校園景觀式結(jié)構(gòu)實驗教學(xué)基地的建設(shè)模式研究

王 強, 郭 凱, 劉 琳, 賈連光

(沈陽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110168)

土木工程是一門強調(diào)實踐與理論相結(jié)合的科學(xué)。實驗教學(xué)是土木工程專業(yè)教育的一個重要環(huán)節(jié),對培養(yǎng)土木工程專業(yè)人才、體現(xiàn)專業(yè)化教育具有重要意義,同時也是專業(yè)學(xué)習(xí)的重點內(nèi)容,對培養(yǎng)學(xué)生興趣、鞏固專業(yè)知識、提高實踐能力具有不可替代的作用[1-3]。完善的實驗教學(xué)基地建設(shè)可以使專業(yè)實驗教學(xué)更充分,啟蒙學(xué)生專業(yè)認同感并把所學(xué)知識運用到工程實踐中[4-6],增加學(xué)生對土木建設(shè)行業(yè)的感性認知,為專業(yè)學(xué)習(xí)打下良好基礎(chǔ),啟示未來專業(yè)發(fā)展方向。

1 實驗教學(xué)基地發(fā)展現(xiàn)狀及存在問題

隨著我國經(jīng)濟實力的提高,基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進步顯著,土木工程專業(yè)得到了巨大發(fā)展,越來越多的高校開設(shè)了土木工程及其相關(guān)專業(yè)。2017年12月,教育部學(xué)位與研究生教育發(fā)展中心公布的全國第四輪學(xué)科評估結(jié)果顯示,土木工程專業(yè)參評高校共計已達314所之多[7]。各高校對實驗教學(xué)都是極為重視的,大多數(shù)高校都有自己的實驗教學(xué)中心。對于場地有特殊要求的實踐環(huán)節(jié),如工程地質(zhì)實習(xí)、工程認識實習(xí)等則多采用建設(shè)校外實習(xí)基地的方式來進行。對于土木工程結(jié)構(gòu)實驗教學(xué)而言,這種教學(xué)模式存在一些問題。

(1) 投入資源過大。建設(shè)大于1萬m2、可容納1 000名學(xué)生進行實習(xí)的實驗教學(xué)基地,投資需在幾千萬元[8-9]。緊張的實驗實習(xí)經(jīng)費,相較于這種巨額投入以及后續(xù)大量的維護費用而言,無異于杯水車薪。所以大多數(shù)學(xué)校選擇教學(xué)基地共享的方式,以秦皇島柳江盆地地質(zhì)實習(xí)基地為例,就有71個單位共用,中國地質(zhì)大學(xué)北戴河基地、周口店基地及吉林大學(xué)興城基地等都為多個高校共用[10-12]。這種共享方式雖然解決了費用問題,但也在很大程度上使基地建設(shè)多元化,對專業(yè)化的實習(xí)未必有好處。

(2) 教學(xué)基地遠離學(xué)生生活,教學(xué)效果差。對于土木工程結(jié)構(gòu)實驗教學(xué)而言,大多數(shù)實習(xí)基地均為未完成的建設(shè)工程項目,施工現(xiàn)場與學(xué)生日常生活學(xué)習(xí)的環(huán)境差距較大,在實習(xí)過程中學(xué)生很難融入現(xiàn)場環(huán)境,無法達到良好教學(xué)效果。并且實習(xí)時間通常較短,學(xué)生很難在這種短期集中的培訓(xùn)中掌握土木工程結(jié)構(gòu)的重點與難點。

(3) 安全隱患大。施工現(xiàn)場工程情況復(fù)雜,對于沒有經(jīng)過系統(tǒng)、全面安全培訓(xùn)的學(xué)生而言,存在著很大的安全隱患。實習(xí)過程中動輒幾百名甚至上千名學(xué)生的出行、交通、食宿等方面的安全需求,都是對校園外教學(xué)基地的嚴(yán)峻考驗。

2 校園景觀式結(jié)構(gòu)實驗教學(xué)基地建設(shè)

為了實現(xiàn)經(jīng)濟、便捷、安全的結(jié)構(gòu)實驗教學(xué)基地建設(shè),我校提出了校園景觀式結(jié)構(gòu)實驗教學(xué)基地建設(shè)方案。通過標(biāo)示校園內(nèi)特征結(jié)構(gòu)、引入新型建筑結(jié)構(gòu)類型、展示前沿新式結(jié)構(gòu)等方法,將土木工程的結(jié)構(gòu)與校園景觀相結(jié)合,把校園建設(shè)成為結(jié)構(gòu)實驗教學(xué)基地,體現(xiàn)“建筑育人”“景觀即專業(yè)”的教學(xué)特點,為實驗教學(xué)基地建設(shè)提供了新思路。

