基于“概念設(shè)計(jì)”的鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)改革方式論文
一、概念設(shè)計(jì)在鋼結(jié)構(gòu)課程中的重要性
近年來(lái)，概念設(shè)計(jì)的理念被越來(lái)越多的結(jié)構(gòu)工程師所接受。但概念設(shè)計(jì)并非如大多數(shù)工程師所言，是工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的累積，而是在結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)中利用概念進(jìn)行判斷、推理、創(chuàng)新和決策的方法和過(guò)程；其基本思路是在特定的建筑空間中用整體概念來(lái)正確處理構(gòu)件與構(gòu)件、構(gòu)件與結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系，是結(jié)構(gòu)工程師基本結(jié)構(gòu)理念的集中體現(xiàn)[1-2]。目前，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)已經(jīng)在工程設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用，計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力是當(dāng)今社會(huì)衡量畢業(yè)生能力的一個(gè)重要指標(biāo)。但對(duì)結(jié)構(gòu)分析軟件（或電算程序）的計(jì)算結(jié)果，如何進(jìn)行分析判斷和校核？這就需要學(xué)生融合概念設(shè)計(jì)的理念，掌握力學(xué)概念、材料概念、荷載概念、施工概念、使用概念等等，并運(yùn)用到結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)、構(gòu)件布置、計(jì)算結(jié)果的分析中。
盡管概念設(shè)計(jì)已經(jīng)在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越大的作用，但在高校教學(xué)中，尤其是在房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程教學(xué)中，概念設(shè)計(jì)的作用并未充分體現(xiàn)。學(xué)生在完成鋼結(jié)構(gòu)基本原理的學(xué)習(xí)之后，雖然具備了計(jì)算構(gòu)件及連接的能力，能套用公式解題，也能輕松設(shè)計(jì)一個(gè)單根構(gòu)件，但對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)單的工程設(shè)計(jì)卻感到無(wú)從下手。此外，由于擔(dān)心工作后缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，學(xué)生常將更多時(shí)間花在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的學(xué)習(xí)上，對(duì)計(jì)算機(jī)過(guò)分依賴。這種狀況造成學(xué)生綜合分析判斷能力的下降，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念模糊不清。設(shè)計(jì)大師林同炎先生曾說(shuō)，現(xiàn)在的教育是先教構(gòu)件的設(shè)計(jì)，再到整個(gè)結(jié)構(gòu)，而在實(shí)際工程中是先結(jié)構(gòu)后構(gòu)件[3]。如果能夠做到讓學(xué)生先了解整個(gè)結(jié)構(gòu)，再學(xué)習(xí)構(gòu)件的具體計(jì)算、構(gòu)造要求等知識(shí)，將會(huì)取得更好的教學(xué)效果。
為此，筆者所在的河南科技大學(xué)土木工程學(xué)院鋼結(jié)構(gòu)課題組進(jìn)行了鋼結(jié)構(gòu)課程內(nèi)容改革，將概念設(shè)計(jì)貫穿課程教學(xué)中，使學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)，能在今后的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中熟練運(yùn)用概念估算方法，迅速、有效地選擇經(jīng)濟(jì)合理、切實(shí)可行的結(jié)構(gòu)形式，以及受力明確、傳力簡(jiǎn)捷的結(jié)構(gòu)體系。
二、將概念設(shè)計(jì)引入教學(xué)的具體措施
（一）教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整
在現(xiàn)有教材《房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》 [4]中，概念設(shè)計(jì)一般作為結(jié)構(gòu)體系與布置原則的一部分內(nèi)容，而實(shí)際上概念設(shè)計(jì)貫穿于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的全過(guò)程，教材中關(guān)于結(jié)構(gòu)布置的一系列規(guī)定和要求也無(wú)不體現(xiàn)著概念設(shè)計(jì)的思想。針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，結(jié)合各類結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)要點(diǎn)、相關(guān)規(guī)范規(guī)定，應(yīng)補(bǔ)充如下教學(xué)內(nèi)容。
1.結(jié)構(gòu)計(jì)算的概念和判斷
