基于本體論的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程教學(xué)內(nèi)容的貝葉斯拓展

劉月飛 樊學(xué)平

摘要：

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程具有概念多、內(nèi)容多、符號(hào)多和公式多的特點(diǎn)，如何進(jìn)行有效的學(xué)習(xí)、教學(xué)及拓展成為課程教學(xué)改革的重點(diǎn)。引入本體論的哲學(xué)概念和本體模型的建模步驟，

將該課程的主要教學(xué)內(nèi)容與本體論融合，建立課程各主要教學(xué)內(nèi)容的精細(xì)化本體模型。考慮到貝葉斯思維可以更新和提高人們對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)水平，結(jié)合該課程主要教學(xué)內(nèi)容的本體模型和服役鋼筋混凝土構(gòu)件的相關(guān)信息，采用貝葉斯方法實(shí)現(xiàn)本體模型的拓展，加深學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的掌握和了解，提升學(xué)生專(zhuān)業(yè)認(rèn)知能力，提高教學(xué)質(zhì)量，為土木工程專(zhuān)業(yè)相關(guān)課程提供一種新的可供參考的教學(xué)方法。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理；本體論；貝葉斯思維；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)方法

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0; TU375? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ?文章編號(hào)：1005-2909（2023）03-0163-08

一、研究鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程教學(xué)方法的必要性

土木工程不僅僅是一個(gè)專(zhuān)門(mén)的學(xué)科，還是人類(lèi)文明、文化、歷史、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)的載體?；炷两Y(jié)構(gòu)是現(xiàn)代土木工程結(jié)構(gòu)最主要的結(jié)構(gòu)形式，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)和民用建筑等領(lǐng)域，它的安全可靠性關(guān)系著國(guó)計(jì)民生。

鋼筋混凝土構(gòu)件力學(xué)性能獨(dú)特的變化使得從其出現(xiàn)至今已發(fā)展成為土木工程結(jié)構(gòu)中最重要的學(xué)科。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理不僅是混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)科的主干課程，而且是土木工程專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)必修課，也是該專(zhuān)業(yè)學(xué)時(shí)最多的一門(mén)課程。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理以理論力學(xué)、材料力學(xué)、彈塑性力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論，以及土木工程材料等基礎(chǔ)課程理論為基礎(chǔ)，綜合利用所學(xué)的力學(xué)基本理論、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本知識(shí)和方法，通過(guò)建立合理的力學(xué)模型并進(jìn)行詳細(xì)準(zhǔn)確的計(jì)算分析，完成對(duì)結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)件的設(shè)計(jì)，并通過(guò)圖紙展現(xiàn)出來(lái)，它所包含的理論知識(shí)（圖1所示）、學(xué)習(xí)方法和思維方式是學(xué)習(xí)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、砌體結(jié)構(gòu)、橋梁工程、基礎(chǔ)工程等后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程的基礎(chǔ)[1-7]，是從基礎(chǔ)課向?qū)I(yè)課過(guò)渡的重要課程。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理的許多理論都是建立在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，采用了許多基本假定，具有半理論、半經(jīng)驗(yàn)、答案不唯一、概念多、內(nèi)容多、符號(hào)多、公式多等特點(diǎn)，學(xué)習(xí)難度相對(duì)較大，加之該課程

實(shí)踐性較強(qiáng)，與實(shí)際工程設(shè)計(jì)聯(lián)系緊密，急需教師研究一種可以提高教學(xué)質(zhì)量的行之有效的教學(xué)方法。

二、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程的主要內(nèi)容及蘊(yùn)含的哲學(xué)思想

