土木工程專業(yè)結(jié)構(gòu)抗火課程建設(shè)探索與實踐

摘要：火災(zāi)是威脅建筑結(jié)構(gòu)安全的主要災(zāi)害之一，結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計是鋼結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)設(shè)計中非常關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。隨著《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》（GB 51249—2017）的應(yīng)用和推廣，結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計方法也從傳統(tǒng)的基于試驗的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計方法過渡到基于計算的結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計方法。為了開闊學(xué)生專業(yè)視野，提高專業(yè)技能，掌握結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計的基本理論和基本方法，培養(yǎng)結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計的能力，提升專業(yè)核心競爭力，重慶大學(xué)從2011年開始開設(shè)研究生選修課高等工程防火理論，從2020年開始開設(shè)本科生特色專業(yè)選修課結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計基本原理。本文概述了作者對本科生課程的建設(shè)探索與實踐，介紹了課程培養(yǎng)層次、目的和目標，通過多個教學(xué)內(nèi)容片段重點討論了科研成果支撐教學(xué)的嘗試，課程教學(xué)中有機融入思政的方法，為土木工程同類特色專業(yè)選修課的建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：土木工程；結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計；課程建設(shè)；思政；考核方式

中圖分類號：TU392 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2024）06-0091-09

土木工程專業(yè)面向國家建設(shè)需要，適應(yīng)行業(yè)未來的發(fā)展方向，培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展，具備家國情懷、良好的人文素養(yǎng)、職業(yè)道德和社會責(zé)任感，掌握相關(guān)自然科學(xué)基礎(chǔ)知識、土木工程學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)和專業(yè)知識，勝任與土木工程相關(guān)的設(shè)計、施工、運維、管理、科教等工作，能夠解決土木工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問題，并具有較強的實踐和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的行業(yè)精英和國家棟梁［1］。結(jié)構(gòu)抗火是結(jié)構(gòu)防災(zāi)減災(zāi)的重要分支，與結(jié)構(gòu)抗震和結(jié)構(gòu)抗風(fēng)并列為結(jié)構(gòu)防災(zāi)減災(zāi)的三大方向。結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計是土木工程專業(yè)人員需要掌握的一項重要技能，在土木工程專業(yè)的本科生和研究生中開設(shè)相關(guān)課程十分必要。開展一流課程建設(shè)，提高課程教學(xué)質(zhì)量，是高等學(xué)校的重中之重［2］，目前多數(shù)高校的土木工程專業(yè)未開設(shè)結(jié)構(gòu)抗火相關(guān)課程，僅有部分高校在研究生課程中開設(shè)了結(jié)構(gòu)抗火專題。為了提升土木工程專業(yè)學(xué)生工程抗火設(shè)計能力等核心競爭力［3］，重慶大學(xué)從2011年開始開設(shè)研究生選修課高等工程防火理論，從2020年開始開設(shè)本科生特色專業(yè)選修課結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計基本原理。本文概述了本科生課程的建設(shè)思路，重點介紹了科研成果支撐教學(xué)的嘗試，課程教學(xué)中有機融入思政的方法，課程考核方式的改革及建設(shè)效果，為相關(guān)院校同類課程建設(shè)提供參考。

一、課程概況

（一） 培養(yǎng)層次和課程目的

課程的培養(yǎng)層次是大學(xué)本科，課程名稱為結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計基本原理，24學(xué)時，1.5學(xué)分。開課目的，一是開闊本科生專業(yè)視野，提高專業(yè)技能；二是讓本科生掌握結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計的基本方法，培養(yǎng)結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計的能力。側(cè)重介紹結(jié)構(gòu)抗火的基礎(chǔ)知識、基本原理和實用方法等內(nèi)容，結(jié)合《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》（GB 51249—2017），講述結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計中的參數(shù)取值和方法選擇。

（二） 課程目標

（1）熟悉火災(zāi)的升溫過程，掌握結(jié)構(gòu)抗火的基本知識；熟悉結(jié)構(gòu)火災(zāi)下的受力特點；掌握結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗火的基本方法；能夠?qū)窘Y(jié)構(gòu)構(gòu)件在火災(zāi)下的溫度和受力進行分析和計算，并能建立相應(yīng)的力學(xué)模型并求解；（2）能應(yīng)用相關(guān)知識，綜合分析影響構(gòu)件抗火性能的各種因素，對復(fù)雜工程問題的解決方案加以比較和綜合，具備優(yōu)選結(jié)構(gòu)體系，防火保護方案、材料、施工工業(yè)的能力；并能通過恰當(dāng)?shù)墓こ陶Z言加以表述；（3）能根據(jù)結(jié)構(gòu)抗火性能的特點，在具有特定需求的結(jié)構(gòu)體系中加以利用和創(chuàng)新，設(shè)計火災(zāi)下安全可靠的體系或構(gòu)件。為實現(xiàn)上述課程目標，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容制定的課程教學(xué)計劃如表1所示。

