智能建造背景下結(jié)構(gòu)設(shè)計原理教學(xué)創(chuàng)新與實踐

關(guān)鍵詞：智能建造；結(jié)構(gòu)設(shè)計；課程體系；案例分析；教學(xué)改革中圖分類號：G642;TU-4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-2909（2025）04-0159-08

智能建造[1]專業(yè)是面向國家戰(zhàn)略需求和建筑業(yè)升級轉(zhuǎn)型，以土木工程專業(yè)為基礎(chǔ)，融合計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、機(jī)械自動化、工程管理等專業(yè)發(fā)展而成的新工科專業(yè)，代表了國家“互聯(lián)網(wǎng) + 建筑業(yè)”的前沿發(fā)展2。截至2022年全國已有69所高校開設(shè)智能建造專業(yè)，但課程體系設(shè)置及教學(xué)框架依然是傳統(tǒng)土木學(xué)科模式。2017年2月，教育部[3明確提出了新工科的建設(shè)要求，強(qiáng)調(diào)學(xué)科的新興拓展、新型升級與新生交叉，尤其注重智能化、數(shù)字化、物網(wǎng)化等新技術(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)的緊密結(jié)合。

在新工科及智能建造專業(yè)發(fā)展雙重驅(qū)動下，高等工程教育必須改革高校專業(yè)人才培養(yǎng)模式，將最新的行業(yè)發(fā)展成果及工程實踐應(yīng)用于工程教育教學(xué)，與現(xiàn)有教學(xué)體系進(jìn)行融合創(chuàng)新，注重內(nèi)涵建設(shè)與質(zhì)量提升，培養(yǎng)具有信息化素養(yǎng)、創(chuàng)新實踐精神、綜合管理能力的現(xiàn)代新型工科人才。

結(jié)構(gòu)設(shè)計原理是土木工程專業(yè)的主干課程，教學(xué)內(nèi)容涵蓋鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)五種現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理。課程不僅要促使學(xué)生明確現(xiàn)代結(jié)構(gòu)的技術(shù)發(fā)展，掌握專業(yè)結(jié)構(gòu)計算知識的基本目標(biāo)，還要積極融合智能建造的發(fā)展趨勢，培養(yǎng)學(xué)生基于最新數(shù)字設(shè)計、增材建造技術(shù)信息，獨(dú)立開展空間結(jié)構(gòu)設(shè)計分析的能力，提高學(xué)生對工程科學(xué)發(fā)展的適應(yīng)能力，為其專業(yè)發(fā)展和建造實踐打下良好基礎(chǔ)。課程改革充滿了必要性和迫切性。

一、工程結(jié)構(gòu)建造發(fā)展過程及其趨勢分析

（一）現(xiàn)代建筑工業(yè)建造技術(shù)發(fā)展過程

隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步和計算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，材料制造發(fā)展經(jīng)歷了等材制造、減材制造、增材制造三個階段。其中增材制造[4]（Additive Manufacturing，AM）技術(shù)是伴隨著第三次工業(yè)革命浪潮發(fā)展起來的新型材料制造技術(shù)，采用逐漸累加的方法制造實體，相對于傳統(tǒng)的材料去除-切削加工技術(shù)，是一種“自下而上、積少成多\"的制造方法，被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命最具標(biāo)志性的生產(chǎn)工具”。作為數(shù)字化智能建造技術(shù)，3D打印憑借其機(jī)械化程度高、節(jié)約材料、提高生產(chǎn)效率等優(yōu)勢，迅速成為一種全新制造方式，在航空航天、生物醫(yī)療、軌道交通、智能建造等戰(zhàn)略領(lǐng)域均展示出巨大的技術(shù)優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景，也推動土木工程基礎(chǔ)設(shè)施智能建造成為國家重要戰(zhàn)略方向。積極規(guī)劃和探索智慧基礎(chǔ)設(shè)施、智能建造等，推動綠色化建造的發(fā)展，不僅可以解決目前土木工程行業(yè)面臨的勞動力不足、機(jī)械程度低、模板支護(hù)費(fèi)工費(fèi)時等一系列困境和難題，還可以為現(xiàn)代工業(yè)化建造和建設(shè)工程藝術(shù)化建造提供有力的支撐。3D打印技術(shù)主要經(jīng)歷了三個發(fā)展階段5，基本上每十年實現(xiàn)一個質(zhì)的飛躍。

