基于“黃土+”視角下的城市地下空間工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計教學(xué)改革初探

劉 華，劉乃飛，宋戰(zhàn)平，王鐵行，張玉偉

(1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055; 2.陜西省巖土與地下空間工程重點實驗室，陜西 西安 710055)

隨著“一帶一路”偉大構(gòu)思的逐步實施和“西部大開發(fā)”戰(zhàn)略的逐步推進(jìn)，黃土地區(qū)以關(guān)中城市群和蘭州、延安新區(qū)等新型城鎮(zhèn)建設(shè)為支撐點的城市地下空間工程大規(guī)模投入建設(shè)和運營。在新形勢下的城市地下空間開發(fā)和運營過程中，不得不考慮黃土地區(qū)獨有的地質(zhì)條件，從而使現(xiàn)階段城市地下空間工程專業(yè)人才的培養(yǎng)面臨著新的問題和挑戰(zhàn)。此外，隨著交通強(qiáng)國戰(zhàn)略的實施，公(鐵)路、水工隧道、地鐵車站和地下人防工程等建設(shè)也得到了極大關(guān)注，海綿城市和地下綜合管廊的規(guī)劃建設(shè)等新型工程也涉及到黃土理論與實踐的支撐，對地下工程的安全穩(wěn)定運營產(chǎn)生了極大的影響。因此，城市地下空間工程專業(yè)對畢業(yè)生的需求不斷提高，需要涉及多學(xué)科多行業(yè)的共同支撐?；诖?，培養(yǎng)高素質(zhì)、多學(xué)科、應(yīng)用能力強(qiáng)的本科畢業(yè)生不僅對于黃土地區(qū)城市地下空間的建設(shè)和運營具有重大的工程意義，同時也契合社會實踐的現(xiàn)實需求。

自2001年中南大學(xué)獲批“城市地下空間工程”本科專業(yè)以來[1]，截止2021年3月中國大陸已有85所高校開設(shè)本專業(yè)。由于不同的行業(yè)背景和區(qū)域特點，各個學(xué)校的城市地下空間工程專業(yè)的特點、培養(yǎng)目標(biāo)及專業(yè)課程體系的構(gòu)建呈現(xiàn)出顯著的多學(xué)科交叉特色[2]。基于專業(yè)課程體系[3]、虛擬仿真試驗體系[4]、實踐平臺[5]、學(xué)科競賽[6]等教學(xué)及支撐模塊的配合，進(jìn)一步加強(qiáng)了學(xué)生們對理論知識的掌握和實踐動手能力的提升。

畢業(yè)論文階段的設(shè)置目標(biāo)是學(xué)生本科階段所學(xué)各基礎(chǔ)理論課程和應(yīng)用實踐課程的具體綜合，考核結(jié)果是檢驗學(xué)生是否能結(jié)合具體工程初步形成對預(yù)設(shè)目標(biāo)的總結(jié)分析，體現(xiàn)著學(xué)生的認(rèn)知水平和解決實際問題的能力[7]。該階段的質(zhì)量好壞取決于教師的指導(dǎo)效率、能力和學(xué)生的理解和動手能力。本文基于“黃土+”的視角和近幾年的實踐結(jié)果，從黃土地區(qū)的地下工程背景出發(fā)，探討了從開題審核、過程指導(dǎo)到答辯考核各環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的問題和初步解決的方案，目的是探討提升畢業(yè)生綜合素質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)和舉措。

1 專業(yè)特點

城市地下空間工程專業(yè)作為一個工程應(yīng)用極強(qiáng)的特色專業(yè)，就目前國內(nèi)開設(shè)該專業(yè)的大學(xué)來看，呈現(xiàn)出顯著的地域特征和多行業(yè)多學(xué)科的背景特色[8]。由于地下工程的使用目的、歸口管理部門、面臨的工程地質(zhì)條件不同，與其它傳統(tǒng)土木工程學(xué)科相比呈現(xiàn)出對學(xué)生的要求更具體和明確[9]。城市地下空間專業(yè)以地下基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和管理運營為主軸，涉及多學(xué)科多行業(yè)的科學(xué)與工程領(lǐng)域范疇，主要包含了市政基礎(chǔ)設(shè)施、城市地下公共交通、地下人防工程以及不同行業(yè)涉及的隧道掘進(jìn)與支護(hù)[10]、深基坑支護(hù)體系等與巖土問題相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施工程項目，包含了地下空間規(guī)劃和建筑布局、地下建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)、巖石力學(xué)與土力學(xué)地基基礎(chǔ)、工程地質(zhì)水文地質(zhì)學(xué)、巖土工程勘查與土工測試、地下通風(fēng)與照明、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計等核心骨干科目，具有多領(lǐng)域交叉、多學(xué)科交互、多梯度建設(shè)的顯著特點。從而使畢業(yè)生具有規(guī)劃、設(shè)計、施工、監(jiān)理、勘查測試和運營管理等綜合能力，了解掌握城市地下空間工程學(xué)科的基礎(chǔ)理論[11]、設(shè)計施工應(yīng)用技術(shù)[12]、測試手段[13]等發(fā)展動態(tài)和行業(yè)需求，初步具有收集資料、分析總結(jié)、提出關(guān)鍵問題和解決方案的能力，進(jìn)一步具有初步的科學(xué)研究能力和解決工程問題的能力，更關(guān)鍵的是要具有一定的分析和評判問題的能力[14]。從目前國內(nèi)開設(shè)本專業(yè)的院校來看，基本集中在礦冶能源、交通土建、水利、防災(zāi)減災(zāi)等學(xué)科，以面向工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)為目標(biāo)。

