裝配式結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)模型設(shè)計與制作課程教學(xué)改革中的探索與實踐

[摘 要] 以結(jié)構(gòu)模型設(shè)計與模型課程為例，針對高職學(xué)生邏輯思維能力不強、桿件拼裝方法不當、桿件尺寸容易弄錯的特點，嘗試將裝配式結(jié)構(gòu)理念融入課程的教學(xué)模式和教學(xué)方法，提高學(xué)生制作模型的水平和專業(yè)知識的運用能力，并對裝配式建筑理念有初步認識，為后續(xù)進階裝配式課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞] 裝配式結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)模型設(shè)計與制作;教學(xué)改革

[作者簡介] 黃 皓（1986—），男，廣西南寧人，碩士研究生，講師，研究方向：高職力學(xué)教育。

[中圖分類號] G712? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）25-0377-02? ? ?[收稿日期] 2020-03-09

一、裝配式結(jié)構(gòu)

裝配式建筑是構(gòu)件工廠預(yù)制化生產(chǎn)、現(xiàn)場裝配式安裝的施工模式，是實現(xiàn)建筑產(chǎn)品節(jié)能、環(huán)保、全周期價值最大化的可持續(xù)發(fā)展的新型建筑生產(chǎn)方式。裝配式結(jié)構(gòu)指的是梁、板、柱等建筑結(jié)構(gòu)部分的裝配，是建筑中起到骨骼作用并能傳遞荷載的體系。對于裝配式建筑來說，要求多專業(yè)的裝配和配合，是一個復(fù)雜而系統(tǒng)的工程。針對結(jié)構(gòu)模型設(shè)計與制作課程實際，本文僅討論裝配式結(jié)構(gòu)。在我國，傳統(tǒng)的建筑設(shè)計和建造方式已不適應(yīng)工業(yè)化發(fā)展的需要。裝配式建筑技術(shù)的發(fā)展是實現(xiàn)建筑工業(yè)化的途徑[1]。

二、結(jié)構(gòu)模型設(shè)計與制作課程現(xiàn)狀

結(jié)構(gòu)模型設(shè)計與制作課程是基于高職土木工程專業(yè)基礎(chǔ)核心課程建筑力學(xué)的實訓(xùn)課程，該實訓(xùn)課主要運用白卡紙和白乳膠的材料特性，設(shè)計符合一定要求的結(jié)構(gòu)模型，從模型的設(shè)計方案、制作工藝以及承載能力三方面進行綜合評估的實訓(xùn)。本課程采用項目教學(xué)法，基于工作過程，圍繞模型設(shè)計、模型初步方案制作、模型試加載與優(yōu)化、最終加載測試這條主線，將實訓(xùn)分成若干子項目讓學(xué)生分步完成[2]。在項目教學(xué)法模式下，學(xué)生還是很難在短時間內(nèi)完成精美、質(zhì)輕、高強的模型，存在的問題如下。

1.二維圖紙易導(dǎo)致學(xué)生識圖錯誤。本課程的模型制作需要學(xué)生對每一根桿件在模型中的位置進行精確的識讀，而傳統(tǒng)二維圖紙識讀由于需要較強的空間想象能力，往往造成學(xué)生對圖紙信息的誤讀，導(dǎo)致制作出來的模型與原設(shè)計方案不符。

2.模型對桿件尺寸精度要求較高。傳統(tǒng)的繪圖方式以線代替桿件，沒有考慮桿件連接時的連接角度問題。桿件的節(jié)點處外觀尺寸會有改變，經(jīng)常出現(xiàn)在實際連接時需要對桿件進行裁剪或桿件尺寸不足的情況。如果在模型桿件節(jié)點實際搭接后才發(fā)現(xiàn)問題，節(jié)點的調(diào)整將不可避免的對模型已經(jīng)成型的部分造成損傷，影響到模型成型后的承載能力。

3.模型對桿件拼裝順序有要求。學(xué)生制作模型采用預(yù)先制作桿件，再將各部位桿件進行連接的方式。模型需要在平面上用桿件預(yù)制好某個平整的平面，再將這些平面按照一定的順序拼裝。桿件之間的搭接順序會影響模型最終成型的質(zhì)量。當模型桿件數(shù)量較多時，學(xué)生沒能對模型裝配順序進行預(yù)先模擬優(yōu)化，將會出現(xiàn)模型拼裝錯誤。

4.模型制作流程復(fù)雜。模型制作過程包括了結(jié)構(gòu)模型選型、模型受力分析、桿件截面設(shè)計、模型理論荷重比計算、模型試拼裝、模型試加載、模型方案優(yōu)化、正式模型加載八個子項目學(xué)習(xí)。在較短的實訓(xùn)周期中，學(xué)生很難把握子項目當中的操作細節(jié)。

基于以上原因，導(dǎo)致學(xué)生制作模型時間過長，浪費材料過多，最終模型加載承載力偏低，消磨了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，沒能真正鍛煉學(xué)生綜合運用知識的能力。

三、裝配式結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)模型設(shè)計與制作課程中的應(yīng)用探索

裝配式結(jié)構(gòu)的理念與結(jié)構(gòu)模型設(shè)計與制作課程的課程目標相吻合，即在短時間內(nèi)建造型美意巧，輕質(zhì)高強的結(jié)構(gòu)。裝配式結(jié)構(gòu)的標準化設(shè)計、管理信息化、工廠化生產(chǎn)、裝配化施工的特性與課程項目式教學(xué)有共通之處，將裝配式結(jié)構(gòu)的這些特性優(yōu)勢與課程環(huán)節(jié)融合，對教學(xué)設(shè)計、教學(xué)手段進行改革，簡化教學(xué)環(huán)節(jié)，能有效解決課程現(xiàn)存的問題。

