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摘要：鋼結構課程設計是土木工程本科教學中的重要設計訓練環(huán)節(jié)，著重培養(yǎng)學生運用鋼結構基本理論解決工程設計問題的能力。文章結合“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”，在考慮當前鋼結構發(fā)展形勢的情況下對鋼結構課程設計的教學內容、教學組織和設計題目開展了改革探索，同時對教學指導環(huán)節(jié)進行了探討。

關鍵詞：鋼結構；課程設計；教學研究

中圖分類號：G6423；TU391文獻標志碼：A文章編號：

10052909（2016）04006504

在土木工程本科專業(yè)的課程設置中，課程設計訓練作為重要的教學實踐環(huán)節(jié)，不僅可以鞏固和加深學生對基本理論和專業(yè)課程的理解，而且可以鍛煉學生運用理論知識解決工程設計問題的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新實踐能力強、適應社會經(jīng)濟發(fā)展需要的優(yōu)秀工程師。按照教育部對實施“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”（以下簡稱“卓越計劃”）的要求[1]，武漢大學土木工程專業(yè)于2012年入選第二批“卓越計劃”，根據(jù)學校自身的辦學特點，已經(jīng)開展了卓越計劃培養(yǎng)方案的探索與實踐，取得了豐碩的教學經(jīng)驗[2]。鋼結構課程設計是土木工程專業(yè)主干課程——鋼結構的后續(xù)實踐課程，是執(zhí)行“卓越計劃”培養(yǎng)方案的重要組成部分，開展鋼結構設計方面的基本訓練，可使學生具備初步的工程設計能力。

近年來，我國建筑行業(yè)發(fā)展迅速，鋼結構已經(jīng)在高層和超高層建筑、大跨度結構、塔桅結構、工業(yè)廠房和輕型住宅等方面得到了廣泛的應用[3]。為適應當前鋼結構的發(fā)展形勢，已有部分教學和研究人員對鋼結構課程設計教學方法[4]和改革構想[5]進行了探討。根據(jù)“卓越計劃”對本科教學在知識、能力和素質三方面的要求[6]，考慮武漢大學土木建筑工程學院的辦學情況，對鋼結構課程設計的教學進行新的改革探索。

一、課程設置情況

（一）課程設置目標

鋼結構課程設計旨在要求學生深刻理解、鞏固和掌握鋼結構的基本理論和基礎知識，對所學知識融會貫通，結合相關設計規(guī)范、規(guī)程和圖集，查閱設計手冊和資料，建立鋼結構設計的概念，進行鋼結構設計計算和施工圖繪制。

總體而言，鋼結構課程設計是一門實踐性很強的課程，重在培養(yǎng)學生綜合運用所學鋼結構基本理論知識，獨立分析和解決鋼結構工程實際問題的能力，讓學生得到工程設計能力的初步培養(yǎng)和訓練，包括基本結構構件、節(jié)點的設計與計算。通過繪制鋼結構工程設計圖紙，提高動手能力，建立鋼結構設計的初步概念，有助于畢業(yè)后較快地勝任鋼結構設計和鋼結構施工工作，以滿足企業(yè)和社會對工程型人才的需求。

（二）課程設置現(xiàn)狀和存在的主要問題

20世紀80年代以前，我國的鋼鐵產(chǎn)量較低，鋼結構的應用形式較為單一。傳統(tǒng)的鋼結構課程設計題目，受實際應用的限制，一般為三角形或梯形鋼屋架的設計，該題目在鋼結構相關教材中沿用至今。在鋼屋架的設計訓練中，主要包括桁架結構形式的選型，軸心受力構件和焊接連接節(jié)點的設計計算等內容，沒有全面覆蓋鋼結構的主要知識點，如受彎構件、壓彎構件和螺栓連接節(jié)點等內容。鋼屋架一般采用角鋼，基本構件截面形式為單角鋼或兩個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)點設計中，零部件和構造細節(jié)較多，往往導致在施工圖的繪制中出現(xiàn)表達不清，出圖質量不高的問題。同時由于課程的教學和訓練時間一般為一周，在較短時間內往往難以達到較好的訓練效果。

近年來由于我國鋼材產(chǎn)量的大幅提升和鋼結構的大規(guī)模推廣應用，在工業(yè)與民用建筑的屋蓋結構中，三角形或梯形角鋼桁架已經(jīng)逐漸被其他新型結構型式所取代，例如門式剛架結構。在鋼結構課程設計中沿用前期的三角形或梯形鋼屋架的設計題目已與當前形勢發(fā)展和工程應用脫節(jié)。按照“卓越計劃”培養(yǎng)方案中強化工程實踐能力、工程設計能力和工程創(chuàng)新能力的核心要求，需要對鋼結構課程設計的教學內容和課程體系進行重構，開展相關的教學改革和探索。

