基于概念設(shè)計的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理實(shí)踐教學(xué)研究

李曉虎 栗蕾 趙雯桐 康莉萍

摘要：概念設(shè)計涵蓋了工程設(shè)計完整的設(shè)計思路和計算方法。本文將概念設(shè)計的理念融入到鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理的課程教學(xué)中，有利于學(xué)生對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的總體把握和學(xué)習(xí)應(yīng)用。本文闡述了將概念設(shè)計引入鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課堂的具體內(nèi)容，并對教學(xué)改革的方法進(jìn)行了探討，為今后在工程實(shí)踐中的應(yīng)用打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計，概念設(shè)計，極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件

一、前言

隨著計算機(jī)技術(shù)的提高，結(jié)構(gòu)設(shè)計分析軟件也得到快速發(fā)展。目前，在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，計算機(jī)的輔助功能占據(jù)越來越重要的分量。和手算進(jìn)行比較，結(jié)構(gòu)分析軟件的電算結(jié)果更加精確。但是對于結(jié)構(gòu)分析中出現(xiàn)的問題如果進(jìn)行分析判斷是一個非常重要的難題。

對于整個工程的設(shè)計要以概念設(shè)計為主導(dǎo)，指導(dǎo)全部的設(shè)計過程。只有這樣才能保證整個工程設(shè)計的完整性和結(jié)構(gòu)的安全性。概念設(shè)計可以正確地處理整體工程和各個構(gòu)件之間的關(guān)系，并且能夠始終貫徹設(shè)計工程師的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計理念[1-2]。而工程師這種設(shè)計思維方式從高校的教學(xué)中就應(yīng)該開始培養(yǎng)。目前的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理教學(xué)中，概念設(shè)計的理念并沒有得到很好的貫徹實(shí)施。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程結(jié)束以后，學(xué)生基本上可以掌握軸心受力構(gòu)件、受彎構(gòu)件以及偏心受力構(gòu)件等這些單一構(gòu)件的計算和設(shè)計，但是對于一個完整的工程設(shè)計卻沒有相對應(yīng)的設(shè)計思路和計算方法。這就造成了學(xué)生在高校的課程中學(xué)到的知識不能直接有效地應(yīng)用于實(shí)際工程，與社會發(fā)生了脫節(jié)。設(shè)計大師林同炎先生說過[3]，實(shí)際工程在設(shè)計工程中是先有結(jié)構(gòu)然后才會出現(xiàn)組成結(jié)構(gòu)的各個構(gòu)件。而目前鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程的教學(xué)存在著先進(jìn)行構(gòu)件的設(shè)計計算，再到整個結(jié)構(gòu)的問題。

在講課的過程中，將概念設(shè)計這個理念完全融入到課堂上，可以讓學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的理解更清晰明了。筆者所在的土木建筑學(xué)院鋼結(jié)構(gòu)課題組將概念設(shè)計的理念貫穿到整個課程教學(xué)中，讓學(xué)生通過更加形象立體的結(jié)構(gòu)及構(gòu)件受力分析，有效地掌握各種構(gòu)件的受力特點(diǎn)，為今后在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作中熟練運(yùn)用打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。

二、將概念設(shè)計引入鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的教學(xué)內(nèi)容

現(xiàn)有的教材《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》中[4]，概念設(shè)計只是作為結(jié)構(gòu)體系和布置原則的一些基礎(chǔ)知識內(nèi)容，對于結(jié)構(gòu)的受力分析等內(nèi)容涉及比較少。而在實(shí)際工程設(shè)計中，概念設(shè)計需要貫穿整個結(jié)構(gòu)設(shè)計過程，處處都體現(xiàn)有概念設(shè)計的中心理念。針對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理的主要內(nèi)容以及各種構(gòu)件的特點(diǎn)，在講解構(gòu)件連接、軸心受力構(gòu)件、受彎構(gòu)件以及偏心受力構(gòu)件時，需要加入比較形象立體的概念設(shè)計理念。

