趙必大　趙滇生

摘要：

對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計課程教學(xué)過程中存在的主要問題進行了分析，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、軟件教學(xué)、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等方面提出了教學(xué)改革建議，并正式開展了系列探索實踐，以提高鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計課程教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的工程應(yīng)用能力，培養(yǎng)高素質(zhì)的應(yīng)用型專業(yè)人才。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計；教學(xué)改革；工程能力

中圖分類號：TU391；G6420文獻標志碼：A文章編號：

10052909（2018）02007204

按照承重結(jié)構(gòu)的材料劃分，土木工程結(jié)構(gòu)可分為鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)等。其中，鋼結(jié)構(gòu)具有施工周期短、綠色環(huán)保、可回收利用、抗震性能好等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于廠房、多高層建筑、大跨公共建筑等。大部分院校的鋼結(jié)構(gòu)系列課程主要由鋼結(jié)構(gòu)基本原理和鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計（含實踐環(huán)節(jié)的鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計）兩門課程組成。其中，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計作為鋼結(jié)構(gòu)基本原理的后續(xù)專業(yè)課程，目的是使學(xué)生掌握鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法和手段，培養(yǎng)工程實踐能力。在當前本科教育面臨“畢業(yè)生質(zhì)量不高難以滿足用人單位需求”的大背景下，鋼結(jié)構(gòu)方向的人才供需矛盾在土木工程領(lǐng)域尤為突出。

浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院土木工程專業(yè)的學(xué)生在第5學(xué)期學(xué)習完鋼結(jié)構(gòu)基本原理課程后，于第6學(xué)期學(xué)習鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計課程，然后進行為期1周的鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計實踐。根據(jù)“厚基礎(chǔ)、寬口徑”的應(yīng)用型專業(yè)人才培養(yǎng)要求[1]，課程共40學(xué)時，與國內(nèi)多數(shù)高校的32～48學(xué)時較接近[2]。對鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)改革已有不少建議[3-5]，目的是讓學(xué)生全面掌握鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本方法，畢業(yè)后能較快勝任鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工工作。

浙江工業(yè)大學(xué)（以下簡稱“浙工大”）“十三五”發(fā)展規(guī)劃提出，要建設(shè)區(qū)域特色鮮明的綜合應(yīng)用研究型大學(xué)。為培養(yǎng)高素質(zhì)的綜合應(yīng)用型專業(yè)人才，適應(yīng)本科教育可持續(xù)化發(fā)展和教育領(lǐng)域工程實踐教育發(fā)展要求，筆者從多角度對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計課程的教學(xué)改革進行了探討。

一、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計課程教學(xué)中存在的問題

（一）課程內(nèi)容多，與其他課程有重疊

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計課程涉及內(nèi)容多，包括輕型門式剛架、中重型工業(yè)廠房、大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)、多層及高層房屋結(jié)構(gòu)、平臺鋼結(jié)構(gòu)或輕型住宅鋼結(jié)構(gòu)（新增），各部分內(nèi)容均包含設(shè)計理論與節(jié)點連接構(gòu)造設(shè)計，與規(guī)范、規(guī)程聯(lián)系緊密，僅鋼結(jié)構(gòu)部分涉及的規(guī)范、規(guī)程就有GB50017《鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》、GB51022《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》、GB50018《冷彎薄壁型鋼規(guī)范》、JGJ7《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》、JGJ99《高層民用鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》等。40學(xué)時的課堂教學(xué)加上一周的課程設(shè)計實踐課時明顯不足，教師只能有選擇地講授部分內(nèi)容，造成有些問題講得不夠深入、不夠系統(tǒng)，教學(xué)效果不甚理想。此外，教師必須具備扎實的力學(xué)基礎(chǔ)知識、深厚的鋼結(jié)構(gòu)理論，熟悉土木工程相關(guān)專業(yè)知識與規(guī)范，有一定的工程實踐經(jīng)驗。