第一個階段是20世紀(jì)80年代后期至20世紀(jì)90年代初期，第一臺商用3D打印機(jī)問世，打印技術(shù)處于初級階段，只能使用塑料類材料，打印速度、精度和質(zhì)量水平有限，僅適用于制造小型構(gòu)件。因此，當(dāng)時3D打印技術(shù)多出現(xiàn)在藝術(shù)、工業(yè)設(shè)計、服裝、建筑等領(lǐng)域，被用于制作設(shè)計原型或概念模型。和傳統(tǒng)工藝相比，3D打印的原型制作速度快，設(shè)計變更成本較低，設(shè)計師可以更輕松地測試不同的產(chǎn)品版本，根據(jù)客戶反饋及時修改方案，縮短設(shè)計時間。

第二個階段是20世紀(jì)90年代后半期，塑料不再是3D打印的唯一原材料，新型打印機(jī)的出現(xiàn)使金屬合金和耐高溫聚合物成為可選材料，大大豐富了3D打印原型制作的種類。更關(guān)鍵的是，3D打印可以制作金屬模具，用于取代傳統(tǒng)制造技術(shù)中所需的造價高昂、工藝復(fù)雜、耗時冗長的定制模具。3D打印技術(shù)不僅可以在幾個小時內(nèi)完成之前數(shù)周的模具制造量，而且制作過程中的廢料量較之傳統(tǒng)工藝下降了 40% ，其中 95%～98% 的廢料都可以回收利用。由此節(jié)約了大量的時間成本和材料成本。

21世紀(jì)開始，3D打印技術(shù)邁入了第三個階段。隨著材料和設(shè)備的不斷改進(jìn)，3D打印的成本逐漸降低，其速度、質(zhì)量、精度和材料特性顯著提升，達(dá)到了可以直接制作成品的水平。3D打印不再是制造技術(shù)中的一個配角，而是有能力參與整個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，實現(xiàn)全數(shù)字化的生產(chǎn)過程。資料表明[6]：2008—2021年3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模年平均增長率高達(dá) 21.1% ，其中2021年3D打印市場規(guī)模高達(dá)152.44億美元。現(xiàn)今的3D打印技術(shù)不再局限于實驗室和工廠，在人們?nèi)粘Ｉ钪械钠占岸仍絹碓礁?，商店、教室等場所都可以看?D打印機(jī)的身影。未來這項技術(shù)必將完成從商用到民用的轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)3D打印的家庭制造模式。隨著增材建造技術(shù)用于建筑工程等工業(yè)化領(lǐng)域，人類工業(yè)制造經(jīng)歷了5個階段：機(jī)械化、電氣化、自動化、智能化、智慧化[7，即從工業(yè)1.0到工業(yè)5.0。

（二）智能建造技術(shù)及發(fā)展趨勢

隨著混凝土增材建造技術(shù)和設(shè)備的不斷發(fā)展，現(xiàn)階段已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)中小型民用建筑結(jié)構(gòu)的智能建造。雖然D-shape工藝具有更豐富的空間造型能力，但需要循環(huán)處理砂石廢料，容易造成材料和工時的浪費(fèi)。輪廓工藝免模施工，工序簡便，便于形成數(shù)字設(shè)計智能建造一體化管理系統(tǒng)，日益成為混凝土增材建造結(jié)構(gòu)主流技術(shù)。中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)T/CECS786-2020《混凝土3D打印技術(shù)規(guī)程》于2021年5月正式施行。增材智能建造混凝土結(jié)構(gòu)建造技術(shù)集數(shù)字建模、新型建筑材料設(shè)計加工、智能機(jī)器人和機(jī)-電一體化裝備集成管理于一體，是一種按既定設(shè)計和建設(shè)目標(biāo)構(gòu)建預(yù)期建（構(gòu)）筑物的自動化建造技術(shù)。

