結(jié)合卓越工程師計(jì)劃的鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)教學(xué)探索

袁煥鑫++杜新喜++郭耀杰?í?

摘要：鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)是土木工程本科教學(xué)中的重要設(shè)計(jì)訓(xùn)練環(huán)節(jié)，著重培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用鋼結(jié)構(gòu)基本理論解決工程設(shè)計(jì)問題的能力。文章結(jié)合“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”，在考慮當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展形勢(shì)的情況下對(duì)鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)組織和設(shè)計(jì)題目開展了改革探索，同時(shí)對(duì)教學(xué)指導(dǎo)環(huán)節(jié)進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；課程設(shè)計(jì)；教學(xué)研究

中圖分類號(hào)：G6423；TU391文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：

10052909（2016）04006504

在土木工程本科專業(yè)的課程設(shè)置中，課程設(shè)計(jì)訓(xùn)練作為重要的教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，不僅可以鞏固和加深學(xué)生對(duì)基本理論和專業(yè)課程的理解，而且可以鍛煉學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決工程設(shè)計(jì)問題的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新實(shí)踐能力強(qiáng)、適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要的優(yōu)秀工程師。按照教育部對(duì)實(shí)施“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”（以下簡(jiǎn)稱“卓越計(jì)劃”）的要求[1]，武漢大學(xué)土木工程專業(yè)于2012年入選第二批“卓越計(jì)劃”，根據(jù)學(xué)校自身的辦學(xué)特點(diǎn)，已經(jīng)開展了卓越計(jì)劃培養(yǎng)方案的探索與實(shí)踐，取得了豐碩的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)[2]。鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)是土木工程專業(yè)主干課程——鋼結(jié)構(gòu)的后續(xù)實(shí)踐課程，是執(zhí)行“卓越計(jì)劃”培養(yǎng)方案的重要組成部分，開展鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的基本訓(xùn)練，可使學(xué)生具備初步的工程設(shè)計(jì)能力。

近年來，我國(guó)建筑行業(yè)發(fā)展迅速，鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)在高層和超高層建筑、大跨度結(jié)構(gòu)、塔桅結(jié)構(gòu)、工業(yè)廠房和輕型住宅等方面得到了廣泛的應(yīng)用[3]。為適應(yīng)當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展形勢(shì)，已有部分教學(xué)和研究人員對(duì)鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)教學(xué)方法[4]和改革構(gòu)想[5]進(jìn)行了探討。根據(jù)“卓越計(jì)劃”對(duì)本科教學(xué)在知識(shí)、能力和素質(zhì)三方面的要求[6]，考慮武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院的辦學(xué)情況，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)的教學(xué)進(jìn)行新的改革探索。

一、課程設(shè)置情況

（一）課程設(shè)置目標(biāo)

鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)旨在要求學(xué)生深刻理解、鞏固和掌握鋼結(jié)構(gòu)的基本理論和基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)所學(xué)知識(shí)融會(huì)貫通，結(jié)合相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范、規(guī)程和圖集，查閱設(shè)計(jì)手冊(cè)和資料，建立鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的概念，進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算和施工圖繪制。

總體而言，鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，重在培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)鋼結(jié)構(gòu)基本理論知識(shí)，獨(dú)立分析和解決鋼結(jié)構(gòu)工程實(shí)際問題的能力，讓學(xué)生得到工程設(shè)計(jì)能力的初步培養(yǎng)和訓(xùn)練，包括基本結(jié)構(gòu)構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與計(jì)算。通過繪制鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)圖紙，提高動(dòng)手能力，建立鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的初步概念，有助于畢業(yè)后較快地勝任鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和鋼結(jié)構(gòu)施工工作，以滿足企業(yè)和社會(huì)對(duì)工程型人才的需求。

（二）課程設(shè)置現(xiàn)狀和存在的主要問題

20世紀(jì)80年代以前，我國(guó)的鋼鐵產(chǎn)量較低，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用形式較為單一。傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)題目，受實(shí)際應(yīng)用的限制，一般為三角形或梯形鋼屋架的設(shè)計(jì)，該題目在鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)教材中沿用至今。在鋼屋架的設(shè)計(jì)訓(xùn)練中，主要包括桁架結(jié)構(gòu)形式的選型，軸心受力構(gòu)件和焊接連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)計(jì)算等內(nèi)容，沒有全面覆蓋鋼結(jié)構(gòu)的主要知識(shí)點(diǎn)，如受彎構(gòu)件、壓彎構(gòu)件和螺栓連接節(jié)點(diǎn)等內(nèi)容。鋼屋架一般采用角鋼，基本構(gòu)件截面形式為單角鋼或兩個(gè)角鋼組合形成的截面，主要包括T形或十字形截面。在桁架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，零部件和構(gòu)造細(xì)節(jié)較多，往往導(dǎo)致在施工圖的繪制中出現(xiàn)表達(dá)不清，出圖質(zhì)量不高的問題。同時(shí)由于課程的教學(xué)和訓(xùn)練時(shí)間一般為一周，在較短時(shí)間內(nèi)往往難以達(dá)到較好的訓(xùn)練效果。

