鋼筋混凝土樓蓋課程設(shè)計教學(xué)探索與實踐

摘要：課程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實踐、檢驗教學(xué)效果、實現(xiàn)卓越工程師培養(yǎng)目標(biāo)的重要實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。針對土木工程專業(yè)鋼筋混凝土樓蓋課程設(shè)計存在的問題，與現(xiàn)行國家規(guī)范緊密聯(lián)系，文章對RC樓蓋設(shè)計進行有益的教學(xué)探索與實踐，以夯實學(xué)生所學(xué)的理論知識，激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣，強化學(xué)生的工程意識，培養(yǎng)學(xué)生獨立完成設(shè)計的能力。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；樓蓋；課程設(shè)計；教學(xué)研究

中圖分類號：G642.0；TU375-4 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-2909（2016）05-0141-04

實踐環(huán)節(jié)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維和實際工作能力的重要教學(xué)手段。課程設(shè)計是土木工程專業(yè)實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的重要組成部分?；炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計作為土木工程專業(yè)第一門直接面向工程技術(shù)應(yīng)用的課程，是建立學(xué)生工程性思維和傳授工程科學(xué)方法的重要課程。該課程的實踐環(huán)節(jié)設(shè)置有“鋼筋混凝土樓蓋課程設(shè)計”和“單層工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)課程設(shè)計” 。鋼筋混凝土樓蓋課程設(shè)計是學(xué)生遇到的第一個專業(yè)課程的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，是學(xué)生首次進行較為全面的房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計訓(xùn)練。學(xué)生畢業(yè)后進入設(shè)計院工作，首先面對的工作常常是各種類型的板設(shè)計和樓梯的設(shè)計，因此，樓蓋課程設(shè)計是學(xué)生職業(yè)生涯的第一課。如何搞好樓蓋課程設(shè)計教學(xué)，如何通過該課程設(shè)計夯實學(xué)生所學(xué)的專業(yè)知識，培養(yǎng)學(xué)生獨立完成設(shè)計的能力，提高學(xué)生理論聯(lián)系實際和綜合分析問題、解決問題的能力，使課程設(shè)計真正成為畢業(yè)設(shè)計的預(yù)演，為學(xué)生今后走上工作崗位打下堅實的基礎(chǔ)，是值得討論和研究的重要問題。

一、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)樓蓋課程設(shè)計存在的主要問題

從20世紀(jì)70年代后期到現(xiàn)在，盡管我國混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范歷經(jīng)74版規(guī)范、89版規(guī)范、2002版規(guī)范，以及目前現(xiàn)行的2010版規(guī)范，但混凝土結(jié)構(gòu)課程設(shè)計的內(nèi)容變化并不大。各高校鋼筋混凝土肋梁樓蓋課程設(shè)計任務(wù)，普遍是設(shè)計一個多層工業(yè)廠房樓蓋或民用建筑樓蓋（如車間倉庫、商場、圖書館書庫等） ，多采用四周為磚墻的內(nèi)框架結(jié)構(gòu)形式[1-3]。目前，鋼筋混凝土樓蓋課程設(shè)計往往通過調(diào)整柱網(wǎng)平面尺寸和荷載取值等方式形式上做到了每生一題，但設(shè)計過程過于格式化，即學(xué)生只要按照教材“照葫蘆畫瓢”，單純機械式模仿，就能完成相應(yīng)的結(jié)構(gòu)計算和設(shè)計。從教學(xué)效果看，這樣的設(shè)計過程無法讓學(xué)生真正掌握結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，也很難激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性。

二、樓蓋課程設(shè)計教學(xué)改革與實踐

鋼筋混凝土樓蓋課程設(shè)計作為土木工程專業(yè)一門重要的實踐環(huán)節(jié)，教學(xué)中必須確立學(xué)生在設(shè)計中的主體地位，發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用，與國家現(xiàn)行規(guī)范緊密聯(lián)系，以便于學(xué)生更好地理解所學(xué)內(nèi)容和理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)他們獨立分析、解決問題的能力，最大限度地激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的意識。

（一）課程設(shè)計任務(wù)書要具有真實性， 以任務(wù)驅(qū)動引領(lǐng)教學(xué)，按行動導(dǎo)向?qū)嵤┙虒W(xué)

課程設(shè)計任務(wù)書中以具體的工作任務(wù)驅(qū)動引領(lǐng)教學(xué)，按照“教、學(xué)、做”一體化模式組織教學(xué)，強調(diào)“為了項目工作而學(xué)習(xí)”和“通過項目工作來學(xué)習(xí)”，使工作過程與學(xué)習(xí)過程相統(tǒng)一，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識，加強責(zé)任心和工作規(guī)范的教育。

