面向工程應(yīng)用的土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計一體化課程體系設(shè)置及教學方法創(chuàng)新

王華昆 高婧 陳蘭英

摘? 要：該文以新工科人才培養(yǎng)標準為指導(dǎo)，以全國大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽為載體，提出面向工程應(yīng)用的土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計一體化課程體系設(shè)置方案及對應(yīng)的教學方法?？偨Y(jié)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)遵循的一般思路及學生需具備的基礎(chǔ)知識體系，提出“核心課程體系”設(shè)置方案，結(jié)合知識遞進關(guān)系和課程關(guān)聯(lián)性開展一體化教學，通過打造“課程群”打破課程之間的壁壘，實現(xiàn)“理論-實踐”高度有機結(jié)合。依托結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽，讓學生在實踐過程中汲取知識、鞏固知識，實現(xiàn)“融賽于學，融學于踐”。

關(guān)鍵詞：新工科；土木工程；有限元分析應(yīng)用；一體化教學；ABAQUS；教學實踐

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）35-0107-05

Abstract： This study was guided by the "Emerging Engineering Education" talent training standards， taking the National College Student Structural Design Competition as the carrier， the civil engineering structural design integrated course system setting scheme and the corresponding teaching method for engineering application were proposed. The general ideas that should be followed in engineering structure design and the basic knowledge system that students need to have were summarized in this study. The setting scheme of "core curriculum system" was put forward， integrated teaching was carried out by combining knowledge progression relationship and curriculum relevance， and the barriers between courses was break by building "curriculum groups" to achieve a highly organic combination of "theory and practice". Relying on the structural design competition， students can learn and consolidate knowledge in the process of practice， so as to achieve "integrating competition in learning and integrating learning in practice".

Keywords： Emerging Engineering Education; civil engineering; finite element analysis and application; integrated teaching; ABAQUS; teaching practice

結(jié)構(gòu)設(shè)計是土木工程教學的重點和難點，掌握合理的設(shè)計流程和先進的設(shè)計方法是學生必須具備的基本素質(zhì)。隨著科技發(fā)展，涌現(xiàn)了越來越多的新型設(shè)計手段，其中虛擬工程與科學（SBES）技術(shù)[1]是當代大型土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計必不可少的工具。SBES有力地推動了計算機輔助設(shè)計（CAD）、計算機輔助制造（CAM），使得大型復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計和建造越來越成熟和便捷，典型的如BIM技術(shù)、有限元法、有限體積法、無網(wǎng)格法等。而有限元法是SBES的主要手段之一，自1956 年Turner[2]發(fā)表采用有限元技術(shù)計算飛機機翼強度的論文以來，有限元法就得到了極大的發(fā)展，至今已擴展到幾乎所的科學技術(shù)領(lǐng)域，包括：航空、土木、水利、海洋和機械等。目前國內(nèi)外已開發(fā)出大量成熟的商用軟件，如ANSYS、ABAQUS、COMSOL等，且在科研和工程領(lǐng)域均得到廣泛的應(yīng)用。

然而，僅僅會使用成熟的商用工具并不能使我們的學生成為一名優(yōu)秀、可靠的工程師，尤其是當下的大型土木工程往往具有多學科交叉、大尺度、大規(guī)模和多場耦合等特點，如何讓學生掌握多學科知識和具備可靠的復(fù)雜問題分析設(shè)計能力，是當下教學應(yīng)重點解決的問題[3]。傳統(tǒng)的土木工程核心專業(yè)課程包括理論力學、材料力學和結(jié)構(gòu)力學，上述課程主要以簡單的桿、梁、鋼架體系作為分析對象，盡管有利于闡述和掌握相關(guān)結(jié)構(gòu)分析理論，但對當下大型結(jié)構(gòu)（如大型體育場館、大跨橋梁、摩天大樓和大型海上浮體等）分析缺乏直接指導(dǎo)作用。針對當下復(fù)雜大型結(jié)構(gòu)設(shè)計需求，國內(nèi)工科本科專業(yè)幾乎都開設(shè)了有限元相關(guān)課程。但有限元分析涉及的基礎(chǔ)課程較多，學習難度較大，部分高校工程專業(yè)針對力學教學過程中的不足，將成熟商用軟件（如ABAQUS、ANSYS）引入課程，并結(jié)合案例進行教學[4-6]，通過該教學改革措施提高學生對力學課程的學習興趣，增強學生解決工程問題的能力。但是，單純的軟件教學會讓學生知其然而不知所以然，無法基于理論開展深入的分析。此外，在新工科教育的背景下，對學生的創(chuàng)新能力也提出了更高的要求[3]，特別是培養(yǎng)學生解決復(fù)雜工程問題的能力，這也反過來對教學內(nèi)容和教學方法提出了創(chuàng)新和改革需求。