近年來由于我國(guó)鋼材產(chǎn)量的大幅提升和鋼結(jié)構(gòu)的大規(guī)模推廣應(yīng)用，在工業(yè)與民用建筑的屋蓋結(jié)構(gòu)中，三角形或梯形角鋼桁架已經(jīng)逐漸被其他新型結(jié)構(gòu)型式所取代，例如門式剛架結(jié)構(gòu)。在鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)中沿用前期的三角形或梯形鋼屋架的設(shè)計(jì)題目已與當(dāng)前形勢(shì)發(fā)展和工程應(yīng)用脫節(jié)。按照“卓越計(jì)劃”培養(yǎng)方案中強(qiáng)化工程實(shí)踐能力、工程設(shè)計(jì)能力和工程創(chuàng)新能力的核心要求，需要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容和課程體系進(jìn)行重構(gòu)，開展相關(guān)的教學(xué)改革和探索。

二、課程設(shè)置改革探索

（一）教學(xué)內(nèi)容修訂

緊密結(jié)合土木工程“卓越計(jì)劃”培養(yǎng)方案要求和人才培養(yǎng)目標(biāo)，針對(duì)當(dāng)前課程設(shè)置中存在的問題，開展鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容修訂工作。從鍛煉學(xué)生的工程化實(shí)踐能力和思維能力出發(fā)，鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)的選題應(yīng)盡量貼近工程實(shí)際。已有高校將課程設(shè)計(jì)題目修改為完成一個(gè)單層門式剛架鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)[8]，設(shè)計(jì)內(nèi)容包括完整的設(shè)計(jì)計(jì)算書和全套的施工詳圖。該設(shè)計(jì)題目結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目，較為全面地涵蓋了鋼結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)點(diǎn)，然而由于門式剛架的荷載工況組合繁多，結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算較為復(fù)雜，教學(xué)安排為一周的課程設(shè)計(jì)往往在時(shí)間上不允許。此外，如果采用分組模式，各個(gè)小組內(nèi)學(xué)生的任務(wù)分工不同，難以嚴(yán)格督促每個(gè)學(xué)生設(shè)計(jì)工作量的實(shí)際完成情況。由于存在設(shè)計(jì)任務(wù)分工，少數(shù)學(xué)習(xí)積極性不足的學(xué)生往往缺乏對(duì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)整體上的認(rèn)識(shí)，從而對(duì)學(xué)習(xí)效果造成不利影響。

因此，從設(shè)計(jì)題目、教學(xué)組織等方面對(duì)鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行修訂，同時(shí)增加了參照國(guó)外現(xiàn)行規(guī)范的設(shè)計(jì)內(nèi)容。為了更加全面地鞏固和應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)的主要核心知識(shí)點(diǎn)，在修訂后主要包括了以下內(nèi)容：（1）基本構(gòu)件設(shè)計(jì)，包括軸心受壓構(gòu)件、壓彎構(gòu)件和受彎構(gòu)件的設(shè)計(jì)；（2）節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，從形式上分為螺栓連接節(jié)點(diǎn)和焊接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，具體包括梁柱節(jié)點(diǎn)、主次梁節(jié)點(diǎn)和柱腳節(jié)點(diǎn)等；（3）樓板設(shè)計(jì)，包括單向板、雙向板和加勁肋的設(shè)計(jì)等。

為了充分體現(xiàn)課程設(shè)計(jì)的針對(duì)性，實(shí)現(xiàn)對(duì)一般鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)過程的完整綜合性訓(xùn)練，在課程設(shè)計(jì)中著重強(qiáng)調(diào)手算和手繪施工圖，培養(yǎng)學(xué)生開展結(jié)構(gòu)分析計(jì)算和設(shè)計(jì)的理論功底和實(shí)踐能力，既能保證總體設(shè)計(jì)任務(wù)的全面合理性，又能充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，督促學(xué)生獨(dú)立完成各自的設(shè)計(jì)任務(wù)，確保課程設(shè)計(jì)的訓(xùn)練效果。

（二）設(shè)計(jì)題目修改

按照修訂的教學(xué)內(nèi)容安排，將鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)的題目由傳統(tǒng)的三角形或梯形鋼屋架修改為鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。每個(gè)學(xué)生最終提交一個(gè)完整的鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具體的課程設(shè)計(jì)安排如下：

（1）課程設(shè)計(jì)任務(wù)。設(shè)計(jì)一個(gè)單層的車間內(nèi)檢修鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)，總建筑面積為200～300 m2。