現(xiàn)有增材混凝土建造硬件系統(tǒng)包括控制主機(jī)、打印設(shè)備、攪拌設(shè)備、泵送設(shè)備和動力驅(qū)動設(shè)備。通過控制主機(jī)發(fā)送操作命令給攪拌設(shè)備，進(jìn)行混凝土備料并泵送至打印設(shè)備，再通過信號轉(zhuǎn)換將命令發(fā)送給所屬的控制電機(jī)。打印硬件控制系統(tǒng)通過參數(shù)設(shè)置，實現(xiàn)打印頭三維方向位置調(diào)節(jié)、打印行走速度控制、打印設(shè)備移動控制。通過預(yù)設(shè)路徑和具體參數(shù)，可以打印不同尺寸、大小和高度的構(gòu)件?，F(xiàn)有增材混凝土建造軟件系統(tǒng)包括數(shù)字模型輸入、切片設(shè)計、打印定位、路徑輸人、參數(shù)設(shè)定、路徑優(yōu)化、圖形顯示、后臺監(jiān)測等功能。用戶可以使用系統(tǒng)包含的繪圖軟件進(jìn)行設(shè)計，并導(dǎo)入打印軟件完成打印。該系統(tǒng)也支持導(dǎo)人通用商業(yè)3D建模軟件的數(shù)字模型。打印軟件系統(tǒng)支持?jǐn)帱c(diǎn)打印，可以在打印過程中隨時暫停，便于解決打印過程中的突發(fā)狀況（如材料準(zhǔn)備不足），滿足現(xiàn)場施工管理和布筋建造需求。同時，打印系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)定的打印流程進(jìn)行打印頭運(yùn)動軌跡動畫模擬，輔助開展打印工藝優(yōu)化和智能建造管理?，F(xiàn)有增材混凝土建造的軟、硬件系統(tǒng)，如圖1所示。

智能建造以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)[7-8]，通過軟件與數(shù)控系統(tǒng)，將專用材料按照擠壓、燒結(jié)、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積，完成產(chǎn)品的制造。智能建造深度融合了信息技術(shù)和建造技術(shù)，是現(xiàn)代工程領(lǐng)域的新興發(fā)展方向，如圖2所示。智能建造也是工程建造的高級階段，其基于大數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字設(shè)計、增材智能建造和結(jié)構(gòu)智能管理維護(hù)，推動了建筑結(jié)構(gòu)智能建造維管模式的根本性變革。

二、從平面到空間轉(zhuǎn)換探索結(jié)構(gòu)設(shè)計原理教學(xué)改革

（一）結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程的特點(diǎn)及難點(diǎn)

為了適應(yīng)國家經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的需求，培養(yǎng)具有扎實的自然科學(xué)、人文科學(xué)知識基礎(chǔ)，具備工程建設(shè)與規(guī)劃、結(jié)構(gòu)設(shè)計、建造管理與控制等方面知識[10-1]及相關(guān)研究、開發(fā)能力的高級工程技術(shù)人才[12]，結(jié)構(gòu)設(shè)計原理的授課內(nèi)容包括材料性能、設(shè)計方法、各類構(gòu)件的力學(xué)分析及設(shè)計方法。進(jìn)入課程學(xué)習(xí)的本科生，已經(jīng)掌握了彈性力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本知識和相關(guān)專業(yè)技能，受到了工程制圖、工程測量、結(jié)構(gòu)計算、規(guī)劃與綜合分析等方面的基本訓(xùn)練，如圖3所示。