浙工大土木工程專業(yè)在第6個學(xué)期還開設(shè)了結(jié)構(gòu)選項與概念設(shè)計、公共建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計兩門課程，均涉及網(wǎng)架、網(wǎng)殼等大跨鋼結(jié)構(gòu)，尤其是公共建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計對大跨鋼結(jié)構(gòu)的體系和計算要點進行了較詳細的講解，學(xué)生反映在大跨度鋼結(jié)構(gòu)這部分內(nèi)容有重復(fù)。

（二）

課程設(shè)計題目單一、內(nèi)容與工程實踐脫節(jié)

鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計是課堂學(xué)習之后的具體實踐，為期1周，時間偏少（很多兄弟院校安排10天或2周），題目一般為普通鋼屋架設(shè)計，內(nèi)容包括屋蓋結(jié)構(gòu)布置、桿件和節(jié)點設(shè)計及施工圖繪制。但由于角鋼加節(jié)點板組成的鋼屋架在工程實際中的應(yīng)用越來越少，且屋架只是廠房整體結(jié)構(gòu)中的一個構(gòu)體，難以培養(yǎng)學(xué)生的整體設(shè)計思想，從而導(dǎo)致學(xué)生片面認為“學(xué)校學(xué)的東西在工作中用不到”。

（三）學(xué)生缺乏工程常識，設(shè)計制圖質(zhì)量差

雖然課堂教學(xué)中引入了大量工程圖片，但由于學(xué)生實際接觸的角鋼屋架結(jié)構(gòu)很少，部分學(xué)生空間想像力差，加之鋼結(jié)構(gòu)施工圖比混凝土結(jié)構(gòu)要求更加詳細，導(dǎo)致學(xué)生對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的繪圖方式不熟悉、更談不上看鋼屋架施工圖[6]；因此，學(xué)生在課程設(shè)計時往往直接照抄課程設(shè)計指導(dǎo)書中的鋼屋架施工圖，其施工圖往往無法正確表達設(shè)計意圖，表達欠規(guī)范。

（四）課程設(shè)計實踐缺乏創(chuàng)新

一方面，課程設(shè)計時鋼屋架的外形（梯形或三角形）、跨度等由教師給定，缺乏設(shè)計方案對比環(huán)境，學(xué)生主觀能動性受限。另一方面，部分學(xué)生直接照抄課本或指導(dǎo)書上的案例，不查閱相關(guān)設(shè)計規(guī)范和設(shè)計資料，更不會利用excel等工具軟件來緩解手算的繁瑣，工程實踐能力難以提高。

上述問題在相當程度上導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的興趣不高，畢業(yè)設(shè)計選擇鋼結(jié)構(gòu)課題的人很少，這顯然與浙工大建設(shè)區(qū)域特色鮮明的綜合應(yīng)用研究型大學(xué)的目標不相符。

二、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計課程的教學(xué)改革

（一）教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整

鑒于公共建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計和鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計這兩門課程在大跨無蓋鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)容重疊問題，建議將大跨屋蓋鋼結(jié)構(gòu)中涉及整體分析計算的部分劃給公共建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計著重介紹節(jié)點連接設(shè)計，或者直接將鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計和公共建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計整合為64～80個學(xué)時的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計。此外，鑒于管桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)用日益廣泛，但大多數(shù)工程設(shè)計人員對這種連接方式的受力特點并不熟悉，

可考慮在64～80個課時的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計課程中增加這部分內(nèi)容的介紹。