（2）課程設(shè)計(jì)內(nèi)容。鋼平臺(tái)平面設(shè)計(jì)包括結(jié)構(gòu)總體尺寸和標(biāo)高、柱網(wǎng)布置、主次梁布置、樓板布置等，平臺(tái)鋪板設(shè)計(jì)，平臺(tái)梁（次梁、主梁）設(shè)計(jì)，平臺(tái)柱設(shè)計(jì)，連接節(jié)點(diǎn)（次梁與主梁、梁與柱、柱腳）設(shè)計(jì)，支撐、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。

（3）課程設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)計(jì)算書（手算、手寫），手繪施工圖（A3圖紙，2～3張），包括平臺(tái)結(jié)構(gòu)布置圖、連接節(jié)點(diǎn)大樣圖、基礎(chǔ)大樣圖，以及設(shè)計(jì)說明和構(gòu)件表。

在鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)的具體實(shí)施中，通過設(shè)定不同的整體尺寸（平臺(tái)高度、平面尺寸），荷載條件和鋼材類別，確保每個(gè)學(xué)生具有不同的設(shè)計(jì)條件，督促學(xué)生獨(dú)立完成給定的設(shè)計(jì)內(nèi)容。同時(shí)在結(jié)構(gòu)布置、連接節(jié)點(diǎn)樣式上給學(xué)生以自由選擇的空間，充分發(fā)揮設(shè)計(jì)上的主觀能動(dòng)性。由于教學(xué)安排與訓(xùn)練的總體時(shí)間較短，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不考慮地震作用，即不進(jìn)行抗震驗(yàn)算。

此外，由于在鋼結(jié)構(gòu)基本原理的教學(xué)中，主次梁連接節(jié)點(diǎn)、梁柱節(jié)點(diǎn)以及柱腳節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)往往不是教學(xué)的重點(diǎn)，在課程設(shè)計(jì)任務(wù)布置時(shí)提供實(shí)際工程中多種常用的節(jié)點(diǎn)形式供參考，圖1所示為課程設(shè)計(jì)任務(wù)書中給出的兩種主次梁連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式。

（三）配合工程實(shí)習(xí)

鋼結(jié)構(gòu)的加工制作大部分是在鋼結(jié)構(gòu)加工廠完成，施工現(xiàn)場(chǎng)裝配化程度高。將鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)與企業(yè)實(shí)習(xí)相配合，有助于學(xué)生了解實(shí)際的鋼結(jié)構(gòu)加工過程，熟悉包括鋼板的下料切割、拼接裝配、焊接技術(shù)、焊接變形矯正、螺栓孔加工、摩擦面處理、噴漆在內(nèi)的加工環(huán)節(jié)和過程。同時(shí)，由于鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)企業(yè)的廠房一般為鋼結(jié)構(gòu)廠房，可讓學(xué)生實(shí)地觀察鋼結(jié)構(gòu)廠房的空間布置和局部連接構(gòu)造，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)鋼結(jié)構(gòu)實(shí)際工程的感性認(rèn)識(shí)。這種帶有直接目的和針對(duì)性的工程實(shí)習(xí)，有助于引導(dǎo)學(xué)生在施工詳圖的繪制中正確合理表達(dá)自己的設(shè)計(jì)意圖，提高鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的適用性和施工詳圖的繪制質(zhì)量。

（四）增加國(guó)外規(guī)范設(shè)計(jì)

與“卓越計(jì)劃”中的推進(jìn)國(guó)際化培養(yǎng)進(jìn)程相結(jié)合，在鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)中增加參照國(guó)外規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算的內(nèi)容。具體實(shí)施方案為參考?xì)W洲現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（Eurocode 3）[9]，學(xué)習(xí)其中的設(shè)計(jì)條文并將其運(yùn)用于鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)中的基本構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)驗(yàn)算中，有助于學(xué)生熟悉歐洲規(guī)范的設(shè)計(jì)框架和理念，具體包括截面分類法、軸心受壓構(gòu)件、受彎構(gòu)件和連接節(jié)點(diǎn)等計(jì)算內(nèi)容，并根據(jù)課程設(shè)計(jì)實(shí)例對(duì)比中國(guó)和歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的異同?？紤]到每個(gè)學(xué)生的實(shí)際情況和學(xué)習(xí)基礎(chǔ)各不相同，本部分為選做內(nèi)容，鼓勵(lì)有興趣和學(xué)有余力的學(xué)生完成該部分的設(shè)計(jì)計(jì)算工作。通過對(duì)現(xiàn)行歐洲鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范的學(xué)習(xí)和實(shí)際運(yùn)用，可有效提高學(xué)生對(duì)國(guó)外設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的熟悉程度，在專業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域內(nèi)拓展國(guó)際視野，提升學(xué)生的國(guó)際化能力，實(shí)現(xiàn)國(guó)際化工程師的培養(yǎng)目標(biāo)。