（一）建筑信息模型（BIM）建模輔助結(jié)構(gòu)模型方案比選

BIM技術(shù)是保證裝配式建筑質(zhì)量的必備手段，在結(jié)構(gòu)模型設(shè)計與制作課程中起到相同的作用。利用BIM技術(shù)在計算機中構(gòu)建三維模型，相比傳統(tǒng)的二維圖紙結(jié)構(gòu)模型方案設(shè)計，三維模型的可視化使觀看模型更直觀，避免二維圖紙識圖錯誤，學(xué)生通過三維模型的觀察、平移、旋轉(zhuǎn)和縮放以及漫游等功能從任意角度觀察形體，不斷拓展思路，提高空間想象力，了解模型結(jié)構(gòu)空間構(gòu)成和桿件節(jié)點搭接的難易程度，便于快速對結(jié)構(gòu)模型方案進行確認，如圖1所示。

（二）BIM模型參數(shù)化減少結(jié)構(gòu)模型組裝錯誤

BIM模型的參數(shù)化使模型構(gòu)件的精細制作成為可能。BIM模型的參數(shù)包括模型體積、桿件長度、桿件直徑、桿件內(nèi)壁厚度、材料容重、材料許用應(yīng)力和材料彈性模量等參數(shù)。利用這些參數(shù)，可以快速精確計算出模型結(jié)構(gòu)的自重、制作桿件的紙張層數(shù)和厚度。BIM模型的參數(shù)可以實時調(diào)整，當結(jié)構(gòu)模型試加載后，可以通過BIM模型對結(jié)構(gòu)模型參數(shù)進行快速的參數(shù)優(yōu)化，相比傳統(tǒng)課程用手算和Excel表格計算，通過BIM計算更便捷直觀，學(xué)生更易掌握。

對于裝配式結(jié)構(gòu)來說，桿件的拆分是施工的難點之一，對結(jié)構(gòu)模型也是如此。利用BIM模型，可以直觀的從模型受力、構(gòu)件制作、模型裝配等方面考慮結(jié)構(gòu)模型的拆分，利于結(jié)構(gòu)模型的精確建模。傳統(tǒng)課程用二維圖紙指導(dǎo)模型組裝，經(jīng)常出現(xiàn)在實際連接時需要對桿件進行裁剪或桿件尺寸不足，在桿件接頭實際裁剪調(diào)整的過程中不可避免地導(dǎo)致桿件搭接處表面接觸不充分，甚至構(gòu)件或桿件破損的情況。通過BIM建模拆分，精確了解構(gòu)件或桿件搭接處的形狀和尺寸，提高了結(jié)構(gòu)建模的質(zhì)量，減少了材料的浪費。

（三）BIM施工模擬技術(shù)提供結(jié)構(gòu)模型裝配最佳方案

桿件之間的搭接順序會影響模型成型的質(zhì)量，錯誤的桿件搭接順序會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)模型的變形。通過BIM施工模擬技術(shù)，將BIM模型導(dǎo)入到施工模擬軟件中進行動態(tài)模擬，能詳細、系統(tǒng)、直觀的表達和體現(xiàn)結(jié)構(gòu)模型施工工藝的各個細節(jié)、施工流程，避免桿件搭接、模型組裝出現(xiàn)錯誤，以便提前修改和調(diào)整結(jié)構(gòu)模型裝配方案。

（四）信息化教學(xué)管理平臺提高教學(xué)質(zhì)量

裝配式結(jié)構(gòu)的信息化管理可以提高生產(chǎn)效率和管理水平，課堂教學(xué)同樣可以信息化管理。搭設(shè)基于翻轉(zhuǎn)課堂的結(jié)構(gòu)模型設(shè)計與制作混合教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺，創(chuàng)建以能力為核心、以過程為重點的線上線下教學(xué)質(zhì)量保障體系和學(xué)習(xí)考核評價體系。線上以裝配式BIM信息結(jié)構(gòu)模型、裝配三維仿真動畫、制作視頻等資源教學(xué)，線下在教師指導(dǎo)下學(xué)生進行模型組裝加載，通過平臺進行考核，構(gòu)建線上線下立體課堂，如圖2所示。

四、結(jié)語

綜上所述，將裝配式結(jié)構(gòu)理念融入結(jié)構(gòu)模型設(shè)計與制作課程教學(xué)，從三維建模、參數(shù)化調(diào)整、裝配施工模擬、信息化管理四個方面創(chuàng)新課程，簡化教學(xué)流程，提高教學(xué)質(zhì)量，人才能力與人才標準接軌，為實訓(xùn)教學(xué)提供了新的思路和方法。

參考文獻

[1]戴超辰，徐霞，張莉，等.我國裝配式混凝土建筑發(fā)展的SWOT分析[J].建筑經(jīng)濟，2015，36（2）：10-13.

[2]黃皓，王曼.基于結(jié)構(gòu)模型設(shè)計的建筑力學(xué)教學(xué)方法優(yōu)化[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2015，（10）：130-131.

Abstract：Taking the course of Structural Model Design and Production as an example，in view of vocational students' weak logical capability，improper assembly methods of rods，and incorrect understanding of dimensions of rods，this article aims to integrate the concept of prefabricated structure into the teaching model and teaching methods.The teaching reform can improve students' ability to make models and the ability to use professional knowledge，and help students get a preliminary understanding of the concept of prefabricated buildings，which will lay a foundation for the subsequent study of advanced prefabricated courses.

Key words：prefabricated structure;Structural Model Design and Production;teaching reform