課程設(shè)計任務(wù)書要引導(dǎo)學(xué)生用全局、專業(yè)的眼光去分析問題，不急于作具體構(gòu)件的設(shè)計。課程設(shè)計任務(wù)書要求明確以下內(nèi)容：

（1）明確所設(shè)計結(jié)構(gòu)的安全等級和設(shè)計使用年限?；炷两Y(jié)構(gòu)的安全等級，與結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)有關(guān)。

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010-2010）[4]第3.4.2條和第3.4.3條中對應(yīng)的“使用年限”對混凝土強度等級的最小水泥用量、最大氯離子含量、最大堿含量等均作了嚴(yán)格的要求。

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）[5]（以下簡稱《荷載規(guī)范》）增加可變荷載設(shè)計使用年限調(diào)整系數(shù)γ：L，調(diào)整和完善可變荷載，適當(dāng)提高安全度。由《荷載規(guī)范》第3.2.5-1條，設(shè)計使用年限為5年、50年和100年，γ：L分別為0.9、1.0和1.1。

（2）明確所設(shè)計結(jié)構(gòu)屬工業(yè)建筑或民用建筑，并明確所設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)的功能。民用建筑和工業(yè)建筑樓面均布活荷載分別見《荷載規(guī)范》5.1和5.2，其標(biāo)準(zhǔn)值、組合值系數(shù)和準(zhǔn)永久值系數(shù)的取值是設(shè)計的重要依據(jù)?！逗奢d規(guī)范》3.2.4-2條明確“對標(biāo)準(zhǔn)值大于4 kN/m2的工業(yè)房屋樓面結(jié)構(gòu)的活荷載， 可變荷載的分項系數(shù)應(yīng)取1.3；其它情況應(yīng)取1.4”。

在布置任務(wù)時，通過改變樓蓋建筑功能，要求每個學(xué)生根據(jù)下達的建筑結(jié)構(gòu)的功能，自己動手從荷載規(guī)范中查得相應(yīng)荷載樓面均布活荷載值。

（3）明確所設(shè)計結(jié)構(gòu)的環(huán)境類別。《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010-2010）表8.2.1對混凝土保護層厚度給出了嚴(yán)格的限制，如當(dāng)構(gòu)件所處二類a環(huán)境類別時，混凝土強度等級C25～C45，板混凝土保護層的最小厚度為20 mm，梁、柱混凝土保護層的最小厚度為25 mm；當(dāng)構(gòu)件所處一類環(huán)境類別時，相應(yīng)減小5 mm。當(dāng)混凝土強度等級為C20、C25時，板、梁、柱混凝土保護層的最小厚度相應(yīng)增加5 mm。

在布置任務(wù)時，要求每個學(xué)生根據(jù)下達的建筑結(jié)構(gòu)環(huán)境類別，自己動手從混凝土規(guī)范中查得保護層厚度。

（4）明確建筑平、剖面尺寸、建筑標(biāo)高和建筑面積。

盡管學(xué)生學(xué)過房屋建筑學(xué)課程，但大多數(shù)學(xué)生作樓蓋課程設(shè)計時，基本上沒有建筑標(biāo)高與結(jié)構(gòu)標(biāo)高的概念。任務(wù)書中應(yīng)不僅要求繪制結(jié)構(gòu)平面布置圖，還需根據(jù)工程實際，提供相應(yīng)建筑標(biāo)高。讓學(xué)生明白，給出的建筑標(biāo)高是指建筑物裝飾裝修層完成后的標(biāo)高，而用于結(jié)構(gòu)計算和結(jié)構(gòu)平面布置圖中標(biāo)注的標(biāo)高應(yīng)是結(jié)構(gòu)標(biāo)高，即裝飾裝修層完成前的標(biāo)高。培養(yǎng)學(xué)生結(jié)構(gòu)圖應(yīng)標(biāo)注結(jié)構(gòu)標(biāo)高，而非建筑標(biāo)高的工程意識。

每個學(xué)生應(yīng)根據(jù)任務(wù)下達的建筑平面柱網(wǎng)尺寸及層高，自己確定結(jié)構(gòu)方案，即學(xué)生自己布置梁、板、柱，確定樓（屋）面面層的建筑做法，即樓（屋）面保溫材料、找坡層、防水材料等，并自己選定梁板所采用的混凝土、鋼筋強度等級等。