2 “黃土+”視角下的城市地下空間工程畢業(yè)設(shè)計特點

西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院城市地下空間工程專業(yè)結(jié)合“一個目標(biāo)，兩個抓手，三個階段，四個方向”的畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)思想，具體為“以培養(yǎng)高水平、能判別解決實際工程問題為目標(biāo)，以課內(nèi)理論教學(xué)和課外實踐教學(xué)為抓手，通過通識教學(xué)+專業(yè)基礎(chǔ)教學(xué)+專業(yè)實踐教學(xué)三個階段學(xué)習(xí)，最終并入課設(shè)與畢設(shè)的四個方向的選題”。同時在畢業(yè)設(shè)計過程中輔以黃土獨有的“水敏性”和濕陷表征等巖土特征為出發(fā)點，結(jié)合具體的實際工程背景，查明探清黃土地區(qū)地下工程的致災(zāi)原因并提出可靠的整治技術(shù)措施。進(jìn)一步的，通過已執(zhí)行的工程來反饋校驗畢業(yè)設(shè)計的合理性和潛在可能性。同時，基于黃土特殊的工程性質(zhì)[15]，選擇學(xué)有余力和善于反思的同學(xué)，對關(guān)鍵節(jié)點的問題進(jìn)行深入探討和研究，培養(yǎng)學(xué)生深入思考問題和解決問題的研究能力，為下一階段的研究生學(xué)業(yè)進(jìn)行基礎(chǔ)性的培訓(xùn)和歷練[16]。

不難看到，傳統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計題目難以滿足現(xiàn)有的工程需求，本專業(yè)知識點多、類型復(fù)雜、行業(yè)特點顯著，因此對綜合能力的培養(yǎng)提升與專技能力的分析探討是本專業(yè)的關(guān)鍵需求。

3 畢業(yè)設(shè)計的分類與選題

根據(jù)本專業(yè)多年以來的畢業(yè)設(shè)計選題內(nèi)容并經(jīng)校內(nèi)外專家組的集體討論，畢業(yè)設(shè)計的選題主旨可大致分為四大類，每個題目包含但不僅限于其中的一個類別：

(1)工程設(shè)計類。本類選題選擇黃土地區(qū)具有代表性的深基坑、地下車站、暗挖隧道、綜合管廊等具體分項分部工程的設(shè)計施工環(huán)節(jié)作為對象，設(shè)計內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)體的平、立、剖面及細(xì)部構(gòu)造設(shè)計、結(jié)構(gòu)選型、水土等荷載的選定，以及主要受力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計、巖土體/圍巖的應(yīng)力變形及穩(wěn)定性判定和相關(guān)圖紙的繪制，并借助有關(guān)設(shè)計計算軟件進(jìn)行校核。

(2)規(guī)劃勘察類。本類選題以查明探清地下結(jié)構(gòu)所處環(huán)境的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件為主，涉及對基本土工試驗流程和結(jié)果的理解，詳細(xì)按照勘查流程進(jìn)行三階段勘查(可行性勘查、初步勘察和詳細(xì)勘查)，包括勘查任務(wù)的確定、大綱的編制、內(nèi)容的執(zhí)行以及勘查結(jié)果的評價分析等。

(3)施工管理類。本類選題包括施工方案的選定、施工組織設(shè)計、工程概預(yù)算、經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的比對等內(nèi)容。施工管理類題目需要根據(jù)市政基礎(chǔ)設(shè)施、城市地下公共交通、地下人防工程等具體的工程，進(jìn)行工程方案的確定，基于選定的工程方案，進(jìn)行工程的施工組織設(shè)計、編制工程的施工計劃，確定施工采用的技術(shù)、質(zhì)量、安全標(biāo)準(zhǔn)，確定施工工期，并編制成本控制的措施等。

