科研創(chuàng)新與工程實踐相結合的土木工程專業(yè)畢業(yè)設計模式探討

王景玄 王文達 張鑫澤

摘要：畢業(yè)設計是土木工程專業(yè)本科教學過程的最終環(huán)節(jié)，是為培養(yǎng)學生工程應用能力和科研創(chuàng)新能力而進行的綜合訓練，是對本科四年所學理論知識和專業(yè)知識系統(tǒng)性的檢驗與應用，體現學生解決復雜工程問題的實踐能力。傳統(tǒng)土木工程專業(yè)本科畢業(yè)設計主要以工程設計為主，注重培養(yǎng)學生工程實踐能力，而忽視了科研創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，不利于土木工程專業(yè)畢業(yè)生的全面發(fā)展。以蘭州理工大學土木工程專業(yè)建筑工程方向畢業(yè)設計為例，通過問卷調查，分析現有土木工程專業(yè)畢業(yè)設計過程中存在的主要問題，探索科研創(chuàng)新與工程實踐相結合的土木工程專業(yè)畢業(yè)設計模式，以期為同類院校土木工程專業(yè)建筑工程方向畢業(yè)設計教學提供參考。

關鍵詞：土木工程;畢業(yè)設計;教學模式;科研創(chuàng)新;工程實踐

中圖分類號：G642.477?? 文獻標志碼：A?? 文章編號：1005-2909（2022）03-0155-09

土木工程專業(yè)本科教育是專業(yè)人才培養(yǎng)的重要階段，通過理論教學、實踐教學及科研創(chuàng)新訓練等環(huán)節(jié)培養(yǎng)學生工程實踐和創(chuàng)新能力、分析和解決復雜工程問題的能力，而畢業(yè)設計作為本科階段最后的教學實踐環(huán)節(jié)，涉及內容綜合而全面，是實現土木工程專業(yè)本科人才培養(yǎng)目標的重要環(huán)節(jié)。通過畢業(yè)設計，結合土木工程類設計規(guī)范/標準，將相關理論基礎知識和工程設計方法創(chuàng)新性地應用于實踐，實現科研創(chuàng)新與工程實踐相結合的培養(yǎng)模式[1]。土木工程畢業(yè)設計是理論知識與工程實踐相結合的學習環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生在解決復雜工程問題方面的創(chuàng)新能力[2]。國內外已有較多畢業(yè)設計（論文）教學模式改革的相關研究，旨在從不同角度提高畢業(yè)設計質量，但關于土木工程專業(yè)本科畢業(yè)設計改革和探索方面的文獻相對較少。國內已有研究主要關于創(chuàng)新型和實踐型畢業(yè)設計[3-6]，探討工程化背景下構建以創(chuàng)新能力為核心的畢業(yè)設計教學體系和教學模式的有效途徑，加強本科畢業(yè)設計實踐保障體系建設，提高土木工程本科人才培養(yǎng)質量。部分學者結合工程實踐開展了畢業(yè)設計研究工作[7-11]，強調土木工程畢業(yè)設計選題與工程實踐相結合，尤其在規(guī)范/標準的應用等方面?？悼萚12]分析了土木工程專業(yè)畢業(yè)設計教學環(huán)節(jié)的現狀及存在的問題，以武漢理工大學土木工程專業(yè)為例，對土木工程專業(yè)教學改革、質量評價體系、教師隊伍建設等方面進行了研究，使之適應當代高素質土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)的要求。王景玄等[13]進行了土木工程專業(yè)本科畢業(yè)設計研究型創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式探討，以推免生為主要對象，但未結合工程實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)與應用。

結合土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標和市場需求，將工程實踐與科研創(chuàng)新密切聯(lián)系，培養(yǎng)具有解決復雜工程問題能力并可提出創(chuàng)新見解的人才，符合目前國家發(fā)展所需和綜合性人才培養(yǎng)目標。本文以蘭州理工大學土木工程專業(yè)建筑工程方向本科畢業(yè)設計為例，探索科研創(chuàng)新與工程實踐相結合的土木工程專業(yè)畢業(yè)設計模式，以期為同類院校土木工程專業(yè)畢業(yè)設計教學提供參考。