三、教學(xué)指導(dǎo)改革探討

（一）設(shè)計(jì)任務(wù)布置

為使學(xué)生在有限的訓(xùn)練時(shí)間里對(duì)鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)定位和教學(xué)組織安排形成較為全面系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，需要任課教師開展有效的教學(xué)引導(dǎo)和講解。教師在布置課程設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)說明，結(jié)合工程實(shí)例照片和設(shè)計(jì)規(guī)范闡述課程設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵點(diǎn)。在鋼結(jié)構(gòu)原理的課程教學(xué)中，由于教學(xué)時(shí)間的限制，對(duì)主次梁節(jié)點(diǎn)、梁柱節(jié)點(diǎn)等節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的講解往往不夠透徹，結(jié)合實(shí)際工程案例中的節(jié)點(diǎn)詳圖對(duì)節(jié)點(diǎn)的承載性能和受力特點(diǎn)進(jìn)行講解，有助于學(xué)生建立對(duì)工程設(shè)計(jì)的感性認(rèn)識(shí)。

結(jié)合“卓越計(jì)劃”的國(guó)際化培養(yǎng)目標(biāo)，對(duì)歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的基本理念和設(shè)計(jì)框架進(jìn)行介紹，具體包括歐洲規(guī)范中的分項(xiàng)系數(shù)取值、截面分類法、構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)計(jì)算公式等內(nèi)容。引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)查閱規(guī)范條文，并根據(jù)條文進(jìn)行構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)計(jì)算。

（二）教學(xué)指導(dǎo)與考核

根據(jù)學(xué)校的實(shí)際情況，為開展鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)的學(xué)生集中統(tǒng)一安排教室，任課教師每天隨堂檢查課程設(shè)計(jì)的進(jìn)度，同時(shí)合理安排針對(duì)性的統(tǒng)一討論和答疑，及時(shí)進(jìn)行反饋與交流，督促學(xué)生按既定的進(jìn)度計(jì)劃完成課程設(shè)計(jì)任務(wù)。加強(qiáng)課程設(shè)計(jì)的教學(xué)過程管理和指導(dǎo)，不僅有助于任課教師及時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度和綜合表現(xiàn)，而且可確保課程設(shè)計(jì)完成質(zhì)量。在布置設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)提出標(biāo)準(zhǔn)考核條件，通過對(duì)手寫的設(shè)計(jì)計(jì)算書、手繪的施工詳圖和平時(shí)成績(jī)綜合考核，將集中討論環(huán)節(jié)計(jì)入平時(shí)成績(jī)，同時(shí)對(duì)創(chuàng)新性設(shè)計(jì)理念進(jìn)行鼓勵(lì)加分，綜合給出較為公正公平的成績(jī)。

四、結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)是土木工程專業(yè)學(xué)生重要的教學(xué)實(shí)踐課程，在培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計(jì)和思維能力方面具有不可替代的作用。隨著現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)面臨著新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。結(jié)合“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”，對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)組織和設(shè)計(jì)題目等方面進(jìn)行了改革探索，可以有效提高鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)的教學(xué)效果，在知識(shí)、能力和素質(zhì)三個(gè)方面達(dá)到卓越工程師培養(yǎng)的基本要求。參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)教育部. 教育部關(guān)于實(shí)施卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃的若干意見[Z]. 2011.

[2]傅旭東， 徐禮華， 杜新喜， 等. 土木工程卓越工程師培養(yǎng)方案探索與實(shí)踐[J]. 高等建筑教育， 2014， 23（3）： 17-21.

[3]沈祖炎， 李元齊. 促進(jìn)我國(guó)建筑鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的幾點(diǎn)思考[J]. 建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展， 2009， 11（4）： 15-21.

[4]陳俊嶺， 焦燏烽. 鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)教學(xué)方法探討[J]. 高等建筑教育， 2012， 21（5）： 108-110.

[5]高涌濤， 傅鵬斌. 鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)改革探討[C]//土木建筑教育改革理論與實(shí)踐研討會(huì)論文集， 2009： 370-372.

[6]高等學(xué)校土木工程學(xué)科專業(yè)指導(dǎo)委員會(huì). 土木工程卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（試行）：本科階段[M]. 2012.

[7]王若林， 郭耀杰， 杜新喜. 土木工程專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)課程本科教學(xué)探討[J]. 高等建筑教育， 2013， 22（4）： 51-54.

[8]施剛， 石永久， 王元清. 《鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)》教學(xué)探討[J]. 鋼結(jié)構(gòu)， 2008（增刊）： 608-612.

[9]EN 1993-1-1. Eurocode 3： Design of steel structures - Part 1.1： General rules and rules for buildings [S]. Brussels： CEN， 2005.