二、課程設置改革探索

（一）教學內容修訂

緊密結合土木工程“卓越計劃”培養(yǎng)方案要求和人才培養(yǎng)目標，針對當前課程設置中存在的問題，開展鋼結構課程設計的教學內容修訂工作。從鍛煉學生的工程化實踐能力和思維能力出發(fā)，鋼結構課程設計的選題應盡量貼近工程實際。已有高校將課程設計題目修改為完成一個單層門式剛架鋼結構項目的設計[8]，設計內容包括完整的設計計算書和全套的施工詳圖。該設計題目結合實際工程項目，較為全面地涵蓋了鋼結構的基本知識點，然而由于門式剛架的荷載工況組合繁多，結構內力計算較為復雜，教學安排為一周的課程設計往往在時間上不允許。此外，如果采用分組模式，各個小組內學生的任務分工不同，難以嚴格督促每個學生設計工作量的實際完成情況。由于存在設計任務分工，少數(shù)學習積極性不足的學生往往缺乏對項目設計整體上的認識，從而對學習效果造成不利影響。

因此，從設計題目、教學組織等方面對鋼結構課程設計的教學內容進行修訂，同時增加了參照國外現(xiàn)行規(guī)范的設計內容。為了更加全面地鞏固和應用鋼結構的主要核心知識點，在修訂后主要包括了以下內容：（1）基本構件設計，包括軸心受壓構件、壓彎構件和受彎構件的設計；（2）節(jié)點設計，從形式上分為螺栓連接節(jié)點和焊接節(jié)點設計，具體包括梁柱節(jié)點、主次梁節(jié)點和柱腳節(jié)點等；（3）樓板設計，包括單向板、雙向板和加勁肋的設計等。

為了充分體現(xiàn)課程設計的針對性，實現(xiàn)對一般鋼結構工程設計過程的完整綜合性訓練，在課程設計中著重強調手算和手繪施工圖，培養(yǎng)學生開展結構分析計算和設計的理論功底和實踐能力，既能保證總體設計任務的全面合理性，又能充分發(fā)揮學生的主觀能動性，督促學生獨立完成各自的設計任務，確保課程設計的訓練效果。

（二）設計題目修改

按照修訂的教學內容安排，將鋼結構課程設計的題目由傳統(tǒng)的三角形或梯形鋼屋架修改為鋼平臺結構設計。每個學生最終提交一個完整的鋼平臺結構設計，具體的課程設計安排如下：

（1）課程設計任務。設計一個單層的車間內檢修鋼結構平臺，總建筑面積為200～300 m2。

（2）課程設計內容。鋼平臺平面設計包括結構總體尺寸和標高、柱網(wǎng)布置、主次梁布置、樓板布置等，平臺鋪板設計，平臺梁（次梁、主梁）設計，平臺柱設計，連接節(jié)點（次梁與主梁、梁與柱、柱腳）設計，支撐、基礎設計。

（3）課程設計要求。設計計算書（手算、手寫），手繪施工圖（A3圖紙，2～3張），包括平臺結構布置圖、連接節(jié)點大樣圖、基礎大樣圖，以及設計說明和構件表。

在鋼結構課程設計的具體實施中，通過設定不同的整體尺寸（平臺高度、平面尺寸），荷載條件和鋼材類別，確保每個學生具有不同的設計條件，督促學生獨立完成給定的設計內容。同時在結構布置、連接節(jié)點樣式上給學生以自由選擇的空間，充分發(fā)揮設計上的主觀能動性。由于教學安排與訓練的總體時間較短，在結構設計中不考慮地震作用，即不進行抗震驗算。

此外，由于在鋼結構基本原理的教學中，主次梁連接節(jié)點、梁柱節(jié)點以及柱腳節(jié)點的設計往往不是教學的重點，在課程設計任務布置時提供實際工程中多種常用的節(jié)點形式供參考，圖1所示為課程設計任務書中給出的兩種主次梁連接節(jié)點構造形式。

（三）配合工程實習

鋼結構的加工制作大部分是在鋼結構加工廠完成，施工現(xiàn)場裝配化程度高。將鋼結構課程設計與企業(yè)實習相配合，有助于學生了解實際的鋼結構加工過程，熟悉包括鋼板的下料切割、拼接裝配、焊接技術、焊接變形矯正、螺栓孔加工、摩擦面處理、噴漆在內的加工環(huán)節(jié)和過程。同時，由于鋼結構生產(chǎn)企業(yè)的廠房一般為鋼結構廠房，可讓學生實地觀察鋼結構廠房的空間布置和局部連接構造，增強學生對鋼結構實際工程的感性認識。這種帶有直接目的和針對性的工程實習，有助于引導學生在施工詳圖的繪制中正確合理表達自己的設計意圖，提高鋼結構設計的適用性和施工詳圖的繪制質量。