一、畢業(yè)設計現存問題分析

（一）教師指導時間有限

由于畢業(yè)設計學生人數較多而指導教師人數有限，每位教師負責指導的學生人數較多。在蘭州理工大學土木工程學院2019屆和2020屆畢業(yè)設計小組中，每位指導教師負責學生7～8名，加之教師在畢業(yè)設計所在學期還需要承擔其他課程授課任務，同時兼顧個人科研工作，工作繁重，指導時間有限。教師在畢業(yè)設計上花費的時間和精力不足，部分教師在選題時直接套用之前做過的題目

，后期指導直接采用之前的過程與成果，導致學生在畢業(yè)設計過程中積極性不高，影響畢業(yè)設計質量。此外，根據初步調研，指導教師的輔導方式主要通過QQ或微信線上輔導（圖1）。

（二）學生重視程度不高

畢業(yè)設計環(huán)節(jié)一般集中在大四春季學期，大部分學生在此段時間內忙于找工作或準備研究生復試，也有一部分學生認為只需走完流程能畢業(yè)即可，學生對畢業(yè)設計的重視程度不高。

為了解學生對畢業(yè)設計的重視程度，隨機對蘭州理工大學土木工程學院建筑工程方向2020屆100名本科畢業(yè)生進行問卷調查，最終回收問卷88份，回收率為88%。調查結果顯示，8人將大量時間和精力投入研究生復試方面，27人將重心放在考證及尋求心儀工作上，僅有21人表示將以保質保量完成畢業(yè)設計為本學期主要工作，約占24%，其余32人選擇了其他（圖2）。由此可見，大部分學生對畢業(yè)設計重視程度并不高，需要進一步加強。

（三）畢業(yè)設計題目陳舊

部分高校缺乏實踐基地，創(chuàng)新訓練項目較少，導致設計題目大同小異，以宿舍樓、辦公樓、教學樓、大學生活動中心等單體建筑的設計為主，甚至同一年此類題目會在多個小組重復出現。學生對此類題目已經失去新鮮感，而題目本身自由創(chuàng)作空間較小，還存在同題目抄襲現象，影響畢業(yè)設計質量。

對10名畢業(yè)設計指導教師及100名學生進行畢業(yè)設計選題問卷調查，問卷以“是否認為題目新穎度會影響畢業(yè)設計質量”及“畢業(yè)設計中是否應適當加入科研元素”為題來了解指導教師及學生對題目的看法，教師方面問卷回收率為100%，學生方面問卷回收率為91%。調查結果顯示，80%的指導教師認為近幾年畢業(yè)設計題目陳舊，不能激發(fā)學生興趣，最終影響了畢業(yè)設計質量，90%的指導教師認為有必要適當引入科研創(chuàng)新元素;86.81%的學生認為新穎的選題能激發(fā)對畢業(yè)設計的興趣，提高畢業(yè)設計質量，其余學生表示新穎的題目不會影響畢業(yè)設計結果。此外，79.12%的學生表示近幾年題目陳舊老套，缺乏新意。具體畢業(yè)設計內容調研結果如圖3所示。

（四）畢業(yè)設計內容創(chuàng)新性不足

畢業(yè)設計題目較為陳舊，以宿舍樓、辦公樓、教學樓等單體建筑為主，此類建筑更加突出實用與經濟的特點，設計內容主要以工程實踐訓練為主，很難融入科研創(chuàng)新等元素。王景玄等 [13]介紹了土木工程專業(yè)本科畢業(yè)設計研究型創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，分析了一種適合“推免生”的畢業(yè)設計培養(yǎng)方式。結合本科科研創(chuàng)新訓練項目及部分指導教師的研究方向，適當引入一些科研元素，有助于提高

學生對畢業(yè)設計的興趣。此外，傳統(tǒng)的畢業(yè)設計內容主要包括建筑設計和結構設計，在此基礎上，針對單個構件和節(jié)點適當引入有限元分析，可以提高畢業(yè)設計質量。

（五）畢業(yè)設計管理過程不嚴格

畢業(yè)設計包含三階段：第一階段為建筑設計，耗時4周，第二階段為板與樓梯的設計計算，耗時6周，第三階段為框架配筋計算及基礎計算，耗時6周。以2020屆學生的畢業(yè)設計為例，盡管每一階段后都有檢查，但由于檢查不嚴格、學生積極性不高等原因，仍有不少學生不能完成階段性任務，即使能按時完成的學生，也是敷衍了事，結果并不理想。此外，每次檢查相隔時間長，每個階段前幾周學生自由散漫，臨近檢查時開始突擊，影響畢業(yè)設計整體質量。

