“地下建筑結構”課程教學改革的思考和分析

摘要：“地下建筑結構”是巖土與地下工程專業(yè)本科教學中的重要專業(yè)課程之一，該課程具有很強的工程實踐性，因此在教學中應該充分地給予重視。根據(jù)“地下建筑結構”課程的特點，分析了該課程在教學中存在的主要問題，如教材較少、內容較多、理論較難等，根據(jù)該課程教學中存在的問題提出了一些有針對性的思考和應對措施。

關鍵詞：地下建筑結構；多媒體；引導式教學

作者簡介：鄧祥輝（1976-），男，四川德陽人，西安工業(yè)大學建筑工程學院，講師。（陜西?西安?710032）

中圖分類號：G642.0?????文獻標識碼：A?????文章編號：1007-0079（2012）20-0074-02

一、開設地下建筑結構課程的必要性

21世紀是地下空間快速發(fā)展的時代，各國對地下空間利用和開發(fā)的規(guī)模和速度前所未有。近些年，我國在高速公路、水利水電工程、城市地鐵、鐵路工程、礦山工程、城市地下空間利用等方面發(fā)展很快，各種大型的地下建筑結構越來越多。這些地下工程的建設，使地下建筑結構的設計和施工水平取得了很大的提高?！暗叵陆ㄖY構”是巖土工程、地下工程、隧道工程、道路與橋梁等專業(yè)的主干課程之一，普遍來講，很多院校開設“地下建筑結構”課程的時間都比較短，不可避免的存在一些問題。因此，該課程應該在教學模式上，教學方法上適應地下工程快速發(fā)展的形勢需要，進行必要的教學改革和探索。

二、“地下建筑結構”課程特點

“地下建筑結構”課程一般在大四上學期或者大三下學期開設。雖然在之前已經開設了“土力學”、“ 結構力學”、“ 水力學”、“ 工程地質”等課程，但由于“地下建筑結構”課程的特點與很多課程相差較大，學生學習常常不知所措，感到困難。概括地講，地下建筑結構有三個顯著特點：第一，地下建筑是在地層中修建的，結構和巖土體會相互作用和制約對方的變形；第二，地下建筑的介質——巖土體，是非均質、非線性的，其本身的物理、力學性質會因時而變，因空間不同而各異，這種不確定性給地下建筑結構的設計和施工帶來了很大的困擾；第三，降雨、地下水位的變化，對地下建筑結構的安全性影響也很大，考慮水荷載的變化是一個重要問題。因此，相對于地上建筑，地下建筑結構的這些特點會給設計和施工帶來很大的困難，在講授本課程時，必須強調地下建筑結構和周圍介質的相互作用的特點和環(huán)境的不確定性，對學生掌握地下工程的基本概念、計算方法和設計程序是非常重要的。[1]

三、目前教學中存在的問題

1.教材的問題

選擇一本好的教材可以使教學達到事半功倍的效果，然而在實踐過程中，地下建筑結構的教材只有寥寥幾本，使用較多的一本是同濟大學朱合華教授主編的《地下建筑結構》，另外一本是中國地質大學陳建平教授等編寫的《地下建筑結構》。[2]相對來說，前者是在老教材《巖石地下建筑結構》和《土層地下建筑結構》基礎上編寫而成的，體系完整、內容很全面。[3，4]而后者主要側重于巖石地下建筑結構，內容范圍比較狹窄。教材的種類相對于全國188個土木工程專業(yè)，幾十個學校開設地下建筑結構課程來說，明顯偏少。而且由于開設本課程的學校學生水平參差不齊，所以教材是否合適不同層次和水平的高等院校也是一個大的問題。

2.課程內容較難，學生不容易掌握

地下建筑結構研究內容涉及土力學、巖石力學、結構力學、工程數(shù)學、水力學、水文地質、工程地質、工程實驗學等多門學科，需要學生具有扎實的基礎和專業(yè)知識。根據(jù)地下建筑結構所處的介質不同，可以分為土層地下建筑結構和巖石地下建筑結構。而不管是土層還是巖石地下建筑結構，對于荷載、計算模型、計算方法、可靠度理論等則屬于共同的理論和方法，涉及很多具體形式的地下結構，如土層的沉井、地下連續(xù)墻、盾構隧道、基坑支護、沉管等。巖石地下建筑結構則主要是隧道、地下洞室、斜井、豎井等結構形式。每種結構形式的計算、設計方法不盡相同，這對學生理解和掌握有一定的難度。但對學生而言這不是最難和最重要的，最難和最重要的是教師如何把這些不同結構形式中帶有共性的理論深入淺出的講透徹，便于學生理解和掌握。

（1）確定地下建筑結構的荷載比較復雜。對土體這種孔隙介質而言，經常由于地下水的存在，要明確什么情況下采用水土合算還是水土分算的問題。如果是巖體，在地下水的影響下，水荷載的確定還跟巖體本身是孔隙介質還是裂隙介質有關系，這就很復雜了。另外，對于地下洞室還會涉及深埋與淺埋的問題，由于深埋結構和淺埋結構對應的荷載差別很大，所以講透深埋隧道和淺埋隧道的判斷標準，可能比簡單講計算公式和應用公式更為重要。