1.內(nèi)容繁雜

結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程包含多種型式結(jié)構(gòu)的設(shè)計原理，主要講解材料性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原則。該課程的鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性理論部分，內(nèi)容繁雜難懂，學(xué)生難以理解整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定的區(qū)別及含義。此外，如果教師未能抓住教學(xué)主線，掌握合適的教學(xué)方法，就易造成學(xué)生難以深入理解不同類型結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面的應(yīng)力、應(yīng)變概念，從而在分析不同結(jié)構(gòu)設(shè)計時存在困難。

2.公式晦澀

在學(xué)習(xí)鋼筋混凝土部分時，需要考慮材料的彈塑性，其受彎、受剪、受扭及受壓承載力公式基于較多假設(shè)及實驗數(shù)據(jù)，這對于學(xué)生而言較為復(fù)雜且抽象。同時，結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計最終需要結(jié)合彎、剪、扭空間組合受力開展計算，僅僅在簡化和假設(shè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行公式講解，不利于理解和掌握結(jié)構(gòu)設(shè)計空間力學(xué)原理。

3.實踐性較強(qiáng)

結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程最大的特點(diǎn)是課程理論需與工程結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐相結(jié)合。通過課程設(shè)計，將課程理論學(xué)習(xí)與結(jié)構(gòu)空間建模及演示軟件操作相融合，能夠最大程度地加深學(xué)生對設(shè)計理論的理解，提升其學(xué)習(xí)獲得感。

因此，現(xiàn)階段亟待面向新工科建設(shè)深入開展土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程的教學(xué)改革，加強(qiáng)教學(xué)過程中的創(chuàng)新與實踐，提升現(xiàn)代教學(xué)的數(shù)字化、智能化水平，幫助學(xué)生理解多種結(jié)構(gòu)設(shè)計之間的共性和關(guān)鍵技術(shù)原理，掌握空間結(jié)構(gòu)基本受力分析流程，靈活運(yùn)用設(shè)計計算公式，最終實現(xiàn)學(xué)以致用，成長為應(yīng)用型工程設(shè)計人才。

（二）現(xiàn)有傳統(tǒng)平面教學(xué)模式的總結(jié)與反思

空間彈性體的力學(xué)分析是結(jié)構(gòu)設(shè)計原理的基礎(chǔ)內(nèi)容，如圖4所示。三維微元體力學(xué)解析共有15個變量，需滿足3個平衡方程、6個本構(gòu)關(guān)系、6個幾何方程，以及6個不完全獨(dú)立的應(yīng)變協(xié)調(diào)方程，可以通過“平衡 + 本構(gòu) + 幾何或者平衡 + 本構(gòu) + 協(xié)調(diào)\"構(gòu)成彈性問題的基本方程組，轉(zhuǎn)換成微分方程在某些邊界條件下進(jìn)行求解。

在人工進(jìn)行力學(xué)計算和分析的時代，通過設(shè)定平面應(yīng)力與平面應(yīng)變問題進(jìn)行空間簡化，成為工程力學(xué)等課程的學(xué)習(xí)難點(diǎn)。在計算機(jī)數(shù)值仿真分析算法成為空間結(jié)構(gòu)分析的主流技術(shù)之后，空間結(jié)構(gòu)的精確分析從人工手算進(jìn)入計算機(jī)電算的時代，結(jié)構(gòu)設(shè)計開始針對大跨度、高聳、空間結(jié)構(gòu)開展精準(zhǔn)有效的空間數(shù)值模擬分析計算。然而，根植于經(jīng)典力學(xué)理論和方法的結(jié)構(gòu)設(shè)計原理教學(xué)，還是以平面應(yīng)力和平面應(yīng)變的簡化分析理論作為教學(xué)設(shè)計的基本依據(jù)，難以適應(yīng)智能建造的發(fā)展趨勢。