（二）結(jié)構(gòu)方案采用框架結(jié)構(gòu)體系

樓蓋課程設(shè)計采用內(nèi)框架結(jié)構(gòu)與現(xiàn)行規(guī)范和建筑業(yè)的發(fā)展趨勢明顯不符?！督ㄖY(jié)構(gòu)抗震規(guī)范》（GBJ11-1989）刪去了“底部內(nèi)框架磚房”的結(jié)構(gòu)形式?！督ㄖY(jié)構(gòu)抗震規(guī)范》（GB50011-2001）將“內(nèi)框架磚房”的結(jié)構(gòu)形式限制于多排柱內(nèi)框架。考慮到“內(nèi)框架磚房”已很少使用且抗震性能較低，《建筑結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范》（GB50011-2010）[6]取消了“內(nèi)框架磚房”的相關(guān)內(nèi)容，標(biāo)志著“內(nèi)框架磚房”結(jié)構(gòu)形式已不復(fù)存在。因此，必須對鋼筋混凝土肋梁樓蓋課程設(shè)計內(nèi)容進行調(diào)整，選擇更符合目前規(guī)范和工程實際的框架結(jié)構(gòu)形式。

（三）樓蓋結(jié)構(gòu)布置的問題

在設(shè)計初期，由于學(xué)生無設(shè)計經(jīng)驗，對結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能概念不甚清晰，較難作出合理的結(jié)構(gòu)布置。其突出的問題主要表現(xiàn)在如下幾個方面：

學(xué)生在結(jié)構(gòu)布置時，一般都是一個方向布置主梁，另外一個方向布置次梁（包括與柱相連的梁）。通常房屋橫向剛度比縱向剛度弱，采用橫向承重框架可以改善橫向與縱向剛度相差較大的缺點，為了提高建筑物的側(cè)向剛度，主梁宜沿建筑物的橫向布置。這種結(jié)構(gòu)布置形成樓蓋兩個方向的剛度差別較大，結(jié)構(gòu)整體性差，不利于學(xué)生建立整體的結(jié)構(gòu)概念，并形成結(jié)構(gòu)設(shè)計只要注意一個方向的錯誤觀點。《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）5.1.1條規(guī)定：一般情況下，應(yīng)至少在建筑結(jié)構(gòu)的兩個主軸方向分別計算水平地震作用，各方向的水平地震作用應(yīng)由該方向抗側(cè)力構(gòu)件承擔(dān)[3]。因此，對于要求計算抗震的結(jié)構(gòu)而言也宜設(shè)計成雙向承重框架。

（四）單向板、雙向板劃分的問題

單向板（即梁式板）：彈性理論， l：2/l：1（長邊與短邊長度之比）≥2；塑性理論，l：2/l：1≥3?！痘炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010-2010）第9.1.1條規(guī)定：“當(dāng)長邊與短邊長度之比大于2.0，但小于3.0時，宜按雙向板計算；當(dāng)按沿短邊方向受力的單向板計算時，應(yīng)沿長邊方向布置構(gòu)造鋼筋。”這樣，如果不能很好地學(xué)習(xí)理解規(guī)范，很可能在板的長邊與短邊之比大于2又小于3時，按單向板計算，其含鋼量達不到新規(guī)范的要求。

（五） 肋梁樓蓋梁柱體系中連續(xù)梁模型和框架模型適用范圍的辨析

確定框架梁、柱截面尺寸時，要考慮梁、柱線剛度比的限值，因此必須讓學(xué)生明白教材中主梁計算簡圖采用多跨連續(xù)梁，是有局限性的；工程設(shè)計實際情況是，為滿足“強柱弱梁”的抗震設(shè)計原則，在大多數(shù)情況下，主梁計算簡圖實為框架結(jié)構(gòu)。當(dāng)計算簡圖為框架結(jié)構(gòu)時，主梁的內(nèi)力計算方法與多跨連續(xù)梁就有了本質(zhì)的不同。通常當(dāng)梁、柱的線剛度比大于 3～5時，由于柱對梁的約束作用較小，而將柱作為梁的不動鉸支座，梁按鉸支于鋼筋混凝土柱上的連續(xù)梁模型計算。 當(dāng)梁、柱的線剛度比小于 3～5 時，必須考慮柱對梁的約束作用，此時梁柱節(jié)點為剛性結(jié)點，梁與柱共同形成框架，簡化為框架模型計算，按框架進行結(jié)構(gòu)分析[1]。值得注意的是，一般多層房屋中梁柱為剛接的框架結(jié)構(gòu)，各層柱的計算長度l：0按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010-2010）表6.2.20-2取用，現(xiàn)澆樓蓋，底層柱1.0H；其余各層柱，1.25H。

（六）基本組合的荷載分項系數(shù)問題

通常參考教材中僅考慮“1.2×永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值+1.4×可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值”作為樓板荷載組合設(shè)計值，因此必須讓學(xué)生明白基本組合的荷載分項系數(shù)問題，引導(dǎo)學(xué)生研讀規(guī)范條文。