一? 以結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽為載體的一體化創(chuàng)新教學體系

結(jié)構(gòu)設(shè)計是一個貫穿“方案設(shè)計-方案驗證-結(jié)構(gòu)優(yōu)化”三大主題的過程，且需要反復(fù)進行迭代優(yōu)化。盡管大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽的對象較為簡單，大多由竹材制作而成，但依然具備大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的基本特征，包括：復(fù)雜的材料特性，桿、梁、板等基本構(gòu)件，靜力、動力等受力特性。因此，通過完整的“需求分析-方案設(shè)計-模型制作-實驗驗證-結(jié)構(gòu)優(yōu)化”五大環(huán)節(jié)學習實踐（圖1），對學生結(jié)構(gòu)設(shè)計能力培養(yǎng)具有巨大的作用。然而，經(jīng)過幾年的教學實踐發(fā)現(xiàn)，在當前知識結(jié)構(gòu)體系下，低年級（大一、大二）的學生基本不具備完整執(zhí)行上述五大環(huán)節(jié)的能力，一般需高年級學生或老師出設(shè)計方案，由低年級學生配合進行模型制作和驗證。其中，“模型制作-實驗驗證”環(huán)節(jié)對學生的基礎(chǔ)知識要求相對較低，主要問題出現(xiàn)在“需求分析-初步方案設(shè)計-結(jié)構(gòu)優(yōu)化”三大環(huán)節(jié)，上述環(huán)節(jié)要求設(shè)計人員對材料性能、結(jié)構(gòu)方案合理性有更準確、專業(yè)的認知和判斷。

針對上述問題，提出了如圖1所示的以結(jié)構(gòu)賽為載體的課程設(shè)置及能力培養(yǎng)方案。注意，圖1所示的不同年級課程設(shè)置方案與結(jié)構(gòu)賽各環(huán)節(jié)的能力需求順序并非完全一致，主要考慮到課程的難易程度，部分課程開設(shè)必須有先修課程作為基礎(chǔ)，考慮到應(yīng)讓低年級學生盡可能參與比賽各個環(huán)節(jié)，讓其具備檢驗自己奇思妙想的能力，充分激發(fā)其學習積極性。因此，可將計算機軟件應(yīng)用作為低年級必修課程，該課程以實踐為主，理論為輔。一旦掌握數(shù)值分析流程，即可對自己設(shè)計的方案合理性和可行性進行檢驗，讓學生有更高的參與度和學習積極性。該課程實際效果經(jīng)過幾年實踐已得到驗證。而后續(xù)的結(jié)構(gòu)力學、有限元理論學習可作為夯實理論基礎(chǔ)的進一步提升，讓學生溫故而知新。由圖1可知，通過完整的結(jié)構(gòu)賽實踐，可將結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心課程進行有機結(jié)合，有利于學生形成系統(tǒng)的知識體系，并在實踐中對所學內(nèi)容進行實踐驗證。