現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)設(shè)計原理，基于材料科學(xué)和工程結(jié)構(gòu)開展教學(xué)，其課程設(shè)計、計算分析和圖紙構(gòu)造，均建立在2D思維框架中，與實際的3D結(jié)構(gòu)建造產(chǎn)品存在較大的維度差異，如圖5所示。平面的原理設(shè)計和分析模式，難以滿足數(shù)字時代的空間結(jié)構(gòu)設(shè)計需求，也無法與計算機(jī)信息技術(shù)相融合，發(fā)展成為新型智能結(jié)構(gòu)設(shè)計體系。如何在智能建造的時代發(fā)展背景下，從現(xiàn)有的2D結(jié)構(gòu)設(shè)計原理教學(xué)中，基于對空間力學(xué)問題和現(xiàn)代材料性能解析，開展智能空間結(jié)構(gòu)設(shè)計原理教學(xué)，是當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)工程學(xué)科面臨的巨大挑戰(zhàn)。

（三）智能建造和數(shù)字技術(shù)發(fā)展下的教學(xué)改革設(shè)計

當(dāng)前，計算輔助設(shè)計和有限元數(shù)值模擬已經(jīng)成為結(jié)構(gòu)設(shè)計原理的教學(xué)基礎(chǔ)。利用計算機(jī)空間輔助分析將課程設(shè)計與教學(xué)工作相結(jié)合，有助于形成整體性良好的課程理論體系。將數(shù)值模擬與空間模型的動畫演示相結(jié)合，有利于學(xué)生理解晦澀理論和復(fù)雜公式。此外，將設(shè)計基本理論與課程設(shè)計實際結(jié)構(gòu)的整體驗算相結(jié)合，是集中深入的理論與實踐融合教育。

在智能建造背景下開展結(jié)構(gòu)設(shè)計原理的教學(xué)改革時，首先，在例題講授過程中需要突出空間問題在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的必要性和顯著性，結(jié)合工程結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)和基本原理計算，利用新型三維數(shù)字模型軟件開展仿真動態(tài)演示和空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。對于橋梁結(jié)構(gòu)專業(yè)的學(xué)生，某些橋梁的空間穩(wěn)定問題和組合受力問題均具有顯著的空間結(jié)構(gòu)分析特征，可作為日常例題、思考題。

其次，課程設(shè)計的題目和選擇需要考慮工程智能建造技術(shù)和空間受力特征，既要確保有助于學(xué)生掌握課程體系中的關(guān)鍵技術(shù)，又要保障課程設(shè)計與工程實際的相似性，具有一定的應(yīng)用借鑒價值。例如，對于結(jié)構(gòu)工程專業(yè)的學(xué)生，可設(shè)置空間鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析和高聳結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計問題。教師結(jié)合課程設(shè)計和智能建造技術(shù)的進(jìn)行講解，并依托實際工程案例，幫助學(xué)生深人理解空間設(shè)計要點(diǎn)，切實掌握智能建造結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法。

最后，在智能建造背景下，任何一種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計原理都會隨著建造技術(shù)的革新而進(jìn)行設(shè)計方法的改進(jìn)。在課程教學(xué)過程中，需要結(jié)合智能建造技術(shù)最新發(fā)展，對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)教學(xué)進(jìn)行升級和更新。例如，傳統(tǒng)砌體結(jié)構(gòu)采用人工砌筑的方式建造，然而隨著智能建造機(jī)器人的發(fā)明和應(yīng)用，現(xiàn)代砌體結(jié)構(gòu)在砌筑質(zhì)量、結(jié)構(gòu)驗算和失效模式分析方面均得到了較大改善，需要結(jié)合新型砌體材料、建造工藝進(jìn)行詳細(xì)的對比分析和原理教學(xué)，以提升結(jié)構(gòu)設(shè)計原理教學(xué)的工程適用性。