二、教學模式改進探討

基于上述畢業(yè)設計現狀及存在問題，探討創(chuàng)新與實踐綜合能力培養(yǎng)的土木工程本科畢業(yè)設計流程，基本思路如圖4所示。在原有建筑設計和結構設計部分，引入科研創(chuàng)新與工程實踐相結合的設計元素，在原有畢業(yè)設計成果的基礎上，促使成果多元化。

（一）校企聯(lián)動，實行校外導師聘任制

高質量畢業(yè)設計包括高質量選題、高質量設計、高質量計算與繪圖，而這些目標的達成與指導教師密不可分。根據住建部土木工程專業(yè)認證的要求，每位指導教師指導人數不得超過7人，校內指導教師人數有限，且部分青年教師缺乏工程經驗，因此，蘭州理工大學土木工程學院聘任校外具有高級職稱的工程設計師作為副導師，校企聯(lián)動，明確校內指導教師第一責任制，確保畢業(yè)設計的質量，尤其是在建筑方案的選取、結構設計以及電算等方面，充分發(fā)揮企業(yè)導師的優(yōu)勢和作用。整個畢業(yè)設計，從題目選取、建筑設計、結構設計到答辯環(huán)節(jié)均要求校外導師參與，落實企業(yè)兼職導師制度。該方法可實現理論設計和工程實踐設計的結合，提高指導教師和學生的積極性和實踐性。

（二）多級畢業(yè)設計過程管控

根據畢業(yè)設計進度緩慢等問題，采用多級畢業(yè)設計過程管控模式，從畢業(yè)設計選題—題目審核—師生雙選模式—前期答辯—中期答辯—終期答辯等多級過程管控，實施“三階段答辯”模式。其中，前期答辯占總分值的15%，檢查內容以建筑圖的設計和繪制為主;中期答辯主要包括檢查樓蓋的計算與施工圖繪制、樓梯的計算與施工圖繪制以及部分框架內力計算，占總分值的15%;終期答辯占70%，包括畢業(yè)設計計算書、圖紙繪制質量、回答問題情況以及創(chuàng)新等環(huán)節(jié)。通過多級畢業(yè)設計過程管控環(huán)節(jié)，可以有效解決畢業(yè)設計進度緩慢和設計質量不高的問題，提高畢業(yè)設計的質量。具體畢業(yè)設計多級管控流程如圖5所示。

（三）嚴格的畢業(yè)設計檢查模式

過長時間的檢查間隔導致自律性差的學生畢業(yè)設計效率與質量低，因此，提出一種“3+N”的檢查方案，即在學院/系三階段檢查的基礎上，由指導教師將每個階段中的檢查按時間或任務詳細劃分為N小段（圖6），小段的質量控制交由指導教師負責，若能將小段細分到每個任務點，就可避免出現

進度拖延的問題，此分配方法同時使教師更清楚學生進度及面臨的問題，從而做好監(jiān)管督促工作。此外，還需提高設計過程在最終成績中的占比，讓學生重視過程與進度，杜絕臨時抱佛腳的現象。

（四）實踐與創(chuàng)新并進的畢業(yè)設計模式

將實踐與創(chuàng)新貫穿整個畢業(yè)設計過程，設計主要包含建筑設計與結構設計兩大部分。在建筑設計中，學生要結合題目特性進行設計，例如，一些建筑對空間有特殊要求，學生要抓住特性才能完成高質量設計。此外，平面圖設計上要考慮各個功能區(qū)位置是否沖突，如何解決等，而對于這些問題往往指導教師也不能給出十分準確的解答，需要學生自己去解決，在完成建筑設計的同時形成

設計思路。在結構設計中，很多學生不清楚鋼筋排布、彎起、截斷及綁扎，需要學生在實踐中掌握此方面知識，最后結合理論計算給出工程中的合理配筋方案。對于部分學習能力較強的學生，在結構計算中可引入科研創(chuàng)新元素，結合導師科研項目，培養(yǎng)學生科研創(chuàng)新意識，并讓他們了解科研過程，這對學生發(fā)展有極其重要的作用。

三、創(chuàng)新與實踐綜合能力教學實例

基于上述畢業(yè)設計存在問題分析和教學模式改進探討，以蘭州理工大學土木工程專業(yè)2020屆學生的畢業(yè)設計為例，在原有設計內容基礎上，引入科研創(chuàng)新和工程實踐等設計內容，以提高畢業(yè)設計的質量。畢業(yè)設計選題方面，以某市商業(yè)中心建筑設計為題材，與一般單體建筑相比，商業(yè)建筑更加突出美觀、大空間等特點，根據此特點進行設計更有挑戰(zhàn)性，可激發(fā)學生興趣從而提升畢業(yè)設計質量。