（2）計算方法的選擇。地下建筑結構的計算方法主要兩種，一是荷載-結構法，二是地層-結構法。荷載-結構法與一般地上結構計算方法相同，學生比較容易理解。而地層-結構法要考慮地下結構與周圍介質的相互作用和共同變形，采用的方法很多比如有限元法、有限差分法等，這些方法學生不容易理解和掌握。

（3）地下結構可靠度理論分析是結構計算與數(shù)學結合的一種結構可靠度分析理論。由于理論本身以及涉及的驗算點法、JC法以及蒙特卡洛法等非常抽象、學生理解難度較大。加上現(xiàn)有的本科相關教學內容中，這部分基本上是大篇幅的理論介紹和理論推導，學生很難理解，更不要說應用了。

（4）對于具體的結構形式如隧道、盾構隧道、地下連續(xù)墻等結構的計算，結合工程實例講解太少，有些則過程過于簡略，不利于本科學生學習。

3.課程學時較少，內容太多

地下建筑結構既包括土層地下建筑結構，也包括巖石地下建筑結構，以同濟大學的《地下建筑結構》為例，課程總共有16章內容，內容幾乎涵蓋了地下建筑結構的絕大部分內容。這么難的一門課程，如此多的內容，在各院校的實際教學中不可能全部講授。西安工業(yè)大學（以下簡稱“我?！保╅_設課時只有40學時，教學工作時間緊，任務重，難度大。因此，對很多章節(jié)就只能粗略地介紹。有些經典力學問題的推導過程只能點到為止，僅要求學生掌握其假設條件和使用條件，能正確使用其公式即可。

四、課程教學實踐中的幾點思考

1.優(yōu)選教學內容

針對教材較少，而且教材主要是根據(jù)同濟大學和中國地質大學的學生實際情況編寫的，與很多院校學生情況差異很大的情況，我校在實際教學中主要是根據(jù)本科教學大綱和課時安排，科學地編輯教學內容，有意識地將目前國內外的地下工程重大研究進展和工程實踐介紹給學生。例如對比較抽象的可靠度理論，主要結合例子講解中心點法、驗算點法以及JC法在例子中的應用，這樣講學生學習效果比單純的理論推導效果更好。同時，根據(jù)學生情況，結合多年的教學實踐，逐步采用自編講義，取得了一定的效果。在地下連續(xù)墻設計中，采用某基坑工程進行實例講解，從力學計算，支撐的設計，到與施工開挖的結合進行完整的計算，使學生更直觀地掌握整個設計、計算過程。

2.板書與多媒體教學相結合

傳統(tǒng)板書的優(yōu)點是條理清晰、推導過程學生可以同步，理論推導學生理解更容易。而缺點是板書占用了大量的課堂時間，傳授的知識量、信息量相對較少，特別對于那些不能生動地用言語描述的內容，例如圖片、聲音和動作等效果較差。而多媒體的優(yōu)勢是信息量大、可以運用圖片、聲音等生動體現(xiàn)講解內容。因此，對于理論推導部分，如彈性地基梁、可靠度理論等采用板書方式，而對于地下建筑結構的形式、施工過程、設計布置等則采用多媒體，讓學生更直觀和生動的學習，效果更好。另一方面，地下建筑結構重大技術的視頻播放可以給學生以震撼的視覺效果，激發(fā)他們的學習熱情。

3.引導式教學培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力

傳統(tǒng)的教育方式中，教師更注重傳授知識本身，這就產生了一個問題，很多時候學生都是被動地接受知識，很少主動思考問題。在教學過程中引出比較有影響的工程或者引起很大爭議的工程，提出這些工程或者工程引起爭議的原因或背景，引導學生積極思考和探討，才能取得較好的實際效果。例如在講盾構隧道時，以2008年杭州地鐵事故為例，列出了業(yè)主方、施工方爭議的背景和焦點，并結合工程實際施工和設計進行分析，提出很多問題讓學生自己分析和思考，提高了學生學習的積極性、主動性，產生了較好的效果。

五、結語

地下工程近些年發(fā)展非?？欤こ淘O計和施工需要大量擁有扎實知識和創(chuàng)新能力的合格工程專業(yè)人才。在本課程的教學中有針對性地培養(yǎng)學生的實踐能力、創(chuàng)新意識、獨立思考和解決問題的能力具有很大的理論和實際意義。

參考文獻：

[1]朱合華,等.地下建筑結構[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.

[2]陳建平,吳立,閆天俊,等.地下建筑結構[M].北京:人民交通出版社,

2008.

[3]重慶建筑工程學院,同濟大學,哈爾濱建筑工程學院,天津大學.巖石地下建筑結構[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1979.

[4]同濟大學,天津大學,哈爾濱建筑工程學院,西安冶金建筑學院,上海市隧道建設公司.土層地下建筑結構[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1982.

（責任編輯：宋秀麗）