2.1 標(biāo)識校園內(nèi)部特征結(jié)構(gòu)

在校園建設(shè)伊始,學(xué)校有意識地采用了典型結(jié)構(gòu)與多元化方案相結(jié)合的建設(shè)理念。建筑風(fēng)格上,我校校園采用的縱橫交錯的網(wǎng)格式建筑布局極具想象力,多種結(jié)構(gòu)形式的綜合運用也是一大亮點。

(1) 教學(xué)樓整體采用了框架結(jié)構(gòu),建筑首層多處采用了敞開式庭院景觀設(shè)計,無墻體的建筑方式使框架結(jié)構(gòu)得以立體的、全方位的展示(見圖1、圖2)。

圖1 教學(xué)樓一層框架結(jié)構(gòu)

圖2 結(jié)構(gòu)實驗室框架結(jié)構(gòu)

(2) 我校擁有756 m的長廊,貫穿于教學(xué)區(qū)、科技園區(qū)、辦公區(qū)和學(xué)生生活區(qū)。整體分為3層,具有學(xué)習(xí)性、共享性、交通性、展示性等特點。長廊第3層柱距為8.1 m,長廊第1層為配合中央水系景觀,柱距增大為24 m,將第2層設(shè)計為結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層,轉(zhuǎn)換層采用斜桿桁架式結(jié)構(gòu),造型優(yōu)美流暢,同時在結(jié)構(gòu)中完成了上下層結(jié)構(gòu)荷載的傳遞(見圖3、圖4)。

圖3 長廊建筑形式

圖4 第2層為長廊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層

(3) 長廊第2層(見圖5)、商業(yè)街以及雷鋒庭院(見圖6)的上部頂棚結(jié)構(gòu)采用鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu),是典型的空間桿系結(jié)構(gòu),具有優(yōu)美的建筑造型。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在建筑平面上,可以適應(yīng)多種形狀,如圓形、三角形、扇形等; 建筑外觀方面,也可以形成多種曲面,如球面、橢圓面等; 結(jié)構(gòu)上,網(wǎng)架受力合理,可以實現(xiàn)較大的跨度,是具有廣闊發(fā)展前景的空間結(jié)構(gòu)。

圖5 長廊2層鋼網(wǎng)架

圖6 雷鋒庭院鋼網(wǎng)架

(4) 體育場主席臺(見圖7)及長廊第3層部分區(qū)域(見圖8)采用了張拉膜結(jié)構(gòu)。鋼架及鋼索通過預(yù)先張拉的方式產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力,形成空間覆蓋結(jié)構(gòu)。建筑造型優(yōu)美、覆蓋空間跨度大; 由于自重輕,受力體系簡潔合理,可形成開闊的無柱大跨度結(jié)構(gòu); 結(jié)構(gòu)自重輕,還使柔性變形能力強,抗震性能好; 由于鋼結(jié)構(gòu)、鋼索均在工廠加工制作,現(xiàn)場施工簡便,工期短。

圖7 體育場主席臺張拉膜結(jié)構(gòu)

圖8 長廊第3層張拉膜結(jié)構(gòu)

2.2 引入外部特色建筑,豐富結(jié)構(gòu)類型,增加文化底蘊

砌體結(jié)構(gòu)是建筑史上歷史最為悠久的結(jié)構(gòu)形式之一,我國磚體砌筑有2 000多年的歷史。沈陽八王寺原名大法寺,創(chuàng)建于1415年(明永樂十三年),造型宏偉壯觀,極具中國傳統(tǒng)建筑特色。2008年,八王寺由大東區(qū)邊墻路112號整體遷入我校,成為全國建筑類高校校園里唯一具有600年歷史的古建筑教學(xué)科研示范基地,并更名為“八王書院”(見圖9)。遷建過程中不僅保留了歷史遺留的建筑部件,還對缺失部分依據(jù)歷史資料進行了修補完善,成為校園內(nèi)一道優(yōu)美的風(fēng)景線。

日俄戰(zhàn)爭殘垣(見圖10)也是傳統(tǒng)的砌體結(jié)構(gòu),是在1904年日俄戰(zhàn)爭中保留下來的珍貴文物,于2009年遷入我校,除采用必要的加固措施外,基本保留了原本的歷史風(fēng)貌,墻體上的彈孔均清晰可見。