商業(yè)建筑設計需滿足大空間和采光等設計要求，但本科期間的設計均采用砌體墻體作為主要圍護結構，建筑設計造型單一，太過規(guī)整，達不到商場建筑的設計效果。采用玻璃幕墻作為圍護結構，賦予設計模塊一定的挑戰(zhàn)性。目前，建筑幕墻已廣泛應用于民用和工業(yè)建筑中，尤其是城市中心標志性建筑，采用幕墻系統(tǒng)可以巧妙融合其圍護功能與裝飾功能，使建筑更具現代感和裝飾藝術性。據統(tǒng)計，商業(yè)建筑在中國幕墻消費總額中占比最大，約占66.8%;其次是公共建筑，約占30.1%;高檔住宅占比最小，約為3.1%。隨著面板類材料與施工技術的發(fā)展，幕墻系統(tǒng)的應用將更加廣泛，借畢業(yè)設計機會可以讓學生提前了解這一系統(tǒng)，對未來工作有一定促進作用。

畢業(yè)設計中，幕墻系統(tǒng)包括鋁幕墻和玻璃幕墻，較傳統(tǒng)砌體墻圍護結構增加了節(jié)點設計。完成幕墻系統(tǒng)設計，需要學生查閱規(guī)范圖集，學習全新知識，也需要學生自己去參觀玻璃幕墻建筑，了解當前幕墻系統(tǒng)的節(jié)點構造，在學習新事物的同時鍛煉學生自學能力與實踐能力。以2020屆本科生設計的一個幕墻節(jié)點為例，學生通過自學對節(jié)點構造及工法有足夠的了解，達到了畢業(yè)設計中建筑設計實踐創(chuàng)新預期目標，節(jié)點施工圖如圖7所示。

結構設計上，綜合抗扭剛度、抗震性能、材料用量及造價等方面的考慮，最終選擇多層鋼筋混凝土框架結構，根據軸壓比限值，初選的鋼筋混凝土柱截面尺寸為1 000 mm×1 000 mm，較大柱尺寸不符合商場高空間利用率原則，為增加空間利用率并考慮與上部鋼筋混凝土梁構件之間連接，采用型鋼混凝土柱（以下簡稱SRC柱）替換鋼筋混凝土柱（以下簡稱RC柱）?；诖嗽O計背景，采用有限元軟件ABAQUS對型鋼混凝土組合柱和傳統(tǒng)鋼筋混凝土柱建模計算，僅考慮軸力作用，根據計算結果對比分析二者在承載力、破壞特征及經濟性方面的差異。

1.承載力對比

原有RC柱截面信息：截面尺寸為1 000 mm×1 000 mm，底層柱高為5 400 mm?？v筋采用HRB400鋼筋，直徑為28 mm，箍筋采用HRB335鋼筋，直徑為8 mm，混凝土強度為C40。RC柱兩端箍筋間距為100 mm，中間箍筋間距為200 mm，含鋼率為1.5%。配筋圖和箍筋布置如圖8所示。

根據RC軸心受壓構件的計算公式（1），可求得RC柱承載力

Nu=0.9φ（fcA+f′yA′s）（1）

SRC柱截面與配筋信息：截面尺寸600 mm×600 mm，柱高為5 400 mm。縱筋采用HRB400鋼筋，直徑為28 mm，箍筋采用HRB335鋼筋，直徑為8 mm，箍筋間距為150 mm，混凝土強度為C40。工字型鋼截面尺寸為H×B×tw×bf=360 mm×250 mm×18 mm×20 mm，強度等級為Q345，含鋼率為5.8%。配筋圖和箍筋布置如圖9所示。

根據SRC軸心受壓構件的計算公式（2），可求得SRC柱承載力。

Nu=0.9φ（fcAc+f′yA′s+f′aA′a）（2）

為進一步對比RC柱和SRC柱的承載力和軸壓破壞特征，采用ABAQUS軟件分別建立RC柱與SRC柱的模型，混凝土本構關系采用《混凝土設計規(guī)范》（GB 50010—2010）[14]給出的應力—應變關系，鋼筋本構關系采用線性強化模型，在有限元模型計算中，鋼材本構關系需要考慮下降段，因此，采用Esmaeily和Xiao[15]提出的本構關系模型，可較好反映鋼材軟化特征，有限元模型及網格劃分見圖10。