（二）教學(xué)方法改革

傳統(tǒng)以書本為主、使用板書或多媒體的課堂教學(xué)方式存在被動、填鴨式教育等缺點，難以激發(fā)學(xué)生學(xué)習熱情和興趣。將模型引入鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計教學(xué)，能增加學(xué)生感性認識，開闊視野，更直觀地了解各個部件間的關(guān)系及工程實際做法，提升學(xué)生的工程能力。筆者在講解網(wǎng)架螺栓球節(jié)點構(gòu)造時，直接用實物節(jié)點進行組裝和拆卸演示，取得了較好的教學(xué)效果。不僅教師在課堂提供模型，還可以在課程設(shè)計中增加以小組為單位的模型制作環(huán)節(jié)，以4～6人為一組，用硬卡紙（或塑料、竹材料）模擬鋼材、膠水（或玻璃膠等）模擬焊接材料，按施工圖制作1∶50左右的縮尺結(jié)構(gòu)模型。在制作模型過程中可發(fā)現(xiàn)之前施工圖中出現(xiàn)的錯誤并加以改進，加深學(xué)生對施工圖設(shè)計要點的理解，提高學(xué)生分析和解決工程問題的能力，培養(yǎng)團隊精神。教師還可以從中挑選最好的結(jié)構(gòu)模型（如門式剛架等）用于以后的課堂教學(xué)。

此外，課堂教學(xué)應(yīng)注重理論聯(lián)系實際，強化工程概念和規(guī)范意識。鋼結(jié)構(gòu)基本原理講解的是梁、柱等構(gòu)件，理論性較強，而鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計直接面向工程實踐，需要用到各種規(guī)范手冊，因此，在課堂教學(xué)中應(yīng)強調(diào)實用性培養(yǎng)，其中最關(guān)鍵、最根本的就是實踐和工程應(yīng)用能力。解決實際問題的實踐能力培養(yǎng)上不去，創(chuàng)新能力就是無源之水。利用多媒體手段向?qū)W生展示工程圖片、動畫以及錄像資料的同時，配合講解結(jié)構(gòu)受力特點、細部構(gòu)造和安裝連接工藝，加深學(xué)生的感觀認知。強調(diào)規(guī)范對工程實踐的指導(dǎo)作用并將其貫穿于教學(xué)全過程，是加強理論聯(lián)系實際教育的有效措施。結(jié)合授課內(nèi)容對最常用的幾個鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范之間的差異進行分析。以門式剛架設(shè)計為例，其構(gòu)件腹板采用有效寬度，這是因為規(guī)范CECS102（GB51022的前身）強調(diào)腹板屈曲后強度的利用，GB50017有所不同。再如，在變截面柱穩(wěn)定驗算部分要抓住CECSl02與GB50017、GB50018規(guī)范在驗算公式方面的區(qū)別和聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生正確理解使用規(guī)范條文的意識和能力。結(jié)合實際工程施工圖講解，也是加強學(xué)生工程能力培養(yǎng)的有效措施。

課程涉及輕型門式剛架廠房、大跨空間結(jié)構(gòu)、多高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)等多種結(jié)構(gòu)體系，授課時應(yīng)將每一類結(jié)構(gòu)體系的特點和難點作為重點，詳細講解，做到重點突出層次分明。如多高層鋼結(jié)構(gòu)的分析和計算與高層建筑結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計基本相同，可以簡略，著重突出支撐和梁柱連接節(jié)點構(gòu)造等內(nèi)容。又如：輕型門式剛架結(jié)構(gòu)，構(gòu)件腹板有效寬度、變截面構(gòu)件的穩(wěn)定驗算公式及計算長度系數(shù)、檁條的計算（雙向受彎、且要考慮拉條的側(cè)向約束）等作為重點詳細講解。

