王鼎，曹海瑩，潘鵬程，徐珊，朱瑞廣

（燕山大學(xué)建筑工程與力學(xué)學(xué)院 河北 秦皇島 066004）

1 簡介

土木工程包括人類從事生產(chǎn)和生活活動的各類基礎(chǔ)設(shè)施，其安全性和可靠性直接關(guān)系到社會整體和個人的生命財產(chǎn)安全。土木工程在服役期內(nèi)有一定概率受到地震、強風(fēng)、地質(zhì)災(zāi)害等極端災(zāi)害的影響，同時施工不規(guī)范、恐怖襲擊等人為行為也會增加結(jié)構(gòu)破壞的風(fēng)險。美國911 恐怖襲擊導(dǎo)致世貿(mào)雙塔倒塌、汶川大地震導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)倒塌、東日本地震海嘯導(dǎo)致福島核電站泄露均是典型例子。因此，風(fēng)險管控意識是新時代土木工程專業(yè)人才的必備素質(zhì)。

我國土木工程專業(yè)教育日趨重視本科生風(fēng)險管控能力的培養(yǎng)，但多采用在專業(yè)課程部分章節(jié)中進行介紹的教學(xué)方法，未形成系統(tǒng)的體系。近年來，課程群建設(shè)成為專業(yè)人才培養(yǎng)的重要途徑，為風(fēng)險管控能力培養(yǎng)提供了新思路?；诖耍卷椖窟M行了土木工程專業(yè)人才風(fēng)險管控能力培養(yǎng)的課程群建設(shè)。課程群名稱為“土木工程可靠性與風(fēng)險管控”課程群，以巖土與地下工程專業(yè)方向為對象，采用案例教學(xué)的方式整合重組各課程中關(guān)于可靠性和風(fēng)險分析的教學(xué)內(nèi)容，明確課程群教學(xué)產(chǎn)出，實現(xiàn)畢業(yè)生風(fēng)險管控能力提升的教學(xué)目標(biāo)。

2 課程群建設(shè)必要性

現(xiàn)階段推進土木工程風(fēng)險管控能力培養(yǎng)存在如下難點：①風(fēng)險管控以工程結(jié)構(gòu)可靠性分析為基礎(chǔ)，需要學(xué)生具有隨機性思維。土木工程專業(yè)本科課程體系中，可靠性分析主要通過“工程結(jié)構(gòu)荷載與可靠度設(shè)計原理”課程講授，其他課程較少涉及可靠性相關(guān)內(nèi)容。導(dǎo)致學(xué)生難以進行實際工程結(jié)構(gòu)的可靠性分析并判斷風(fēng)險來源。②除可靠性理論教學(xué)外，土木工程風(fēng)險意識培養(yǎng)須對比真實工程實例，抽絲剝繭地分析工程風(fēng)險成因和防治技術(shù)。這需要多門課程統(tǒng)籌安排教學(xué)實例，明確每個實例的教學(xué)重點，實現(xiàn)風(fēng)險管控相關(guān)知識點全覆蓋。因此，培養(yǎng)學(xué)生的風(fēng)險管控能力，需要多門課程在理論和應(yīng)用兩個維度配合教學(xué)。

以上難點可采用課程群建設(shè)與案例教學(xué)相結(jié)合的方式進行解決。這是因為：①課程群建設(shè)可以整合協(xié)調(diào)各課程的教學(xué)內(nèi)容，將可靠性理論與工程風(fēng)險分析實例相結(jié)合，從理論和應(yīng)用兩個維度培養(yǎng)學(xué)生的風(fēng)險管控能力。②采用案例教學(xué)可以使學(xué)生理解可靠性分析的抽象概念，在復(fù)雜建造環(huán)境中準確尋找工程風(fēng)險來源。

3 課程群構(gòu)建思路

本課程群建設(shè)以土木工程專業(yè)巖土與地下工程方向為對象，包括“工程結(jié)構(gòu)荷載與可靠度設(shè)計原理”“土力學(xué)”“巖土工程測試技術(shù)”“高層建筑基礎(chǔ)”“地下工程施工技術(shù)”“建設(shè)工程經(jīng)濟與項目管理”等六門課程?！肮こ探Y(jié)構(gòu)荷載與可靠度設(shè)計原理”是課程群的核心，學(xué)生通過本課程學(xué)習(xí)掌握可靠度分析方法，為工程風(fēng)險管控奠定理論基礎(chǔ)；“土力學(xué)”和“巖土工程測試技術(shù)”聚焦地基土參數(shù)的隨機性，使學(xué)生掌握建造環(huán)境不確定性如何影響工程風(fēng)險；“高層建筑基礎(chǔ)”與“地下工程施工技術(shù)”聚焦實際工程結(jié)構(gòu)的風(fēng)險分析，將可靠度方法用于風(fēng)險定量評價，分析實際工程事故的風(fēng)險源；“建設(shè)工程經(jīng)濟與項目管理”重點講授如何在成本約束下降低工程風(fēng)險，介紹風(fēng)險管控的實用方法。