有限元模型中，采用位移加載方式計算得到RC柱和SRC柱的荷載—位移關系曲線，如圖11所示。對RC柱而言，當位移達到21.8 mm時，豎向荷載達到最大值，為23 781 kN。隨后曲線急劇下降至破壞，構件延性較差。對SRC柱而言，當位移達到37.4 mm時，軸力達到第一個峰值點，為23 013 kN，且由于內部型鋼作用，計算曲線并沒有出現明顯下降段，具有較好的延性和變形能力。

2.破壞特征分析

通過ABAQUS有限元分析，可以獲得RC柱與SRC柱最終破壞特征和應力分布圖，如圖12所示。對于RC柱而言，柱中部受力較小，兩端受力較大，破壞先在柱兩端發(fā)生，主要表現為混凝土保護層脫落、鋼筋屈服。對SRC柱而言，由于內部型鋼作用，整體構件受力較為均勻，受力前期混凝土主要承擔豎向荷載，后期型鋼受力較大，表現出較好的受力性能。

3.經濟性分析

對比可知，RC柱與SRC柱軸向承載能力基本相同，且二者前期剛度也基本相同，但在變形能力上SRC柱優(yōu)勢明顯，更有利于抗震。在面積占用方面，SRC柱單柱面積占用相比RC柱減小64%，單層可利用面積約增加35 m2，單層面積利用率增加1.5%（單層面積約為12 575 m2）。綜合承載力和經濟性而言，SRC柱在大空間等建筑結構中有更好的應用價值。

4.設計實例

通過上述畢業(yè)設計實例，設計創(chuàng)新點主要在于建筑設計部分的幕墻設計和結構設計部分融入了有限元計算，采用新型組合構件SRC柱代替RC柱，并對比了兩者的承載力和經濟性。在設計內容、計算方法及工程應用方面具有一定創(chuàng)新性（圖13）。

四、教學效果評價

畢業(yè)設計答辯和調查結果顯示，參與調查的指導教師認為上述畢業(yè)設計培養(yǎng)模式有利于學生綜合發(fā)展，且在設計過程中能明顯看出學生積極性提高，最終設計質量也大幅提升。據調查， 88.3%的學生認為此畢業(yè)設計模式對個人未來發(fā)展有利，93.3%的學生表示從畢業(yè)設計中獲得了全新知識，其中，3名學生進入校級答辯并取得優(yōu)異成績，2名學生發(fā)表了學術論文。

因此，在土木工程專業(yè)畢業(yè)設計過程中，需要通過理論教學、實踐教學等多途徑提高學生創(chuàng)新能力，培養(yǎng)符合國家需求的復合型人才。畢業(yè)設計作為本科學習階段的最后教學環(huán)節(jié)，還需著力提高教學質量，逐步建立科學合理的土木工程專業(yè)畢業(yè)設計創(chuàng)新體系，推動一流土木工程專業(yè)的建設與發(fā)展。

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Study on the graduation design model for civil engineering majors

combining scientific research innovation and engineering practice

WANG Jingxuan， WANG Wenda， ZHANG Xinze

（School of Civil Engineering， Lanzhou University of Technology， Lanzhou 730050， P. R. China）

Abstract：

Graduation design is the final work in the undergraduate teaching process of civil engineering. It is a systematic inspection and application of students’ undergraduate learning knowledge including theoretical knowledge and professional expertise. Graduation design is a systematic and comprehensive training link for cultivating students’ engineering application ability and scientific research and innovation ability， and it is more to reflect the comprehensive ability of undergraduate students in solving complex engineering problems. The existing undergraduate graduation design for civil engineering majors is mainly engineering design， focusing on cultivating students’ engineering practice ability， but neglecting the cultivation of scientific research and innovation ability， which is not conducive to the comprehensive and all-round development of civil engineering graduates. This paper takes the graduation design of civil engineering major of Lanzhou University of Technology as an example， through a questionnaire survey， analyzes the existing problems in the process of graduation design of civil engineering major， and explores the civil engineering undergraduate design model that combines scientific research and innovation with engineering practice， to provide a reference for the civil engineering graduate design teaching in similar universities.

Key words：

civil engineering; graduation project; teaching mode; scientific research innovation; engineering practice

（責任編輯 周 沫）