二、科研支撐課程建設(shè)的方法和途徑

結(jié)合作者20余年從事主要針對高強鋼結(jié)構(gòu)、冷彎薄壁鋼結(jié)構(gòu)、鋼管約束混凝土結(jié)構(gòu)、鋼-混凝土組合梁、鋁合金結(jié)構(gòu)等開展的材料和結(jié)構(gòu)試驗、有限元模擬分析和設(shè)計理論研究經(jīng)驗。開展研究過程和產(chǎn)出的科研成果都為課堂教學(xué)提供了良好的支撐。結(jié)合四個具體案例介紹科研對教學(xué)的支撐方法。

（一） 高溫下結(jié)構(gòu)材料特性

高溫下結(jié)構(gòu)材料特性是結(jié)構(gòu)抗火課程的基礎(chǔ)和重要內(nèi)容，主要介紹鋼材和混凝土在高溫下強度、彈性模量、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型等與溫度的關(guān)系。材料高溫力學(xué)性能參數(shù)的取值是結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計的基礎(chǔ)，在講述高溫下結(jié)構(gòu)材料特性這章內(nèi)容時，重點介紹結(jié)構(gòu)材料的物理性能和力學(xué)性能指標的取值，物理性能指標包含比熱、熱傳導(dǎo)系數(shù)、熱膨脹系數(shù)等，力學(xué)性能指標包含強度、彈性模量、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、蠕變等。獲得材料高溫特性的方法主要是試驗，有熱工參數(shù)測量試驗，高溫拉伸試驗，高溫蠕變試驗等。為了提升學(xué)生對科研的興趣，課堂上穿插講述高溫拉伸試驗如何確定拉伸速率、如何精確測量試驗中的溫度和應(yīng)變，測量應(yīng)變時常常出現(xiàn)高溫引伸計滑移或達到了量程而試件尚未破壞，如何進行調(diào)整和數(shù)據(jù)處理等，并把相應(yīng)的試驗照片和試驗結(jié)果展示出來，這些內(nèi)容的設(shè)計可為學(xué)生繼續(xù)深造奠定基礎(chǔ)。

（二） 鋼構(gòu)件在火災(zāi)下的升溫計算

在講述高溫下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的升溫計算時，介紹了計算鋼構(gòu)件升溫的六種計算模型：（1）無防火保護的均勻升溫；（2）有輕質(zhì)防火保護的均勻升溫；（3）有非輕質(zhì)保護層的均勻升溫；（4）無防火保護的非均勻升溫；（5）有輕質(zhì)防火保護的非均勻升溫；（6）有非輕質(zhì)保護層的非均勻升溫。圖1為無防火保護的均勻升溫和無防火保護的非均勻升溫兩種典型情況的升溫曲線。課堂教學(xué)主要介紹前兩種模型的計算原理和公式，即集中熱容法和溫度增量公式。針對計算非均勻升溫情況，結(jié)合抗火試驗中測量的溫度曲線，介紹有限元熱分析及如何對得到的結(jié)果進行判斷，通過試驗結(jié)果和有限元模擬分析的對比，考察參數(shù)取值，例如比熱對結(jié)果的影響程度，并對分析結(jié)果的關(guān)鍵特征進行探索，由于鋼材在700℃附左右時比熱迅速增加，因而分析鋼構(gòu)件升溫時，如果溫度達到700℃，升溫曲線會呈現(xiàn)出明顯的平緩升溫段（圖1b）。

此外，介紹鋼構(gòu)件升溫時會引入一個重要的概念，即截面形狀系數(shù)F/V，指構(gòu)件單位長度的表面積F 與體積V 的比值，單位為m-1，截面形狀系數(shù)越大，溫度升高越快。為了便于理解，以紅湯火鍋時選擇葉子菜和萵筍頭為例進行形象介紹，吃紅湯火鍋時選擇葉子菜很少，因為葉子菜截面形狀系數(shù)太大，吸油太多，從而太辣而難以下咽，而萵筍頭的截面形狀系數(shù)較小，更適合紅湯火鍋。通過該案例，讓學(xué)生明白專業(yè)詞匯也不一定枯燥乏味，也可以生動有趣。