（四）增加國外規(guī)范設計

與“卓越計劃”中的推進國際化培養(yǎng)進程相結合，在鋼結構課程設計中增加參照國外規(guī)范進行設計計算的內容。具體實施方案為參考歐洲現(xiàn)行鋼結構設計規(guī)范（Eurocode 3）[9]，學習其中的設計條文并將其運用于鋼結構平臺中的基本構件和節(jié)點的設計驗算中，有助于學生熟悉歐洲規(guī)范的設計框架和理念，具體包括截面分類法、軸心受壓構件、受彎構件和連接節(jié)點等計算內容，并根據(jù)課程設計實例對比中國和歐洲鋼結構設計規(guī)范的異同?？紤]到每個學生的實際情況和學習基礎各不相同，本部分為選做內容，鼓勵有興趣和學有余力的學生完成該部分的設計計算工作。通過對現(xiàn)行歐洲鋼結構規(guī)范的學習和實際運用，可有效提高學生對國外設計規(guī)范和標準的熟悉程度，在專業(yè)設計領域內拓展國際視野，提升學生的國際化能力，實現(xiàn)國際化工程師的培養(yǎng)目標。

三、教學指導改革探討

（一）設計任務布置

為使學生在有限的訓練時間里對鋼結構課程設計定位和教學組織安排形成較為全面系統(tǒng)的認識，需要任課教師開展有效的教學引導和講解。教師在布置課程設計任務時對設計要點進行詳細說明，結合工程實例照片和設計規(guī)范闡述課程設計中的關鍵點。在鋼結構原理的課程教學中，由于教學時間的限制，對主次梁節(jié)點、梁柱節(jié)點等節(jié)點設計的講解往往不夠透徹，結合實際工程案例中的節(jié)點詳圖對節(jié)點的承載性能和受力特點進行講解，有助于學生建立對工程設計的感性認識。

結合“卓越計劃”的國際化培養(yǎng)目標，對歐洲鋼結構設計規(guī)范的基本理念和設計框架進行介紹，具體包括歐洲規(guī)范中的分項系數(shù)取值、截面分類法、構件與節(jié)點設計計算公式等內容。引導學生主動查閱規(guī)范條文，并根據(jù)條文進行構件與節(jié)點的設計計算。

（二）教學指導與考核

根據(jù)學校的實際情況，為開展鋼結構課程設計的學生集中統(tǒng)一安排教室，任課教師每天隨堂檢查課程設計的進度，同時合理安排針對性的統(tǒng)一討論和答疑，及時進行反饋與交流，督促學生按既定的進度計劃完成課程設計任務。加強課程設計的教學過程管理和指導，不僅有助于任課教師及時掌握學生的學習態(tài)度和綜合表現(xiàn)，而且可確保課程設計完成質量。在布置設計任務時提出標準考核條件，通過對手寫的設計計算書、手繪的施工詳圖和平時成績綜合考核，將集中討論環(huán)節(jié)計入平時成績，同時對創(chuàng)新性設計理念進行鼓勵加分，綜合給出較為公正公平的成績。

四、結語

鋼結構課程設計是土木工程專業(yè)學生重要的教學實踐課程，在培養(yǎng)學生工程設計和思維能力方面具有不可替代的作用。隨著現(xiàn)代鋼結構的發(fā)展，鋼結構課程設計面臨著新的機遇和挑戰(zhàn)。結合“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”，對課程教學內容、教學組織和設計題目等方面進行了改革探索，可以有效提高鋼結構課程設計的教學效果，在知識、能力和素質三個方面達到卓越工程師培養(yǎng)的基本要求。參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部. 教育部關于實施卓越工程師教育培養(yǎng)計劃的若干意見[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)方案探索與實踐[J]. 高等建筑教育， 2014， 23（3）： 17-21.

[3]沈祖炎， 李元齊. 促進我國建筑鋼結構產(chǎn)業(yè)發(fā)展的幾點思考[J]. 建筑鋼結構進展， 2009， 11（4）： 15-21.

[4]陳俊嶺， 焦燏烽. 鋼結構課程設計教學方法探討[J]. 高等建筑教育， 2012， 21（5）： 108-110.

[5]高涌濤， 傅鵬斌. 鋼結構課程設計改革探討[C]//土木建筑教育改革理論與實踐研討會論文集， 2009： 370-372.

[6]高等學校土木工程學科專業(yè)指導委員會. 土木工程卓越工程師教育培養(yǎng)計劃專業(yè)標準（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)鋼結構課程本科教學探討[J]. 高等建筑教育， 2013， 22（4）： 51-54.

[8]施剛， 石永久， 王元清. 《鋼結構課程設計》教學探討[J]. 鋼結構， 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.