對(duì)工程師而言結(jié)構(gòu)計(jì)算概念和判斷是體現(xiàn)其設(shè)計(jì)水平的重要方面，因此在授課中應(yīng)重點(diǎn)給學(xué)生講解正常使用極限狀態(tài)計(jì)算結(jié)果的判斷準(zhǔn)則，和承載能力極限狀態(tài)計(jì)算結(jié)果的判斷準(zhǔn)則，幫助學(xué)生走出概念的混沌狀態(tài)，使其對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果有清晰的把握和判斷，引導(dǎo)學(xué)生基于已有專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)思考正常使用極限狀態(tài)的變形特征，即變形首先要保證連續(xù)，這是結(jié)果可信的必要條件。另外，結(jié)構(gòu)各方向剛度的均衡性可以根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力參數(shù)（頻率分析、振型）加以判斷；對(duì)承載能力極限狀態(tài)、輕質(zhì)薄壁結(jié)構(gòu)按邊緣屈服控制強(qiáng)度，并考慮與局部穩(wěn)定相關(guān)的有效截面參數(shù)。而非薄壁結(jié)構(gòu)可適當(dāng)考慮塑性發(fā)展深度，可按10%以內(nèi)控制。通過(guò)對(duì)此類計(jì)算結(jié)果的判斷講解，有助于學(xué)生建立初步的概念設(shè)計(jì)理念，避免出現(xiàn)因整體概念不清晰而導(dǎo)致不合理的設(shè)計(jì)。
2.建筑結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化
學(xué)生在學(xué)習(xí)基本構(gòu)件受力特點(diǎn)及設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，由于只是簡(jiǎn)單地生搬硬套規(guī)范公式，因此在進(jìn)行有針對(duì)性的參數(shù)固定的計(jì)算時(shí)，大多能嚴(yán)格按要求執(zhí)行，但對(duì)結(jié)構(gòu)形式的合理性卻缺乏思考。故在教材內(nèi)容改革方面，重點(diǎn)增加了結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化的講解內(nèi)容。結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化包括結(jié)構(gòu)整體的優(yōu)化和單根桿件的優(yōu)化。讓學(xué)生明確整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的是提高結(jié)構(gòu)效率。整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可分步走，先根據(jù)力學(xué)原理作判斷，定大方向，然后依據(jù)具體條件分析確定詳細(xì)設(shè)計(jì)方案。為避免講解此部分內(nèi)容時(shí)太籠統(tǒng)，可引導(dǎo)學(xué)生掌握不同跨度的大跨度屋面結(jié)構(gòu)形式選擇。就單根桿件的優(yōu)化而言，主要包括應(yīng)力性質(zhì)的優(yōu)化和應(yīng)力水平的優(yōu)化。
3. 結(jié)構(gòu)荷載的選擇與調(diào)整
教材對(duì)荷載及其組合一般僅從規(guī)范規(guī)定出發(fā)來(lái)介紹，但結(jié)構(gòu)荷載的選擇與調(diào)整對(duì)于結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)有著重要意義�？蓮目拐鸾嵌�，引導(dǎo)學(xué)生思考地震區(qū)設(shè)計(jì)多層建筑，如何用較小的代價(jià)達(dá)到較好的抗震效果，答案無(wú)疑是減輕自重。因?yàn)榱叶群蛨?chǎng)地類別是無(wú)法選擇的，只有建筑材料的自重可以由設(shè)計(jì)者選擇，而地震的慣性力與自重直接相關(guān)；從材料選用角度，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)效應(yīng)是以荷載與作用為自變量，代入結(jié)構(gòu)效應(yīng)函數(shù)中產(chǎn)生的，彎矩這一主要結(jié)構(gòu)效應(yīng)與跨度的平方成正比，所以對(duì)大跨度結(jié)構(gòu)減輕自重就顯得尤其重要。大跨度建筑一般采用輕質(zhì)材料，但小跨度結(jié)構(gòu)則不一定采用。學(xué)生一旦明確了這些概念，就可以在設(shè)計(jì)初始避免由于不合理的材料選用及荷載選擇而造成設(shè)計(jì)的先天不足。雖然這些內(nèi)容在教材中有所提及，但并未形成系統(tǒng)，因此有必要在授課中進(jìn)行調(diào)整，以利于學(xué)生靈活掌握。
4. 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)分析
在講解節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)著重突出節(jié)點(diǎn)的概念以及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的目標(biāo)，強(qiáng)調(diào)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要忠實(shí)體現(xiàn)其在整體結(jié)構(gòu)中的功能，且要有可靠的承載力，并保持規(guī)定所要求的狀態(tài)。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)承載力不足會(huì)造成破壞，而節(jié)點(diǎn)狀態(tài)不好，如螺栓松動(dòng)等也會(huì)造成反復(fù)荷載作用下的破壞。另外，講授節(jié)點(diǎn)傳力時(shí)，要強(qiáng)調(diào)在設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)保證其傳力通達(dá)順暢，不應(yīng)造成應(yīng)力紊亂、集中。焊縫以平滑的對(duì)接焊為最好，加引弧板后磨平更好，螺栓連接以摩擦型高強(qiáng)螺栓為最好。在結(jié)構(gòu)計(jì)算中，節(jié)點(diǎn)與整體之間又是相互對(duì)立統(tǒng)一的。結(jié)構(gòu)整體要求節(jié)點(diǎn)盡可能精確，但節(jié)點(diǎn)不可能完全精確，如提高精確度需要付出更多代價(jià)。因此此部分內(nèi)容的講解要基于結(jié)構(gòu)整體受力特點(diǎn)，并結(jié)合實(shí)例分析在什么位置做適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化假定較為合理，且有利于降低連接的成本。