（三） 鋼構(gòu)件抗火設(shè)計方法

對于軸心受壓構(gòu)件和受彎構(gòu)件的抗火驗算和設(shè)計這章內(nèi)容，著重介紹承載力法和臨界溫度法的原理和公式，講述時側(cè)重規(guī)范條文的介紹和引入背景知識。為了增加內(nèi)容趣味性，也會講述科研發(fā)現(xiàn)的過程及現(xiàn)有方法存在的不足和可能改進的方面。例如規(guī)范GB 51249—2017中軸心受壓構(gòu)件高溫下臨界應(yīng)力的計算公式是在常溫下臨界應(yīng)力的計算公式（式1）的基礎(chǔ)上，考慮溫度對鋼材力學(xué)性能指標的影響，直接把與溫度有關(guān)的屈服強度fy和彈性模量E 換成高溫下對應(yīng)的指標fy，T和ET（式2），而忽略了殘余應(yīng)力變化的影響。高溫下殘余應(yīng)力明顯降低，因為高溫下材料屈服強度降低并產(chǎn)生蠕變應(yīng)變，在殘余應(yīng)力較大的位置會產(chǎn)生塑性變形從而釋放一些殘余應(yīng)力。通過展示研究團隊完成的大量焊接殘余應(yīng)力高溫下和高溫后變化趨勢，證實試件溫度達到800℃時殘余應(yīng)力下降到常溫下的20%左右（圖2）。通過該案例講述，讓學(xué)生明白和理解目前規(guī)范中的方法并不完善，還有較大的提升空間，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)和科研動力，鼓勵學(xué)生投身科研事業(yè)。

常溫下軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定臨界應(yīng)力：

式中，σE 為歐拉臨界應(yīng)力，fy為屈服強度，E 為彈性模量，e0為等效初彎曲率，取值如下：a類截面e0 =0.152λˉ - 0.014，b 類截面e0 = 0.300λˉ - 0.035；c 類截面e0 = 0.595λˉ - 0.094λˉ ≤ 1.05，e0 = 0.302λˉ +0.216λˉ gt; 1.05；d類截面e0 = 0.915λˉ - 0.132λˉ ≤ 1.05，e0 = 0.432λˉ + 0.375λˉ gt; 1.05。

4類截面中，λˉ取值為：

式中：λ為構(gòu)件長細比。

高溫下軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定臨界應(yīng)力：

式中：σET為高溫下歐拉臨界應(yīng)力；fyT為高溫下屈服強度；ET為高溫下彈性模量。

（四） 鋼-混凝土組合梁抗火設(shè)計

在講述組合梁抗火驗算和設(shè)計章節(jié)內(nèi)容時，重點強調(diào)組合梁的抗火設(shè)計是采用高溫下塑性極限承載力作為承載力的極限狀態(tài)，因此，如何計算組合梁不均勻溫度分布下的塑性極限承載力是組合梁抗火設(shè)計的關(guān)鍵。通過大量的數(shù)值計算，發(fā)現(xiàn)組合梁的臨界溫度主要與組合梁樓板的厚度、耐火極限和荷載比三個參數(shù)有關(guān)。課堂主要講述溫度分布的確定方法，不均勻溫度分布下組合梁塑性極限承載力的計算理論。為增加內(nèi)容深度和趣味性，課堂上介紹組合梁的抗火性能試驗，部分抗剪組合梁的撓度和剪切滑移計算方法，以及研究生如何通過研究組合梁抗火性能申請軟件著作權(quán)登記、發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文。通過具體案例，大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，同時也提升了學(xué)習(xí)效果。

三、教材建設(shè)

該課程的教材一直參考中國建筑工業(yè)出版社2006年出版的李國強教授等編著的《鋼結(jié)構(gòu)和鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計》［4］。該專著對CECS 200建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范［5］有明確的解釋和說明，主要介紹了同濟大學(xué)和清華大學(xué)在鋼結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)抗火方面的科研成果。2017年頒布的國家標準GB 51249建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范［6］，雖然名稱和CECS200建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范完全一樣，但內(nèi)容有較多的變化，例如設(shè)計指標由采用屈服強度改為了采用設(shè)計強度，增加了組合梁的臨界溫度法，增加了等效熱阻的測定和應(yīng)用等。為了把最新的規(guī)范內(nèi)容融入教材，重慶大學(xué)聯(lián)合同濟大學(xué)、天津大學(xué)正在編寫《結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計基本原理》，已經(jīng)與中國建筑工業(yè)出版社簽訂出版協(xié)議。該教材2022年作為新編教材已經(jīng)入選中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部“十四五”規(guī)劃教材，預(yù)計2024年出版發(fā)行。2022年9月，該教材獲得2022年重慶大學(xué)土木工程特色選修課課程建設(shè)項目資助。此外，由杜詠等編寫的《結(jié)構(gòu)工程防火》［7］也可以供教學(xué)參考和使用。