科研反哺教學(xué)是激發(fā)學(xué)生、拓寬知識面的有效手段。如半剛性連接節(jié)點在鋼結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用，有別于混凝土的整體現(xiàn)澆。鋼結(jié)構(gòu)是通過焊接、螺栓等方式將部件或構(gòu)件連接成構(gòu)件或結(jié)構(gòu)，其連接節(jié)點嚴格來講并不是理想的剛接或鉸接，而是屬于典型的半剛性連接[7]。當前國內(nèi)傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計依然是將其簡化為剛接或鉸接，鋼框架或門式剛架梁與柱的連接經(jīng)常簡化為剛接假定，為此，在梁柱節(jié)點域設(shè)置一定的附加加勁件才能滿足，這無疑增加了成本，尤其是勞動力成本。如變成半剛性連接節(jié)點，則不僅可簡化構(gòu)造減少附加加勁件降低成本，而且已有研究表明半剛性節(jié)點的抗震性能在很多情況下往往效果更佳。此外，中國頒布實施的《端板式半剛性連接鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》促進了半剛性連接鋼結(jié)構(gòu)在工程實際中的應(yīng)用。教師可結(jié)合有限元分析典型，讓學(xué)生深刻理解半剛性及節(jié)點域局部變形概念。圖1為筆者上課時向?qū)W生講解節(jié)點局部變形和半剛性概念的常用例子：兩端梁承受相同彎矩作用的矩形鋼管柱與工字鋼梁直接焊接節(jié)點，圖1（a）為根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)概念建立的桿模型（學(xué)生比較熟悉），根據(jù)這個模型，加載端梁（施加集中彎矩處）的位移由梁的彎曲變形產(chǎn)生，模型無法表明梁柱節(jié)點域的局部變形，而根據(jù)通用有限元軟件ABAQUS的S4R殼單元建立有限元模型（圖1b）的分析表明，與梁上下翼緣連接的鋼管柱管壁出現(xiàn)明顯的凹凸變形，如圖1c所示，即為節(jié)點局部變形，這種局部變形使梁產(chǎn)生剛體轉(zhuǎn)動，故加載端梁的位移除了梁本身的彎曲變形外，還包括因節(jié)點局變形而導(dǎo)致的剛體位移，后者反映了節(jié)點半剛性特性。此外，通過制作動畫，還可以讓學(xué)生深刻了解節(jié)點域的應(yīng)力分布特點及其隨著荷載增加的變化，圖1d為某一個加載時的節(jié)點域的應(yīng)力分布，其中黑色為接近鋼管材料屈服的高應(yīng)力區(qū)，灰色（梁根部上、下翼緣附近的鋼柱管壁）為屈服區(qū)域。

（三）增加軟件教學(xué)

設(shè)計分析軟件的運用也是工程能力培養(yǎng)的一個重要方面，土木工程設(shè)計施工輔助軟件通常包括繪圖軟件AutoCAD、結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件PKPM與3D3S、結(jié)構(gòu)分析有限元軟件SAP2000、通用有限元軟件 ANSYS與ABAQUS等。就本科階段而言，掌握STS（PKPM的鋼結(jié)構(gòu)模塊）或3D3S專用設(shè)計軟件即夠用，但目前浙工大的結(jié)構(gòu)設(shè)計程序應(yīng)用課程（主要為PKPM）不僅安排在第7個學(xué)期，與鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計等實踐性很強的設(shè)計類課程不同步，而且不講授鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計，也導(dǎo)致選擇鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計作為畢業(yè)設(shè)計的學(xué)生較少。為此，可考慮在鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計環(huán)節(jié)增設(shè)4～6個學(xué)時，主要講授STS（或3D3S）在工程中最常見的門式剛架、鋼桁架和鋼框架中的應(yīng)用和操作，并在建模過程中講解參數(shù)的意義，增強學(xué)生對知識點的掌握，使學(xué)生將理論知識、工程實踐通過計算模型融為一體，從而達到培養(yǎng)學(xué)生計算機輔助設(shè)計的能力。

（四）課程設(shè)計的改革

鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計是配合專業(yè)課實踐教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，重點培養(yǎng)學(xué)生對所學(xué)專業(yè)知識的綜合運用和實踐能力。課程設(shè)計環(huán)節(jié)的改革，筆者認為大致可從以下幾個方面入手。一是改變選題過于單一、與社會脫節(jié)的現(xiàn)象?，F(xiàn)在大多數(shù)院校鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計一般多選擇由角鋼組成的鋼屋架，但這類結(jié)構(gòu)在現(xiàn)實中應(yīng)用較少，可考慮更新為實際工程中應(yīng)用較多的輕型門式剛架或多高層鋼框架。二是著力培養(yǎng)學(xué)生運用規(guī)范和計算手冊的能力。就課程設(shè)計而言，學(xué)生大都參考教材依葫蘆畫瓢，許多內(nèi)容和方法并不未真正理解，為此不僅需要增加課程設(shè)計的課時，更要求教師加強課程設(shè)計環(huán)節(jié)的教學(xué)，如引導(dǎo)學(xué)生查閱規(guī)范和資料、培養(yǎng)學(xué)生獨立獲取知識的能力等。三是培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用工具軟件的能力，如：利用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器計算屋架（桁架）、利用小軟件計算（驗算）錨栓或節(jié)點焊縫，求解門式剛架或鋼框架的內(nèi)力，避免繁瑣的重復(fù)性計算。