（1）鋼結(jié)構(gòu)計算方法的概念與判斷

對于鋼結(jié)構(gòu)的計算而言，其計算方法是所有結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)。因此，對鋼結(jié)構(gòu)計算方法概念和判斷的掌握尤其重要。其相關(guān)內(nèi)容一般出現(xiàn)在《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》的第一章節(jié)，學(xué)生對鋼結(jié)構(gòu)的計算方法還是很容易處于混沌狀態(tài)。因此在講課過程中應(yīng)著重給學(xué)生講解正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)的概念和判斷準(zhǔn)則，使學(xué)生對結(jié)構(gòu)的設(shè)計有更清晰的認(rèn)識和判斷。要引導(dǎo)學(xué)生去思考鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計為什么會從正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)這兩種狀態(tài)入手去對其進(jìn)行計算，讓學(xué)生充分理解這兩種狀態(tài)的概念特征和判斷依據(jù)以及采用的具體的分析方法。向?qū)W生講解的時候可以從計算方法的歷史與基本思想著手，結(jié)合結(jié)構(gòu)的功能要求，自然而然的引出兩種極限狀態(tài)的概念。結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)其實(shí)質(zhì)上就是結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)和失效狀態(tài)的一種臨界狀態(tài)。正常使用極限狀態(tài)一般涉及的是變形，是從人對建筑的使用角度出發(fā)，當(dāng)建筑在使用過程中出現(xiàn)變形或裂縫等的發(fā)展對人產(chǎn)生的感覺達(dá)到不舒服的臨界值就是正常使用的極限狀態(tài)。主要包括結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的變形、局部損壞、振動等狀態(tài)。承載能力極限狀態(tài)主要是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件本身，達(dá)到其最大的承載能力。主要包括結(jié)構(gòu)或構(gòu)件因強(qiáng)度超過而破壞、因失去平衡產(chǎn)生的不穩(wěn)定以及在反復(fù)荷載作用下發(fā)生的疲勞破壞等狀態(tài)。

所有結(jié)構(gòu)的計算目的都是為了保證結(jié)構(gòu)和構(gòu)件在施工和工作過程中能夠滿足預(yù)期的安全性及使用性的要求。用公式（2-1）可以表達(dá)其含義：

荷載效應(yīng)S≤結(jié)構(gòu)抗力R ? ?（2-1）

其中S表示由荷載作用引起的內(nèi)力、應(yīng)力、變形等，這些對結(jié)構(gòu)來說都屬于負(fù)荷;R表示結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承受內(nèi)力和變形的能力，是結(jié)構(gòu)或構(gòu)件本身的特性。

將此計算理論給學(xué)生講清楚，鋼結(jié)構(gòu)后面的計算內(nèi)容基本上都是以此為基礎(chǔ)展開的計算分析。讓學(xué)生把握計算的宗旨，避免在以后的計算設(shè)計中出現(xiàn)概念設(shè)計的錯誤。

（2）鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中彈性和塑性的概念設(shè)計

鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計有彈性和塑性設(shè)計方法。彈性設(shè)計方法是指以結(jié)構(gòu)的彈性極限荷載為強(qiáng)度指標(biāo)，而結(jié)構(gòu)的彈性極限荷載是指使結(jié)構(gòu)某處應(yīng)力達(dá)到彈性極限的荷載值。塑性設(shè)計方法是指以結(jié)構(gòu)的塑性極限荷載為強(qiáng)度指標(biāo)的設(shè)計方法。結(jié)構(gòu)的塑性極限荷載是指使結(jié)構(gòu)開始發(fā)生塑性流動變形的荷載值。彈性設(shè)計方法不允許結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)屈服區(qū)域，而塑性設(shè)計方法允許結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)塑性區(qū)域。塑性設(shè)計充分利用了結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的塑性性能，可以節(jié)省材料和延長結(jié)構(gòu)的使用壽命，但減小了結(jié)構(gòu)的安全儲備，增大了破壞的風(fēng)險。

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50017-2017[5]對塑性設(shè)計的規(guī)定，塑性設(shè)計適用于不直接承受動力荷載的固定梁、連續(xù)梁以及由實(shí)腹構(gòu)件組成的單層和兩層框架結(jié)構(gòu)。

（3）各種受力構(gòu)件的概念設(shè)計

鋼結(jié)構(gòu)中構(gòu)件的計算都必須要滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的要求。每種受力構(gòu)件的計算采用的計算準(zhǔn)則有所不同。軸心受力構(gòu)件的強(qiáng)度計算以截面的平均應(yīng)力達(dá)到鋼材的屈服強(qiáng)度作為計算準(zhǔn)則，計算強(qiáng)度公式為：

—對x軸的凈截面模量。

偏心受力構(gòu)件的整體穩(wěn)定則通過采用邊緣纖維屈服準(zhǔn)則近似的求解壓潰臨界荷載，然后考慮實(shí)際受力情況，引入相關(guān)系數(shù)。壓彎構(gòu)件的整體穩(wěn)定計算公式為：