盛京施醫(yī)院(見圖11)于1883年由英國傳教士司徒閣所建。舊址位于今沈陽市大東區(qū)小河沿路44號。是沈陽最早的西醫(yī)院,后來增設(shè)奉天醫(yī)科專科學(xué)校,為中國培養(yǎng)了大批醫(yī)學(xué)人才,1948年更名為遼寧醫(yī)學(xué)院,并入中國醫(yī)科大學(xué)。這座飽經(jīng)中國東北歷史變遷的西式閣樓建筑也于2009年遷入我校。

這些歷史悠久、飽含深刻文化底蘊的建筑結(jié)構(gòu),不僅使學(xué)生學(xué)習(xí)到了建筑的結(jié)構(gòu)形式與結(jié)構(gòu)特點,也感受到了歷史的磅礴厚重,文化傳承的星火不息。

圖9 八王書院

圖10 日俄戰(zhàn)爭殘垣

圖11 盛京施醫(yī)院

2.3 結(jié)合科研實驗建立結(jié)構(gòu)景觀

(1) 地鐵工程教學(xué)實訓(xùn)基地(圖略)展示了沈陽市地鐵1、2號線盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu),包括支護管片及連接結(jié)構(gòu)、整體道床、軌枕與軌道等,采用外部預(yù)應(yīng)力的方式創(chuàng)造性地將整個管片豎立在非土層包裹的地平面以上,使觀摩、教學(xué)更為直觀。

(2) 道路工程教學(xué)實訓(xùn)基地(圖略)展示了道路實體構(gòu)造,包括路基、路面各結(jié)構(gòu)層構(gòu)成、圓管涵洞及蓋板涵洞、路基邊坡及防護、路肩、路緣石、行車道等。還可以進行路面使用性能檢測,如路面平整度、滲水系數(shù)、摩擦系數(shù)等。

(3) 地質(zhì)雷達市政道路檢測教學(xué)實訓(xùn)基地(圖略)展示了地質(zhì)雷達在市政道路檢測中的應(yīng)用,通過制作瀝青路面和混凝土路面在工程中的常見病害,如脫空、離析、蜂窩、面層厚度不足等,來向?qū)W生展示其在地質(zhì)雷達中的典型圖像和特征數(shù)字信號。

(4) 結(jié)構(gòu)構(gòu)件綜合教學(xué)實訓(xùn)基地(圖略)展示了框架填充墻出平面地震振臺試驗、蜂窩形孔洞鋼結(jié)構(gòu)梁體試驗、新型建筑節(jié)能體系成套技術(shù)研究、振動臺試驗研究等前沿科研試驗的試驗構(gòu)件、試驗方法,讓學(xué)生了解建筑行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀及未來的發(fā)展方向。

(5) 樁基礎(chǔ)教學(xué)實訓(xùn)基地(圖略)采用人工挖孔灌注樁,設(shè)計了標(biāo)準(zhǔn)樁、斷樁、縮頸、離析及樁長不足等5種類型樁,并展示了樁基礎(chǔ)檢測時常用的低應(yīng)變法、豎向抗壓靜載試驗、聲波透射法等檢測手段。

(6) 中德節(jié)能示范中心(圖略)是我校和德國達姆施塔特工業(yè)大學(xué)、德國達姆施塔特應(yīng)用技術(shù)大學(xué)共同合作設(shè)計的節(jié)能示范項目。中心以“被動式技術(shù)優(yōu)先、主動式技術(shù)輔助”為設(shè)計原則,展示了被動式低能耗建筑設(shè)計理念與綠色建筑集成技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)合,實現(xiàn)了嚴(yán)寒地區(qū)超低能耗綠色建筑的設(shè)計目標(biāo)。示范中心的預(yù)認證目標(biāo)為:我國綠色建筑評價三星級、德國BNB評價金級、美國LEED-NC鉑金級。

3 結(jié)語

通過標(biāo)示校園內(nèi)部原有的特征結(jié)構(gòu)、以多種渠道豐富校內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)類型、結(jié)合科研實驗展示前沿新式結(jié)構(gòu)等方式,形成體現(xiàn)行業(yè)院校特色的校園景觀,把校園建設(shè)成為景觀式結(jié)構(gòu)實驗教學(xué)基地。建設(shè)方案體現(xiàn)了教學(xué)基地建設(shè)所必須的安全、便利、經(jīng)濟的總體目標(biāo),既可用作本校學(xué)生的認識實習(xí)、專業(yè)實習(xí),也可用作外部人員的專業(yè)技術(shù)培訓(xùn),使教學(xué)實訓(xùn)基地建設(shè)在有限的資源條件下盡可能做到最好。融入校園景點建設(shè)的實訓(xùn)基地,對學(xué)生的專業(yè)教育起到潛移默化、潤物無聲的教學(xué)效果,為教學(xué)基地的建設(shè)提供了新思路,開拓了新視野。