由圖1可知，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理主要內(nèi)容包括：（1） 鋼筋和混凝土材料的力學(xué)性能分析；（2）鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與基本假定；（3）鋼筋混凝土梁的受彎分析與設(shè)計(jì)；（4）鋼筋混凝土梁中的剪切和斜向受拉，以及斜截面抗剪分析與設(shè)計(jì)；（5）鋼筋混凝土構(gòu)件的構(gòu)造分析，如黏結(jié)、錨固及延伸長(zhǎng)度；（6）素混凝土構(gòu)件與鋼筋混凝土構(gòu)件的受扭分析與設(shè)計(jì)；（7）鋼筋混凝土短柱受壓分析與設(shè)計(jì)；（8）鋼筋混凝土細(xì)長(zhǎng)柱受壓分析與設(shè)計(jì)；（9）鋼筋混凝土柱受拉分析與設(shè)計(jì)；（10）鋼筋混凝土構(gòu)件的適用性分析，如裂縫分析和撓度分析；（11）預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能分析與設(shè)計(jì)；（12）設(shè)計(jì)原理在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，如樓蓋結(jié)構(gòu)、單層廠房、砌體結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)及組合結(jié)構(gòu)等。

該課程主要涉及材料、構(gòu)件、結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)，內(nèi)容較多。在教學(xué)和學(xué)習(xí)過(guò)程中，要將理論分析與工程實(shí)際相結(jié)合，從簡(jiǎn)單分析向復(fù)合分析轉(zhuǎn)變；將基礎(chǔ)知識(shí)與工程創(chuàng)新相結(jié)合；將科學(xué)的經(jīng)驗(yàn)與理論、工程概念及實(shí)踐性（如試驗(yàn)與實(shí)施等）相融合，采取靈活的教學(xué)方式幫助學(xué)生加深對(duì)課程內(nèi)容的理解和應(yīng)用。

三、拓展鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程教學(xué)內(nèi)容的必要性

創(chuàng)新是發(fā)展的靈魂，創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程主要內(nèi)容的更新經(jīng)歷了不斷創(chuàng)新的實(shí)踐過(guò)程。貝葉斯思維方法是基于貝葉斯理論公式分析得到的。貝葉斯公式包含研究變量的先驗(yàn)分布信息、研究變量的似然函數(shù)信息，以及研究變量的后驗(yàn)分布信息三部分。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程中研究變量一般指梁正截面受彎承載能力、梁斜截面受剪承載能力、梁受扭承載能力，以及柱的受壓和受拉承載能力等。影響這些研究變量的隨機(jī)變量很多，如截面尺寸、混凝土強(qiáng)度、鋼筋強(qiáng)度等。這些隨機(jī)變量的概率分布均已知，按照混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理的相關(guān)公式，研究變量可由上述隨機(jī)變量進(jìn)行表達(dá)，進(jìn)而利用數(shù)值模擬方法可以得到研究變量的先驗(yàn)分布信息。研究變量的似然函數(shù)信息可以通過(guò)梁以及柱等構(gòu)件的服役信息來(lái)獲取，進(jìn)而結(jié)合貝葉斯公式即可得到研究變量的后驗(yàn)分布信息。研究變量的先驗(yàn)信息是基于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)公式和數(shù)值模擬方法得到的，具有較強(qiáng)的主觀性。采用貝葉斯公式將構(gòu)件的服役信息和先驗(yàn)信息融合，得到的后驗(yàn)信息可以降低研究變量的主觀性，使其更符合實(shí)際情況。

由上述可知，貝葉斯思維方法可以提高人們對(duì)客觀事物認(rèn)知能力，減少對(duì)事物的主觀認(rèn)識(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)

客觀事物的逐漸加深?；炷翆W(xué)科發(fā)展過(guò)程中滲透著貝葉斯思想，如：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范從經(jīng)驗(yàn)規(guī)范到半經(jīng)驗(yàn)規(guī)范，最后到基于隨機(jī)概率論的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，這個(gè)演變過(guò)程，體現(xiàn)了人們更加客觀地認(rèn)識(shí)客觀事物，不斷降低人為的主觀認(rèn)識(shí)水平，這是科技和文化屬性不斷進(jìn)步的特征。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理是土木工程專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，具有理論與工程實(shí)踐相結(jié)合的特征，課程的掌握程度很大程度上影響其他專(zhuān)業(yè)課的學(xué)習(xí)和掌握；因此，努力學(xué)習(xí)并拓展相關(guān)主要內(nèi)容，可以提高學(xué)生的專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)。