《荷載規(guī)范》3.2.3條：荷載基本組合的效應(yīng)設(shè)計值應(yīng)從可變荷載控制的效應(yīng)設(shè)計值與永久荷載控制的效應(yīng)設(shè)計值中，取用最不利的效應(yīng)設(shè)計值。

《荷載規(guī)范》3.2.4-1條：當(dāng)永久荷載效應(yīng)對結(jié)構(gòu)不利時，對由可變荷載效應(yīng)控制的組合，永久荷載的分項系數(shù)應(yīng)取1.2，對由永久荷載效應(yīng)控制的組合，永久荷載的分項系數(shù)應(yīng)取1.35；當(dāng)永久荷載效應(yīng)對結(jié)構(gòu)有利時，永久荷載的分項系數(shù)不應(yīng)大于1.0。

《荷載規(guī)范》3.2.4-2條：對標(biāo)準(zhǔn)值大于4kN/m2時的工業(yè)房屋樓面結(jié)構(gòu)的活荷載，荷載分項系數(shù)應(yīng)取1.3。

（七）改進樓蓋配筋方式

目前教材、參考書中，為了節(jié)省鋼筋，樓蓋配筋方式仍多采用以前倡導(dǎo)的彎起式?！痘炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010-2010）第9.1.4條規(guī)定：“采用分離式配筋的多跨板，板底鋼筋宜全部伸入支座；支座負(fù)彎矩鋼筋向跨內(nèi)延伸的長度應(yīng)根據(jù)負(fù)彎矩圖確定，并滿足鋼筋錨固的要求?！狈蛛x式配筋施工方便，已成為工程中鋼筋混凝土板的主要配筋方式。在主梁配筋計算時，建議不要考慮主梁上、下部鋼筋的聯(lián)系，不使用彎起鋼筋，主梁斜截面抗剪由箍筋承擔(dān)。

（八）應(yīng)進行結(jié)構(gòu)構(gòu)件裂縫寬度驗算

目前教材、參考書中，樓蓋課程設(shè)計示例一般未進行裂縫寬度和撓度驗算。若板的跨厚比鋼筋混凝土單向板不大于30，雙向板不大于40；次梁、主梁截面尺寸滿足高跨比要求，撓度驗算可忽略；但對板、梁必須進行裂縫寬度驗算，是不應(yīng)忽略的，否則不能保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件正常使用極限狀態(tài)要求。

（九）應(yīng)重視構(gòu)造鋼筋

構(gòu)造問題是結(jié)構(gòu)和構(gòu)件承載受力的基本條件。若不能滿足，則結(jié)構(gòu)分析和截面設(shè)計中的基本假定和計算簡圖就根本不能成立，設(shè)計出來的結(jié)構(gòu)安全度就會大有問題。譬如，當(dāng)按簡支邊或非受力邊設(shè)計的現(xiàn)澆混凝土板，當(dāng)與混凝土梁整體澆筑時，板面構(gòu)造鋼筋從混凝土梁邊、柱邊伸入板內(nèi)的長度不宜小于l：0/4；當(dāng)整體澆筑嵌固在砌體墻內(nèi)時，鋼筋伸入板內(nèi)的長度不宜小于l：0/7。若是框架結(jié)構(gòu)，板面構(gòu)造鋼筋從混凝土梁邊、柱邊伸入板內(nèi)的長度不宜小于l：0/4，不是教材中的l：0/7[7]。

（十）積極推進手算、電算的結(jié)合

課程設(shè)計教學(xué)內(nèi)容若仍采用手算體系的教學(xué)框架，將明顯與當(dāng)今信息化社會脫節(jié)[8]。引入PKPM系列軟件中PMCAD的教學(xué)內(nèi)容，對結(jié)構(gòu)布置和結(jié)構(gòu)計算部分，采用“先手算、后電算”，對結(jié)構(gòu)施工圖的繪制采用PMCAD與AUTOCAD相結(jié)合，加強電算與手算相結(jié)合，以及結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施環(huán)節(jié)的建設(shè)，培養(yǎng)學(xué)生手算、電算和概念分析等能力，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣。

三、 結(jié)語

針對鋼筋混凝土樓蓋課程設(shè)計中存在的突出問題，圍繞提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力的主線，充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用，確立學(xué)生的主體地位，使學(xué)生通過課程設(shè)計對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計有較全面的理解和認(rèn)識，逐步建立工程思維方式，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決工程實際問題的技能，為畢業(yè)設(shè)計和今后從事結(jié)構(gòu)設(shè)計工作奠定堅實的基礎(chǔ)。

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