（一）? 初步方案設(shè)計——材料先行，結(jié)構(gòu)為基

在圖1所述的5個環(huán)節(jié)中，“需求分析-初步方案設(shè)計”是緊密相關(guān)的，結(jié)構(gòu)初步設(shè)計方案需能滿足賽題（甲方）要求，同時應(yīng)兼顧結(jié)構(gòu)受力特性、耗材（成本）、制作便利性（施工）。以圖2為例，該賽題為高樓抗震設(shè)計，該階段可先將整個結(jié)構(gòu)簡化為簡單豎立懸臂梁結(jié)構(gòu)，對其進行宏觀受力分析，確定結(jié)構(gòu)基本受力特性，從而確定危險截面及截面形式。該階段要求學生熟悉材料特性，以及簡單桿、梁結(jié)構(gòu)在外荷載下的受力特點。因此，學生需具備材料力學、材料實驗、結(jié)構(gòu)實驗等基本課程知識。

此外，設(shè)計師應(yīng)對工程材料特性有準確認知。對于材料特性，以結(jié)構(gòu)賽為例則首先應(yīng)確定竹材的基本材料性能。竹材是典型的各向異性材料，其抗拉、抗壓性能存在顯著差異，且沿竹纖維方向及其他朝向的力學性能迥異（圖3）。為了讓學生對竹材力學性能有準確清晰的認知，可結(jié)合傳統(tǒng)材料力學課程的材料試驗開展分析，同時開展鋼材的力學性能試驗研究，并進行對比分析，讓學生對典型工程材料、各向同性材料、各向異性材料的行為有更直觀、準確的認知。

熟悉了材料的基本力學特性后，對典型“構(gòu)件-載荷”組合下的結(jié)構(gòu)理論受力特征應(yīng)有清晰的判斷，典型工況包括：拉壓桿件，簡支梁、懸臂梁等在軸向荷載、橫向均布荷載或集中荷載下沿構(gòu)件截面的應(yīng)力、彎矩、剪力分布特征。否則極可能給出受力極不合理的設(shè)計方案，該過程要求學生掌握材料力學相關(guān)知識。通過基本受力特性，可設(shè)計出基本構(gòu)件的截面形式（如等強度變截面梁等），從而兼顧強度和質(zhì)量控制。進而將單一構(gòu)件由框架結(jié)構(gòu)進行替代，進一步實現(xiàn)質(zhì)量（或材料成本）控制。

此外，對典型“構(gòu)件-載荷”組合下的結(jié)構(gòu)破壞模式和極限承載力（圖4）也應(yīng)有清晰的認知，尤其是在結(jié)構(gòu)大賽背景下，需充分利用材料的力學性能，做到“危而不塌”。需要指出的是，實際工程結(jié)構(gòu)設(shè)計一般應(yīng)遵守相關(guān)設(shè)計規(guī)范，保留足夠安全系數(shù)，這與結(jié)構(gòu)大賽設(shè)計理念有所差異，但其中的設(shè)計要點并無不同。對于結(jié)構(gòu)賽而言，典型的“構(gòu)件-載荷”組合包括：桿件-軸壓、桿件-軸拉、桿件-橫向荷載、桿件-力矩、桿件-扭矩等，除了根據(jù)本節(jié)材料測試強度及經(jīng)典設(shè)計公式（如歐拉公式）給出理想條件下的構(gòu)件名義極限載荷，還應(yīng)通過試驗進行極限強度測定。上述兩個結(jié)果對比的意義在于：理論公式往往基于理想狀態(tài)假設(shè)，忽略了材料自身缺陷及構(gòu)件制作工藝引入的偏差（如實際竹構(gòu)件往往是通過膠水粘接等方式由竹皮制作而成的，而實際竹皮厚度是不均勻的，粘接得到的桿件也不是理想筆直的。實際工程采用的鋼構(gòu)件也是如此，這也是工程結(jié)構(gòu)引入安全系數(shù)的原因，即考慮材料、結(jié)構(gòu)參數(shù)不確定性引入的強度折減），其預(yù)測值往往顯著高于實際值（圖5[7]），特別是受壓構(gòu)件，因為壓桿穩(wěn)定問題對結(jié)構(gòu)的初始缺陷非常敏感，包括載荷偏心、材料變異性、幾何不均和構(gòu)件不直度等。通過測試，可確定典型構(gòu)件的強度折減因子ρ，用于指導(dǎo)實際結(jié)構(gòu)設(shè)計，也能進一步加深學生對安全系數(shù)設(shè)定的認知，盡管結(jié)構(gòu)賽追求材料強度的極致，但依然應(yīng)有較小的安全系數(shù)，以確保留有一定的安全裕度。