四、本體論的哲學(xué)概念和本體模型的建模過(guò)程

（一）本體論的基本理論

本體論的定義在哲學(xué)領(lǐng)域一直存有爭(zhēng)論。在馬克思主義出現(xiàn)之前，哲學(xué)上對(duì)于本體論的定義有廣義與狹義的區(qū)別，在馬克思主義出現(xiàn)后，本體論開(kāi)始融入實(shí)踐之中。

從廣義上說(shuō)，本體論是世界的最終本性，這種本性需要通過(guò)認(rèn)識(shí)論來(lái)認(rèn)知。因此，在廣義本體論的定義上，一般將本體論與認(rèn)識(shí)論相結(jié)合，通過(guò)比較它們的區(qū)別來(lái)定義本體論。本體論是一切事物的最終本性，需要認(rèn)識(shí)論來(lái)認(rèn)識(shí)它，因此，本體論與認(rèn)識(shí)論是對(duì)偶的存在。

從狹義上說(shuō)，世界一切又分為世界的起源和世界的本性?xún)蓚€(gè)方面。世界的起源為宇宙論，而世界的本性為本體論。因此，本體論與宇宙論是對(duì)偶的存在。

馬克思主義哲學(xué)認(rèn)為，物質(zhì)為世界的起源，限定了宇宙論的觀點(diǎn)。馬克思主義哲學(xué)既不采取認(rèn)識(shí)論與本體論對(duì)偶存在，又不采取宇宙論與本體論對(duì)偶存在，而是堅(jiān)持以唯物辯證法解釋所有問(wèn)題。

綜上可知：本體論是客觀事物的最終本性，這種本性需要通過(guò)認(rèn)識(shí)論來(lái)認(rèn)知。因此，一般將本體論與認(rèn)識(shí)論相結(jié)合，通過(guò)比較來(lái)定義本體論?？傮w而言，本體論是一切事物的最終本性，而最終本性需要認(rèn)識(shí)論來(lái)認(rèn)識(shí)它，因此，只有不斷地實(shí)踐和認(rèn)識(shí)，才能對(duì)客觀現(xiàn)象的本質(zhì)（或本體）進(jìn)行合理的認(rèn)識(shí)和掌握。

（二）本體模型的建模過(guò)程

1. 本體論的意義

（1） 理解層面：本體論概念已深入具體的基礎(chǔ)學(xué)科中，如：信息科學(xué)技術(shù)、人工智能、工程技術(shù)等。 通過(guò)探究本體論的構(gòu)造、本質(zhì)、作用，進(jìn)一步深化對(duì)本體論的研究，以更好地規(guī)范對(duì)本體論的運(yùn)用，使本體論的具體科學(xué)應(yīng)用有更明確的方向和更可靠的學(xué)理基礎(chǔ)，從而使之更健康地向前發(fā)展。

（2）應(yīng)用層面：本體論作為一個(gè)哲學(xué)概念，是研究本質(zhì)的哲學(xué)思維。本體論可以將影響本體的因素融合起來(lái)，反映本體的本質(zhì)特性，從而能構(gòu)建和人類(lèi)一樣的智能系統(tǒng)，并應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域。

2. 構(gòu)件本體模型

基于本體論的基本理論建立客觀事物的本體模型：（1） 結(jié)合認(rèn)識(shí)論，詳細(xì)列出本體模型所涉及的詞條；（2） 結(jié)合認(rèn)識(shí)論，建立各詞條之間的關(guān)系；（3） 給出最終本體模型的精細(xì)化關(guān)系。

五、基于本體模型的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程教學(xué)方法研究

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程的教學(xué)內(nèi)容較多，其中承載能力的計(jì)算分析教學(xué)內(nèi)容主要包括：鋼筋混凝土梁正截面受彎承載能力分析、鋼筋混凝土梁斜截面抗剪承載能力分析、鋼筋混凝土梁受扭承載能力分析、鋼筋混凝土柱抗壓承載能力分析、鋼筋混凝土柱抗拉承載能力分析等。通過(guò)認(rèn)識(shí)論，建立部分教學(xué)內(nèi)容的本體模型，給出可廣泛普及的行之有效的教學(xué)方法。