(4)研究探索類。針對黃土地區(qū)地下工程中出現(xiàn)的典型問題，鼓勵一部分善于思考問題和具有較強(qiáng)動手能力的同學(xué)選擇該部分選題。該類選題一般以畢業(yè)論文的形式出現(xiàn)，結(jié)合某一具體的問題，如某巖土參數(shù)在環(huán)境演變下的取值范圍變化區(qū)間，新型加固技術(shù)在黃土地區(qū)工程項目的機(jī)理性研究等。最終成果包括完整的中英文摘要、國內(nèi)外研究進(jìn)展、正文、結(jié)論、致謝和參考文獻(xiàn)等內(nèi)容。需詳細(xì)的闡明研究意義和內(nèi)容，研究方案和技術(shù)路線，以及成果結(jié)論與展望等，要求邏輯清楚，形成閉環(huán)。

據(jù)不完全統(tǒng)計，本專業(yè)近兩年的論文選題有六十多個，內(nèi)容大致涵蓋了四個方向的選題，其中有《地鐵隧道穿越?jīng)哄彪A地支護(hù)體系及防水設(shè)計》、《地鐵隧道穿越富水砂層凍結(jié)法施工關(guān)鍵技術(shù)及過程管理》、《渭河階地深大基坑支護(hù)體系勘查設(shè)計計算》、《地鐵換乘車站的建筑規(guī)劃、設(shè)計及支護(hù)計算》、《某市政排污頂管工程的設(shè)計及施工過程管理》《關(guān)中地區(qū)某發(fā)電廠深埋基礎(chǔ)動力穩(wěn)定設(shè)計計算》、《下穿市政公路隧道支護(hù)的穩(wěn)定分析與設(shè)計》、《環(huán)境演變下的黃土濕陷變形測試評估方法及場地處置》、《黃土節(jié)理的滲水各向異性及工程影響研究》、《MICP固化黃土機(jī)理及工程效果評價》以及《黃土隧道支護(hù)工法優(yōu)化設(shè)計的有限元計算分析》等題目。

4 選題立項、開題審核、過程引導(dǎo)和答辯考核

(1)選題指導(dǎo)。指導(dǎo)教師在收集整理歸并相關(guān)選題的資料文檔后，對選題內(nèi)容、設(shè)計流程、相關(guān)輔助材料(包括教材、規(guī)范規(guī)程、計算軟件等)和寫作/設(shè)計成果進(jìn)行講解教學(xué)，目的在于和學(xué)生深入溝通畢業(yè)設(shè)計的最終目的和寫作/設(shè)計的思路與邏輯。

(2)開題審核。在學(xué)生選擇相對應(yīng)的題目后，將題目所涉及的主要計算理論、設(shè)計方法、試驗內(nèi)容、規(guī)范規(guī)程和軟件計算等主干內(nèi)容與學(xué)生分組溝通。并指導(dǎo)學(xué)生自主查詢所涉及的教材專著、軟件說明和規(guī)范規(guī)程等內(nèi)容，形成對該題目的初步認(rèn)知與資料理解。并組成開題小組審核學(xué)生的大綱和計劃。

(3)過程引導(dǎo)。同一小組的同學(xué)定期召開集體討論和答疑會，確定設(shè)計進(jìn)度以及在設(shè)計的過程中出現(xiàn)的疑問，并對沖突性話題和問題的發(fā)展趨勢進(jìn)行討論，以確定選取參數(shù)和計算方法的優(yōu)缺點和安全度。并有效調(diào)動學(xué)生的積極性，鼓勵學(xué)生自我提出多種解決方案并討論所提方案的可行性和有效性。通過建立階段性成果復(fù)核機(jī)制，對設(shè)計過程中出現(xiàn)的共性問題及時引導(dǎo)，對出現(xiàn)的個性問題反復(fù)分析，鼓勵學(xué)生對出現(xiàn)的問題進(jìn)行深度和廣度思考。

(4)答辯考核。該階段執(zhí)行前一周，指導(dǎo)教師組織學(xué)生進(jìn)行預(yù)答辯演練并分析設(shè)計成果的遺漏和錯誤，給學(xué)生留有充足的時間進(jìn)行修改和完善。并基于所選題目的分類，有側(cè)重點的進(jìn)行展開論述與展望，目的在于使學(xué)生清晰全面的認(rèn)識自己的設(shè)計成果，有針對性的了解現(xiàn)行工程規(guī)范條文中的依據(jù)并能初步判斷規(guī)范的推薦建議與工程實際操作中的差異。

5 結(jié) 論

為提高黃土地區(qū)城市地下空間工程的建設(shè)和運管水平，進(jìn)一步改善本專業(yè)既有畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容單一的問題，增加學(xué)生面向工程實際的認(rèn)知能力和解決問題的能力，培養(yǎng)多學(xué)科交叉發(fā)展的畢業(yè)生綜合能力。本文以西安建筑科技大學(xué)城市地下空間工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計為例，基于黃土地區(qū)的特殊工程背景，探討了畢業(yè)設(shè)計初步的教學(xué)改革，從選題、開題、過程考核到答辯等方面分析了本專業(yè)的做法，為類似高校本科畢業(yè)設(shè)計(論文)工作提供經(jīng)驗和借鑒。