（二）? 詳細結(jié)構(gòu)設(shè)計——計算為主，實驗為證

至此，我們已經(jīng)能對“需求分析-初步方案設(shè)計”兩個環(huán)節(jié)開展相關(guān)工作。需要指出的是，此時我們僅能給出一個整體結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計方案，尚無詳細的構(gòu)件尺寸設(shè)計。在結(jié)構(gòu)大賽中，可用的竹材形式及尺寸是相對有限的，兼顧制作的可行性和便利性，則可用的構(gòu)件尺寸也是較少的，這給結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計及校驗帶來了一定簡化。在該過程中，可先根據(jù)以往經(jīng)驗設(shè)計一組尺寸，然后采用結(jié)構(gòu)力學或有限元相關(guān)知識對初步方案的結(jié)構(gòu)強度進行安全校核。盡管結(jié)構(gòu)賽的模型相對簡單，但也都是三維模型，由于本科階段的結(jié)構(gòu)力學所講述內(nèi)容大多局限于二維平面框架結(jié)構(gòu)，對于三維結(jié)構(gòu)，其計算過程和數(shù)學模型建立也都存在一定難度。鑒于此，該環(huán)節(jié)一般可基于ABAQUS、ANSYS等現(xiàn)有商用軟件采用有限元等數(shù)值分析方法近似求解。然而，作為一種專業(yè)的分析工具，正確、高效使用有限元軟件對學生而言也是不小的挑戰(zhàn)。針對當下大型復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的需求，廈門大學土木工程系開設(shè)了土木工程計算機軟件應(yīng)用，課程重點介紹有限元的基本概念、約定、建模分析技巧、參數(shù)化建模分析方法[8-9]等，結(jié)合實際工程案例分析強化有限元數(shù)值分析的基本要點和流程，并輔以介紹有限元的基本理論[10]，盡量做到讓學生知其然，知其所以然。從結(jié)構(gòu)設(shè)計實用的角度而言，有限元數(shù)值分析課程基本替代了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學課程的功能，但在理論研究上結(jié)構(gòu)力學相關(guān)知識依然不可或缺。

在有限元數(shù)值分析中，經(jīng)過建立幾何模型，材料定義，全局組裝，載荷施加，數(shù)值離散及求解，即可對當前結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)尺寸下的結(jié)構(gòu)安全性進行判斷，從而修正結(jié)構(gòu)尺寸，如壓桿長度、壁厚及桿件截面尺寸。進而將修正后的模型重新計算校驗，以判斷結(jié)構(gòu)的安全性。對于竹材而言，其抗壓強度遠低于抗拉強度，分析過程中應(yīng)加以區(qū)分。此外，必要的話可考慮材料的各向異性，進行更精細化的數(shù)值分析。一旦數(shù)值模型強度校核通過（圖6），即可進行模型制作，進而對模型進行試驗驗證（圖7），以檢驗當前設(shè)計方案的合理性。注意：數(shù)值模型強度校核滿足并不能確保所做模型順利通過試驗，這主要受材料變異性、構(gòu)件幾何尺寸不均勻性、構(gòu)件不直度、加載不理想等因素的影響。因此，在數(shù)值分析時，一般都會留有安全裕度。一旦試驗通過，則可進一步減小安全系數(shù)或者采用更小的結(jié)構(gòu)尺寸，反之亦然，應(yīng)進一步進行結(jié)構(gòu)加強。結(jié)構(gòu)尺寸的改變一般會導(dǎo)致應(yīng)力重分布，因此，原先安全的結(jié)構(gòu)在其他構(gòu)件局部加強后可能成為危險失效構(gòu)件。這種理論值和實驗結(jié)果的偏差對學生學習、科研探索及工程實踐是一種很好的啟發(fā)，應(yīng)加以推廣。