四、思政建設(shè)及案例

高校之根本在于“立德”與“樹人”，思政教育是立德的有效手段之一［8-9］。專業(yè)課程與思政教育的深度融合是當(dāng)前大思政背景下對高等教育提出的必然要求［10］。為深入貫徹落實習(xí)近平總書記關(guān)于教育的重要論述和2018年全國教育大會精神，貫徹落實中共中央、國務(wù)院《關(guān)于深化新時代學(xué)校思想政治理論課改革創(chuàng)新的若干意見》，把思想政治教育貫穿人才培養(yǎng)體系，提高高校人才培養(yǎng)質(zhì)量，教育部2020年5月印發(fā)實施了《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》，旨在把思想政治教育貫穿人才培養(yǎng)體系和全面推進高校課程思政建設(shè)，發(fā)揮好每門課程的育人作用，提高高校人才培養(yǎng)質(zhì)量［11］。課程在專業(yè)內(nèi)容講述中融入了一些思政元素和素材，結(jié)合具體講授內(nèi)容介紹思政元素的融入過程和方法。

（一） 家國情懷

介紹結(jié)構(gòu)抗火學(xué)科的發(fā)展歷程時，重點介紹中國在結(jié)構(gòu)抗火領(lǐng)域取得的巨大成就，我國從20世紀80年代末開始從事結(jié)構(gòu)抗火研究，比國外晚了30余年。雖然起步較晚，但通過對比國內(nèi)和國外的研究，以及作者在國外大學(xué)的研究經(jīng)歷，目前國內(nèi)結(jié)構(gòu)抗火研究接近國際先進水平，在鋼結(jié)構(gòu)抗火方面已經(jīng)達到國際先進水平，以此增強學(xué)生的愛國主義情懷和社會責(zé)任感。隨著中國科研經(jīng)費的大力投入及科研設(shè)備的更新?lián)Q代，科研成果取得了長足的進步，以SciVol數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計的結(jié)構(gòu)抗火高水平論文數(shù)量和質(zhì)量為基礎(chǔ)，列舉了近5年發(fā)表的論文數(shù)量，中國以486篇位居世界第一，美國以188篇位居第二，英國以171篇位居第三，以此增強學(xué)生的文化自信和制度自信。

（二） 工程倫理和工匠精神

介紹火災(zāi)的巨大社會危害時，介紹近些年中國重大火災(zāi)傷亡人數(shù)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，如表2所示。結(jié)合一些典型火災(zāi)案例介紹火災(zāi)造成的重大財產(chǎn)損失，例如2004年12月21日，湖南省常德市鼎城區(qū)橋南市場發(fā)生特大火災(zāi)，燒毀3 220個門面、30個倉庫，過火面積8 3276 m2，直接財產(chǎn)損失1.876億元；2006年5月4日，比利時布魯塞爾國際機場飛機維修庫發(fā)生大火，損失數(shù)十億歐元；2015年8月12日，天津市濱海新區(qū)瑞海公司危險品倉庫發(fā)生火災(zāi)和爆炸，損失68.66億元。以此強化結(jié)構(gòu)火災(zāi)安全的保障措施和工程師的責(zé)任和義務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生弘揚職業(yè)道德、發(fā)揚工匠精神，為國家安全生產(chǎn)和安全制造提供技術(shù)支撐。

（三） 使命擔(dān)當(dāng)

講述組合梁抗火設(shè)計的臨界溫度法的來源和發(fā)展過程時，結(jié)合作者自身科研經(jīng)歷介紹方法的推導(dǎo)過程，寫入國家標準的經(jīng)歷，激發(fā)學(xué)生的科研熱情，鼓勵學(xué)生勇于創(chuàng)新，培養(yǎng)敬業(yè)精神。講述防火涂料的質(zhì)量和品牌時，對比分析國外先進的防火涂料產(chǎn)品和中國制造的防火涂料產(chǎn)品，指出國外材料的防火性能優(yōu)良，耐久性好，但價格昂貴；中國制造的防火涂料產(chǎn)品質(zhì)量有大幅度提升，而且物美價廉。以此增強學(xué)生的民族自豪感和自信心，同時激勵學(xué)生不甘落后，敢為人先，為提升我國產(chǎn)品的性能和質(zhì)量貢獻自己的智慧和力量。