三、教學(xué)方法改革

對土木工程專業(yè)來說，《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》是一門十分重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是學(xué)生認(rèn)識鋼結(jié)構(gòu)的基本工作原理、從事鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)工作的重要知識來源。但由于該課程難度較高，知識點(diǎn)比較零碎復(fù)雜，很多本科生在學(xué)習(xí)的過程中出現(xiàn)難理解、難記憶的現(xiàn)象。傳統(tǒng)單一的教學(xué)模式很難滿足當(dāng)下教育的需求，也很難達(dá)到《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》的教學(xué)目的和要求。針對此種現(xiàn)象，需要對《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》課程的教學(xué)方法進(jìn)行一些必要的改革，以提高課堂效率、提高學(xué)生對課程知識的掌握和運(yùn)用。

（1）充分利用多媒體的優(yōu)勢

現(xiàn)今，多媒體科技的發(fā)展非常迅猛，多媒體在教育領(lǐng)域的應(yīng)用也已經(jīng)作為一種常見的方式出現(xiàn)在各個教學(xué)過程當(dāng)中。和傳統(tǒng)的板書相比，多媒體課件可以加入圖片、動畫、聲音等立體效果，教學(xué)過程更加生動、直觀。課堂上采用多媒體的教學(xué)方法，將鋼結(jié)構(gòu)中涉及的一些基本構(gòu)件、連接通過圖片和動畫的形式傳遞給學(xué)生，還可以加入一些操作實(shí)踐視頻讓學(xué)生觀看。通過多種方式的交叉學(xué)習(xí)，加深學(xué)生對基本鋼結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，激發(fā)學(xué)生對鋼結(jié)構(gòu)的興趣和求知欲。

（2）思維導(dǎo)圖的應(yīng)用

思維導(dǎo)圖是一種表達(dá)發(fā)散性思維的有效圖形思維工具，簡單但有效的一種實(shí)用性思維工具。思維導(dǎo)圖的利用可以讓復(fù)雜的問題簡單化，充分利用了人類的發(fā)散性思維方式。讓使用者可以在原有知識的基礎(chǔ)上進(jìn)行延伸思考，全面調(diào)動大腦對文字、數(shù)字、圖像、顏色、聲音等的反應(yīng)，很容易地掌握一個知識點(diǎn)所涉及的全部內(nèi)容。

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程教學(xué)中，利用思維導(dǎo)圖的方法可以很好的從概念設(shè)計的理念出發(fā)，讓學(xué)生深入理解各種基本知識。思維導(dǎo)圖可以充分利用多種已有的教學(xué)資源，綜合所有資源的優(yōu)點(diǎn)，全面掌握相關(guān)知識點(diǎn)。思維導(dǎo)圖內(nèi)容非常豐富，可以圖文并茂的涵蓋相關(guān)知識點(diǎn)所涉及的圖形、計算公式、構(gòu)造要求等內(nèi)容。所有的知識和框架都一目了然，由一個點(diǎn)可以串聯(lián)起其他相關(guān)的知識點(diǎn)。

結(jié)語

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》課程對于剛接觸的本科生來說，理論性強(qiáng)、內(nèi)容多且復(fù)雜。要想充分掌握鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要知識并能夠應(yīng)用到實(shí)際工程中，需要對知識的脈絡(luò)有一個很清晰的認(rèn)識并需要多結(jié)合工程實(shí)踐進(jìn)行分析思考，而最基礎(chǔ)也是最重要的就是對概念設(shè)計的掌握。結(jié)合本課程的特點(diǎn)，分析了概念設(shè)計的重要性以及如何將概念設(shè)計引入到課堂中，旨在提高課堂的學(xué)習(xí)效率，提高學(xué)生的實(shí)踐能力。為社會培養(yǎng)更多技術(shù)過硬的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計人才。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱慈勉，尹小明. 概念設(shè)計的意義和應(yīng)用分析[J]. 建筑技術(shù)，2005，36（ 8） ： 626-628.

[2][2]高立人. 結(jié)構(gòu)工程師與概念設(shè)計[J]. 建筑結(jié)構(gòu)，1993（ 4） ：46-50.

[3]林同炎，S.D 思多臺斯伯利. 結(jié)構(gòu)概念和體系[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999.

[4]胡習(xí)兵，張再華.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[D]. 北京，北京工業(yè)大學(xué)出版社，2012.8.

[5] GB50017 - 2017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[ S].

本文系河南省重點(diǎn)研發(fā)與推廣專項（科技攻關(guān)）項目《裝配式鋼-廢棄纖維再生混凝土組合剪力墻抗震性能研究》階段性研究成果，項目編號：212102310957