（三）? 面向工程應(yīng)用的結(jié)構(gòu)設(shè)計課程體系設(shè)置

依托結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽5大環(huán)節(jié)學習和實踐，可將土木工程核心課程有機結(jié)合，實現(xiàn)理論與實踐高度統(tǒng)一，落實專業(yè)知識扎實，創(chuàng)新能力強的卓越型工程人才培養(yǎng)目標，是一種值得推廣的教學方式。此外，設(shè)置專業(yè)概論型課程，讓杰出設(shè)計大師主講大國工程，深刻的工程事故教訓(xùn)以及結(jié)構(gòu)賽精彩回顧等內(nèi)容，培養(yǎng)學生的專業(yè)認同感、自豪感和興趣，使其具備扎根本專業(yè)的情懷?；谏鲜鰞?nèi)容，設(shè)置課程體系如圖8所示。

二? 結(jié)束語

本文以專業(yè)素質(zhì)培養(yǎng)為目標，依托結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽，提出了面向工程應(yīng)用的土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計一體化課程體系設(shè)置及教學方法，得到以下幾點結(jié)論。

1）土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計課程設(shè)置中，應(yīng)著力打造關(guān)聯(lián)課程群，實現(xiàn)相關(guān)課程的一體化教學，讓學生將知識點融會貫通。

2）土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計教學過程中，應(yīng)遵循興趣為驅(qū)動，理論為先導(dǎo)，實踐為抓手，成才為目的的教學模式。

3）新工科教育應(yīng)以素質(zhì)教育為重點，及時引入前沿的知識、工具和新的教學內(nèi)容，進行知識更新和方法更新，以引發(fā)學生學習興趣，適應(yīng)當下解決實際復(fù)雜工程、科學研究對創(chuàng)新能力的需求。

參考文獻：

[1] 莊茁.虛擬工程結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用[C]//第十一屆全國結(jié)構(gòu)工程學術(shù)會議論文集第I卷，2002.

[2] TURNER M J， CLOUGH R W， MARTIN H C， et al. Stiffness and deflection analysis of complex structures[J]. Journal of the Aer-onautical Sciences（Institute of the Aeronautical Sciences）， 1956，23（9）：805-823.

[3] 鐘登華.新工科建設(shè)的內(nèi)涵與行動[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[4] 鄧小林.Abaqus有限元軟件在材料力學課程教學中的應(yīng)用[J].裝備制造技術(shù)，2017（9）：181-184.

[5] 王俊奇，顏月霞.土力學課程教學內(nèi)涵及依托ABAQUS軟件的研究性教學改革[J].中國冶金教育，2016（6）：19-25.

[6] 宋宜祥，王玲，劉明泉.Abaqus在有限元分析及應(yīng)用課程教學中的實踐[J].山西建筑，2021，47（11）：179-180，191.

[7] WAGNER H N R， H？譈HNE C， ROHWER K， et al. Wiedemann. Stimulating the realistic worst case buckling scenario of axially compressed unstiffened cylindrical composite shells[J].Composite Structures，2017，160：1095-1104.

[8] 于福臨，宋磊，冀玲玲，等.基于Python語言的船舶有限元分析本科生課程人工智能教學改革研究[J].國際公關(guān)，2020（7）：91-92.

[9] 余建星，王華昆，余楊，等.深海管道試驗的數(shù)值模擬理論及應(yīng)用[M].天津：天津大學出版社，2019.

[10] LOGAN. A First Course in the Finite Element Method [M]. SI Edition， Fifth Edition， 2014.