（五）重視畢業(yè)設(shè)計選題與實踐

與大多兄弟院校類似，浙工大建筑工程專業(yè)方向的畢業(yè)設(shè)計選題多為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)選題很少。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計比混凝土復(fù)雜繁瑣，涉及的基礎(chǔ)理論知識較多且較難，加上當前片面強調(diào)“寬口徑”和“通識教育”導(dǎo)致大量專業(yè)課程被壓縮甚至刪除，使學(xué)生對鋼結(jié)構(gòu)題目“敬而遠之”。為此，筆者建議，在畢業(yè)設(shè)計方面應(yīng)重視鋼結(jié)構(gòu)課題，一方面可考慮規(guī)定畢業(yè)設(shè)計課題中鋼結(jié)構(gòu)選題的比例，學(xué)生在選題前按抽簽方式?jīng)Q定混凝土或鋼結(jié)構(gòu)方向；另外一方面，教師結(jié)合實際提供更為豐富的鋼結(jié)構(gòu)類型，如輕型門式剛架、中重型廠房結(jié)構(gòu)、多層或小高層鋼框架、大跨鋼結(jié)構(gòu)（包括屋蓋鋼結(jié)構(gòu)與支撐屋蓋的梁柱墻等下部結(jié)構(gòu)）等，供學(xué)生選擇，以強化學(xué)生的鋼結(jié)構(gòu)計算及構(gòu)造、設(shè)計軟件

應(yīng)用等能力。畢業(yè)設(shè)計是學(xué)生走上工作崗位前的一次“大練兵”，對學(xué)生工程實踐能力的培養(yǎng)起著重要作用，為此，教師應(yīng)加強畢業(yè)設(shè)計，將其分解為結(jié)構(gòu)選型、荷載計算與組合、結(jié)構(gòu)和構(gòu)件內(nèi)力計算、構(gòu)件截面與節(jié)點設(shè)計等幾個階段，在每個階段進行詳細講解并進行檢查，及時為學(xué)生答疑，避免學(xué)生匆忙集中趕設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生通過查閱規(guī)范等方式獨立獲取知識，通過編輯excel等工具軟件計算或驗算檁條等構(gòu)件和節(jié)點焊縫的能力。如此，讓畢業(yè)后從事鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計施工的學(xué)生獲得一次鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的綜合鍛煉，從而避免學(xué)生走上工作崗位對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計一籌莫展的尷尬。

三、結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計是一門綜合性、理論性、實踐性很強的課程，對培養(yǎng)學(xué)生分析和解決工程設(shè)計問題能力作用明顯。建議從課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、課程設(shè)計等方面進行一系列改革嘗試，促進由單純傳授知識向?qū)W生工程素養(yǎng)培養(yǎng)轉(zhuǎn)變，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣和積極性，更好地培養(yǎng)學(xué)生的工程能力，實現(xiàn)卓越工程師的人才培養(yǎng)目標。參考文獻：

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Abstract：

The main problems in the teaching process of steel structure design course were analyzed in the paper. The suggestion and exploration of course teaching reform from teaching contents， teaching reform， software teaching， curriculum design and graduation project choosing were put forward in the paper. The course teaching reform aimed at improving teaching quality and students engineering ability， training the highquality and applicationoriented professionals.

Keywords： steel structure design； teaching reform； engineering ability

（編輯梁遠華）