三、案例分析

面向新工科建設(shè)與智能建造雙重驅(qū)動下的工程專業(yè)人才的市場需求，明晰結(jié)構(gòu)工程專業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式的構(gòu)成要素，依托浙江大學(xué)新工科教育基金項目，主要從重塑專業(yè)空間結(jié)構(gòu)設(shè)計理念、重構(gòu)專業(yè)課程體系、強(qiáng)化創(chuàng)新教育、增強(qiáng)理論聯(lián)系實際等方面進(jìn)行教學(xué)改革。通過提煉建筑材料、建筑力學(xué)、建筑結(jié)構(gòu)中共有的知識點(diǎn)，整合多種教學(xué)資源，按照\"總體規(guī)劃 $$ 結(jié)構(gòu)模塊 $$ 知識要點(diǎn) $$ 拼裝組合\"的思路，開展從2D到3D的結(jié)構(gòu)設(shè)計原理教學(xué)改革。

（一）典型教學(xué)案例與教學(xué)效果

在結(jié)構(gòu)設(shè)計原理教學(xué)中，抓住結(jié)構(gòu)空間穩(wěn)定性驗算這個結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)，結(jié)合江蘇無錫312國道獨(dú)柱箱梁橋傾覆的工程案例，利用數(shù)值仿真開展重載車輛空間布置，進(jìn)行動態(tài)傾覆模擬分析，如圖6所示，并針對該特定橋型結(jié)構(gòu)空間尺寸信息和重載車輛交通統(tǒng)計資料開展多工況空間布置的結(jié)構(gòu)受力驗算、穩(wěn)定性驗算。結(jié)合教學(xué)和微課視頻，分析空間布載位置的變化與安全性關(guān)聯(lián)機(jī)制，給出該類空間結(jié)構(gòu)的失效預(yù)警設(shè)計理論基礎(chǔ)。學(xué)生在課程學(xué)習(xí)的過程中結(jié)合工程實況開展結(jié)構(gòu)計算，形成了空間結(jié)構(gòu)設(shè)計及運(yùn)維管理理念，取得了良好的教學(xué)效果。通過課程案例的空間解析和數(shù)字演示，激發(fā)了學(xué)生的深人學(xué)習(xí)興趣。結(jié)合該課程案例，學(xué)生小組獨(dú)立完成了橋梁結(jié)構(gòu)抗傾覆分析設(shè)計，分析了各種空間超載重車車隊在不同車道布置下對橋梁支座拓空和傾覆風(fēng)險的影響，并利用計算機(jī)建模方法建立了數(shù)字模型，分析了空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，分析流程如圖7所示。該方法可結(jié)合工程實踐分析橋梁失效風(fēng)險，實現(xiàn)交通基礎(chǔ)設(shè)施的安全預(yù)警，立項省級大學(xué)生SRTP項目1項，表明教學(xué)改革有助于學(xué)生深刻掌握結(jié)構(gòu)設(shè)計原理，靈活利用設(shè)計理論開展智能工程管理。

（二）課程設(shè)計題自與智能建造教學(xué)案例

在課程設(shè)計環(huán)節(jié)中，以浙江大學(xué)紫金港校區(qū)東、西教學(xué)區(qū)湖上交通人行景觀橋作為設(shè)計題目，針對小型拱橋空間體型優(yōu)化展開設(shè)計流程的講解，分析現(xiàn)有結(jié)構(gòu)設(shè)計建造方法與數(shù)字設(shè)計、增材建造技術(shù)的對比，鼓勵學(xué)生利用有限元數(shù)值仿真對比各設(shè)計結(jié)構(gòu)體型的受力與變形，提出空間最優(yōu)異型拱橋設(shè)計方案。學(xué)生基于結(jié)構(gòu)基本原理建立的空間體型設(shè)計及安全驗算流程如圖8所示。

