可直接借用本課程的實踐教學(xué)內(nèi)容。也就是說，將本課程以PKPM為平臺的實踐教學(xué)在PKPM課程中完成，同時作為PKPM課程的軟件實際操作教學(xué)內(nèi)容。第三，在兩門課程最終考核時可按不同權(quán)重分別考慮學(xué)生在這一實踐教學(xué)中的表現(xiàn)。

(五)調(diào)整考核方式，優(yōu)化考核效果。顯然，從上述改革后的教學(xué)模式來看，其更加注重學(xué)生對于知識的應(yīng)用能力。這種應(yīng)用能力就體現(xiàn)在每個學(xué)生在案例教學(xué)和實踐教學(xué)中表現(xiàn)。每個學(xué)生表現(xiàn)的差異就體現(xiàn)了其對于知識掌握程度的差異。學(xué)以致用是教學(xué)的最大目的，因此在本課程的綜合性考核中應(yīng)考慮學(xué)生在案例教學(xué)和實踐教學(xué)中的表現(xiàn)，且比重宜適當(dāng)，不宜過小。

三、結(jié)語

《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計》是土木工程專業(yè)本科階段的高階課程，有著較強的理論性和綜合性。一方面，該課程對學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計起著重要作用；另一方面，該課程對學(xué)生今后可能從事高層建筑建設(shè)的策劃、設(shè)計、施工或監(jiān)理等領(lǐng)域的工作時有著重要指導(dǎo)作用。為了讓學(xué)生較好地掌握該課程的內(nèi)容，可在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和考核方式做出一系列探索性改革，培養(yǎng)學(xué)生的綜合工程能力，實現(xiàn)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標。