（一）適合于截面復(fù)核的鋼筋混凝土梁正截面受彎承載能力本體模型

采取單筋矩形截面梁（圖2所示）建立對(duì)應(yīng)的本體模型。圖2中h為截面高度；h0為截面有效高度；AS為受拉鋼筋面積；b為截面寬度；a為鋼筋形心到截面受拉邊緣的距離；M為設(shè)計(jì)彎矩；α與β是由混凝土應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)曲線得到的特定型號(hào)混凝土的等效矩形圖形系數(shù)；x為簡(jiǎn)化的受壓區(qū)高度；xn為實(shí)際受壓區(qū)高度；fc為混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；fy為鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

結(jié)合式（1）～（15），實(shí)現(xiàn)抗力的概率動(dòng)態(tài)修正分析?；趧?dòng)態(tài)修正的抗力分布結(jié)果，我們通過(guò)以下原則來(lái)判斷實(shí)際的抗力信息：（1） 如果修正之后的抗力標(biāo)準(zhǔn)差小于修正之前的值，則修正之后的抗力客觀性較強(qiáng)，更為符合實(shí)際情況；（2） 如果修正之后的抗力標(biāo)準(zhǔn)差大于修正之前的值，則修正之后的抗力主觀性較強(qiáng)，修正結(jié)果較為不可靠。因此，要得到更為實(shí)際的修正的抗力信息，就必須得到可靠的構(gòu)件服役信息或詳盡的驗(yàn)證荷載效應(yīng)信息，一般通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)損檢測(cè)或破壞性試驗(yàn)來(lái)獲取似然信息。

七、結(jié)語(yǔ)

鋼筋混凝土梁的抗彎承載能力、抗剪承載能力、抗扭承載能力和鋼筋混凝土柱的抗拉承載能力、抗壓承載能力均可以通過(guò)建立本體模型得到較好的理解和掌握。前提必須通過(guò)試驗(yàn)和理論分析（即認(rèn)識(shí)論）得到合適的詞條以及詞條之間的關(guān)系表達(dá)式。因此，抓住本體模型的基本理論和對(duì)應(yīng)的建模過(guò)程，可輕松建立每一章與之對(duì)應(yīng)的教學(xué)思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]葉列平.混凝土結(jié)構(gòu)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[2]許英，汪宏.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程教學(xué)探討[J].高等建筑教育，2010，19（6）：81-83.

[3]李志強(qiáng)，唐艷娟，夏多田.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理教學(xué)研究I：雙筋矩形截面正截面承載能力計(jì)算[J].教育教學(xué)論壇，2015（14）：160-161.

[4]李志強(qiáng)，唐艷娟，夏多田.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理教學(xué)研究II：T形截面正截面承載能力計(jì)算[J].教育教學(xué)論壇，2015（12）：192-193.

[5]薛偉培.《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原理》課程教學(xué)改革探討[J].教育教學(xué)論壇，2019（33）：118-119.

[6]宋佂.道橋?qū)I(yè)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程項(xiàng)目模塊教學(xué)探討[J].高等建筑教育，2017，26（2）：62-65.

[7]王秋萍，李宏偉.混凝土結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)方法探討[J].高等建筑教育，2005，14（1）：59-61.

[8]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB50010-2010[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2015.

[9]劉娟，胡桂武.人工智能思維利器-貝葉斯公式的教學(xué)探究[J].教育教學(xué)論壇，2019（38）：141-143.

Abstract：

The course of reinforced concrete structure design principles has the characteristics of multiple concepts， contents， symbols and formulas. How to effectively study， teach and expand this course has become the key for the teaching reform of reinforced concrete structure design principles. The philosophical concept of ontology and the modeling steps of ontology model are introduced， the main teaching contents of the course are integrated with ontology， and the refined ontology model for the main teaching contents of the course is constructed. Considering that Bayesian thinking can update and improve peoples understanding of the objective world， based on the ontology models of the main teaching content for the course， with the relevant information of the service reinforced concrete components， Bayesian method is used to expand the ontology models， which can deepen students mastery and understanding for the course contents， improve students professional cognitive ability and teachers teaching quality， and provide a new teaching method for related courses of civil engineering.

Key words：

reinforced concrete structure design principles; ontology; Bayesian thinking; teaching contents; teaching method

（責(zé)任編輯 梁遠(yuǎn)華）