在優(yōu)秀課程作業(yè)“騰飛橋\"中，學(xué)生以生長中的藤樹和類神經(jīng)元樹突的外觀造型為靈感，設(shè)計了一座總長96.8米的異型剛架橋。該橋采用計算機(jī)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)生成橋梁雛形和完成結(jié)構(gòu)外形的優(yōu)化，省去了傳統(tǒng)設(shè)計中多種橋梁方案的比選和手算工作。藤樹根蔓纏繞，向上生長，寓意“團(tuán)結(jié)協(xié)作，積極發(fā)展”；枝干的結(jié)合處類神經(jīng)元樹突造型，寓意“智慧與生命力”，傳達(dá)“生命即創(chuàng)新”（crea-ture is creative）的理念。在結(jié)構(gòu)建造中采用增材智能建造3D打印和現(xiàn)澆裝配相結(jié)合的施工技術(shù)，可以無模成型，增材自制，實現(xiàn)賦力與形，最大化利用材料，符合低碳環(huán)保的要求。學(xué)生結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程畢業(yè)設(shè)計展開了空間異型橋梁結(jié)構(gòu)的靜力和動力分析，并積極修改課程設(shè)計作業(yè)，參加智能建造相關(guān)設(shè)計比賽“藤飛橋\"在全國混凝土3D打印設(shè)計大賽上，經(jīng)過結(jié)構(gòu)設(shè)計、實體打印、報告演示和答辯講解環(huán)節(jié)，得到領(lǐng)域?qū)＜业囊恢抡J(rèn)可，獲得二等獎。該教學(xué)案例表明，在結(jié)構(gòu)設(shè)計原理教學(xué)過程中，將現(xiàn)有的智能建造技術(shù)與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計原理相融合，有助于學(xué)生清晰地掌握空間結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，形成創(chuàng)新型結(jié)構(gòu)設(shè)計理念，具有良好的可行性和卓越的教學(xué)效果。

四、結(jié)語

建造業(yè)從粗放式人工建造向數(shù)字化智能建造轉(zhuǎn)型已經(jīng)成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢，結(jié)構(gòu)工程專業(yè)是偏應(yīng)用型的專業(yè)，實踐性也較強(qiáng)，必須根據(jù)時代要求進(jìn)行教學(xué)改革。然而傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式均建立在平面力學(xué)分析方法與設(shè)計模式之上，難以適應(yīng)智能建造3D化、數(shù)字化、工業(yè)化的發(fā)展形勢。因此，本文從教學(xué)理念、課堂形式、組織方法、教學(xué)內(nèi)容等方面對結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程進(jìn)行全方位的改革，構(gòu)建全新的課堂教學(xué)體系，極大程度地提高結(jié)構(gòu)工程專業(yè)學(xué)生的空間分析能力。經(jīng)過積極探索，工程空間穩(wěn)定性動態(tài)演示和混凝土拱橋的拓?fù)鋬?yōu)化課程設(shè)計取得了良好的教學(xué)效果，表明傳統(tǒng)建筑專業(yè)課程結(jié)構(gòu)設(shè)計原理的教學(xué)可以與最新智能建造的技術(shù)融合，形成新工科專業(yè)教育教學(xué)模式。

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Teaching innovation and practice of structural design principle under the background of intelligent construction： taking Zhejiang University as an example

SUNXiaoyan，WANGHailong，YANGYingnan （College of Civil Engineering and Architecture， Zhejiang University，Hangzhou 31Oo58，P.R. China）

Abstract： With the gradual integration of traditional construction and modern information technology，the constructionindustry isgradually transforming towards intelligent construction featuringvisualization， industrialization，and informatization.Ithas becomeanimportant development directionof collegesand universities to carry out professional construction and teaching reform. The traditional structural design principle course hassome problems，such asplanarization of space structure，single teaching method， insufcient digitization， informatization，and inteligence in the structural analysis process，and inadequate utilization of information and software resources.This paper systematically analyzes the development process of intelligentconstruction technology.Taking Zhejiang Universityas an example，basedon the technical standards of the construction of new engineering specialty，a new teaching scheme of structural design principle course is put forward from the perspective of curriculum system， teaching method，teaching platform and case analysis. A new educational path of inteligent construction specialty is explored，providing reference for the construction of intelligent construction specialty in other universities.

Key words： inteligent construction; structural design; curriculum system; case analysis; reform in education

（責(zé)任編輯 代小進(jìn)）