（二）靈活教學(xué)方法和手段
將概念設(shè)計(jì)引入工程結(jié)構(gòu)教學(xué)中，內(nèi)容整體性高，概括性強(qiáng)，具有相當(dāng)?shù)碾y度，因此在教學(xué)方法上必須多樣化。
1.工程案例分析
由于概念設(shè)計(jì)內(nèi)容較為零散，為了加深學(xué)生對(duì)概念設(shè)計(jì)理念的理解，必須將課堂教學(xué)及工程案例分析結(jié)合起來(lái)。教師平時(shí)應(yīng)注重教學(xué)素材的積累。例如在講解風(fēng)荷載的選取與調(diào)整時(shí)，按圖1的思路分析不同結(jié)構(gòu)體系的風(fēng)荷載體型系數(shù)取值差別。
2.互動(dòng)問(wèn)答環(huán)節(jié)
在鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中，尤其是在講解概念設(shè)計(jì)時(shí)，教師的課堂講授是主要方式，但與學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)交流也非常重要。因此，要培養(yǎng)學(xué)生的結(jié)構(gòu)概念，有必要組織不同程度的課堂討論。在活躍的、有趣味的學(xué)習(xí)討論中，點(diǎn)燃學(xué)生的創(chuàng)新火花，使學(xué)生的專業(yè)能力得到大幅度的.提高，同時(shí)也能鍛煉學(xué)生處理問(wèn)題的能力，進(jìn)而提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。對(duì)每個(gè)概念的知識(shí)點(diǎn)，教師都應(yīng)準(zhǔn)備一個(gè)或者幾個(gè)最為典型的問(wèn)題，通過(guò)提問(wèn)的方式幫助學(xué)生更好地掌握所學(xué)知識(shí)。
例如：結(jié)合疲勞動(dòng)力荷載，可向?qū)W生提出問(wèn)題：如何避免疲勞破壞？通常情況下，許多學(xué)生知道疲勞應(yīng)力幅大于相應(yīng)的允許疲勞應(yīng)力幅，則結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生疲勞破壞。但對(duì)于如何減小疲勞應(yīng)力幅并無(wú)具體的概念，因此應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生查閱相關(guān)文獻(xiàn)，從疲勞動(dòng)力荷載最為基本的概念入手，即減少疲勞應(yīng)力幅其實(shí)就是減少結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化幅度。可為學(xué)生介紹兩類方法：用簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)代替連續(xù)結(jié)構(gòu)和用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)代替非預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。引導(dǎo)學(xué)生追本溯源，組織學(xué)生討論簡(jiǎn)支梁和連續(xù)梁的受力特點(diǎn)，以及預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)與非預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的區(qū)別。之后再給學(xué)生具體講解這兩類方法能減小疲勞荷載的原因。通過(guò)這樣的互動(dòng)，加深學(xué)生對(duì)疲勞荷載的理解，使學(xué)生學(xué)會(huì)從概念分析入手解決問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的能力。
3.多樣化教學(xué)手段
在授課過(guò)程中，盡量運(yùn)用多元化教學(xué)手段。如在講解鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件穩(wěn)定時(shí)，學(xué)生對(duì)構(gòu)件的失穩(wěn)機(jī)理理解得不是很透徹，因此應(yīng)盡量將構(gòu)件的各類失穩(wěn)過(guò)程制作成三維動(dòng)畫(huà)，或運(yùn)用有限元分析軟件展示構(gòu)件失穩(wěn)時(shí)的變形和應(yīng)力狀態(tài)，繪制荷載位移曲線。如在講解簡(jiǎn)支梁平面外彎扭時(shí)，可利用有限元軟件ANSYS模擬均布荷載作用下的失穩(wěn)過(guò)程。這些過(guò)程以動(dòng)畫(huà)形式呈現(xiàn)在課堂教學(xué)中，學(xué)生接收快，效果良好。
三、結(jié)語(yǔ)
掌握概念設(shè)計(jì)是一個(gè)優(yōu)秀工程師必備的能力。而這種能力的獲取不僅有賴于工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的長(zhǎng)期積累，更需要在學(xué)習(xí)階段有意識(shí)地加以培養(yǎng)。因此這就要求教師把概念設(shè)計(jì)的思想滲透到課程教學(xué)過(guò)程中，幫助學(xué)生更好地掌握其基本內(nèi)容， 同時(shí)也可以提升學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)，為其今后工作實(shí)踐打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
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