（四） 道德法制

講述建筑消防措施時，強調(diào)暢通消防通道對及時滅火的重要性，而現(xiàn)實中消防通道經(jīng)常被占用。以2020年1月重慶市渝北區(qū)加州花園A4幢發(fā)生火災(zāi)為例，消防通道被堵，延誤消防車通行，以此引入道德法制的思政元素，警醒大家遵紀守法。在講述防火涂料的檢驗和驗收時，指出實際工程中經(jīng)常出現(xiàn)送檢產(chǎn)品和工程中實際應(yīng)用的產(chǎn)品質(zhì)量不一致的情況，一方面是目前的驗收方法存在一定的漏洞，另一方面是部分涂料生產(chǎn)廠家或施工單位存在不誠信行為，以此告誡學(xué)生發(fā)揚工程師職業(yè)道德精神，誠實守信，嚴把質(zhì)量關(guān)，將建筑火災(zāi)的安全隱患降到最低。

五、課程評價方式

課程評價方式主要是課程考核，傳統(tǒng)考核方式側(cè)重于考查理論知識，難以反映出學(xué)生對課程的掌握程度，尤其是實踐能力的培養(yǎng)［12］，為提高學(xué)生主動參與課程學(xué)習(xí)的積極性，體現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的“學(xué)習(xí)主體”作用，運用研討式教學(xué)法提高學(xué)生在教學(xué)過程中的參與度，加強學(xué)生與教師之間的互動，加深學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解和應(yīng)用［13］。而研討的考核方式可擺脫傳統(tǒng)的固化思維，能夠較好地發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，有利于培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的綜合能力。

本課程的考核方式是考試，期末考試成績占70%，平時表現(xiàn)占30%。平時表現(xiàn)中，作業(yè)完成質(zhì)量占10%和課堂參與討論情況占20%，課程考試方式與課程目標的對應(yīng)關(guān)系如表3所示。為了啟發(fā)獨立思考和鼓勵學(xué)生積極參與，開展多樣式課堂研討，例如教師提出問題，學(xué)生舉手發(fā)言，表達自己對該問題的理解和看法，或者教師提出一個觀點，請學(xué)生評判正確與否，并組織小組進行辯論，以平時成績作為激勵，鼓勵學(xué)生積極參與討論和發(fā)表個人觀點。

六、課程建設(shè)效果

從選課人數(shù)和評教角度分析課程建設(shè)的效果，學(xué)生網(wǎng)上評教以方便性、及時性、民主性的特點被國內(nèi)多數(shù)高校采用［14］。為豐富數(shù)據(jù)，也將研究生課程數(shù)據(jù)納入進來，研究生開課12年以來，選課人數(shù)和學(xué)生評教分數(shù)如圖3 所示，其中，2014 年因主講教師王衛(wèi)永出國訪學(xué)，由其他教師代課。2017年開始，學(xué)院規(guī)定選課人數(shù)小于10人停止開課，造成2017—2019三年未能正常開展。本科生課程第一年開設(shè)時11人選課，第二年人數(shù)增至65人，達到選課人數(shù)上限。從學(xué)生評教分數(shù)看，每年分數(shù)均在95分以上。從排序百分比看，研究生課程最好的是2021年，為3.6%，最差的是2013年，為44.8%，本科生兩年分別為6.3%和23.4%（排序百分比是全院教師根據(jù)分數(shù)進行的逆向排序，即分數(shù)越高，排序百分比越?。?/p>

七、結(jié)語

人才培養(yǎng)是高等學(xué)校的核心任務(wù)，高校教師開展科學(xué)研究可以更好地提升人才培養(yǎng)的質(zhì)量，在授課中采用最新的科研成果作為支撐，可以促進創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。思政內(nèi)容的有機融入需要深入挖掘思政元素，通過設(shè)計思政案例起到潤物無聲的育人效果。課程建設(shè)工作任重道遠，需要多方面完善?；谧髡叨嗄甑慕虒W(xué)經(jīng)歷和課程建設(shè)實踐，對土木工程專業(yè)的結(jié)構(gòu)抗火課程建設(shè)進行了一些探討，本文介紹的課程建設(shè)思路，尤其是關(guān)于科研成果支撐教學(xué)的嘗試，課程教學(xué)中思政元素融合的方法，能為同類課程建設(shè)提供參考。

參考文獻：

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（責(zé)任編輯 鄧云）

基金項目：重慶大學(xué)教材建設(shè)項目（2022JC11）