4 實施方案

本課程群建設(shè)的具體實施方案包括：

第一，以“工程結(jié)構(gòu)荷載與可靠度設(shè)計原理”課程為基礎(chǔ)，在工程結(jié)構(gòu)荷載統(tǒng)計、構(gòu)件抗力統(tǒng)計的教學(xué)過程中強調(diào)土木工程和建造環(huán)境隨機性的影響，樹立學(xué)生利用可靠性評價結(jié)構(gòu)工程的觀念；在結(jié)構(gòu)可靠度計算方法講授中引入獨立基礎(chǔ)地基承載力案例，使學(xué)生掌握可靠度分析的原理。

第二，在“土力學(xué)”“巖土工程測試技術(shù)”兩門課程中，針對地基土土層參數(shù)的隨機性分析設(shè)置案例，使學(xué)生掌握工程建造環(huán)境的隨機性及其帶來的潛在風(fēng)險?！巴亮W(xué)”課程通過多個工程實際案例，展示場地土層參數(shù)的實測數(shù)據(jù)、均值、變異系數(shù)，使學(xué)生具有工程建造環(huán)境隨機性的定量認識；“巖土工程測試技術(shù)”要求學(xué)生對土層參數(shù)實測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，掌握建造環(huán)境隨機性的定量分析方法。

第三，在“高層建筑基礎(chǔ)”“地下工程施工技術(shù)”兩門課程中，分別針對筏板基礎(chǔ)設(shè)計和隧道施工設(shè)置案例，使學(xué)生掌握實際工程結(jié)構(gòu)可靠度分析的方法，加深學(xué)生對災(zāi)害隨機性導(dǎo)致工程風(fēng)險的理解?！案邔咏ㄖA(chǔ)”課程利用之前土層參數(shù)隨機性的分析結(jié)果，進行框架結(jié)構(gòu)筏板基礎(chǔ)地基承載力的可靠度計算，使學(xué)生了解土層參數(shù)隨機性帶來的結(jié)構(gòu)失效風(fēng)險，并利用可靠度結(jié)果定量評估風(fēng)險；“地下工程施工技術(shù)”講解多個隧道事故實例，使學(xué)生了解忽視風(fēng)險防控會導(dǎo)致嚴重的后果。

第四，以“建設(shè)工程經(jīng)濟與項目管理”課程為落腳點，從經(jīng)濟損失角度講授降低工程風(fēng)險的必要性和措施，介紹降低風(fēng)險的實用方法，培養(yǎng)學(xué)生在立項―設(shè)計―施工―維護全過程中管控風(fēng)險的意識。

在實際操作過程中，本課程群采用案例式教學(xué)方法。案例教學(xué)是理論聯(lián)系實際的重要途徑，能夠?qū)W(xué)生置于真實案例環(huán)境中，培養(yǎng)其解決實際問題的能力，也能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。本課程群的六門課程均設(shè)置了專門的案例，以支撐專業(yè)人才風(fēng)險管控能力培養(yǎng)的目標(biāo)。

“采用一次二階矩方法的獨立基礎(chǔ)地基承載力可靠度計算案例”“地基土指標(biāo)的隨機性分析案例”和“靜力觸探法測量地基承載力的實測數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計案例”三個案例以獨立基礎(chǔ)地基承載力驗算這一學(xué)生易于理解的問題入手。

“采用一次二階矩方法的獨立基礎(chǔ)地基承載力可靠度計算案例”以一獨立基礎(chǔ)的地基承載力驗算作為工程問題，考慮荷載、基礎(chǔ)尺寸與地基土強度的隨機性，要求學(xué)生構(gòu)建功能函數(shù)，并利用一次二階矩方法求解可靠指標(biāo)。同時要求學(xué)生進行探索，分析荷載、基礎(chǔ)尺寸、地基土強度的均值和標(biāo)準差變化如何影響可靠指標(biāo)與可靠度，進而增加地基失效的風(fēng)險。本案例可以使學(xué)生理解工程風(fēng)險的來源，為之后的風(fēng)險評估提供分析工具。

“地基土指標(biāo)的隨機性分析案例”展示5 組實際工程現(xiàn)場測定的地基土指標(biāo)，計算指標(biāo)均值與變異系數(shù)，評價不同種類地基土性質(zhì)的離散性。任課教師回顧之前的獨立基礎(chǔ)地基承載力可靠度計算案例，要求學(xué)生針對本案例的5 組實際地基土指標(biāo)重新進行可靠度分析，優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)計方案，促使學(xué)生將可靠度分析方法應(yīng)用到實際工程中。

“靜力觸探法測量地基承載力的實測數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計案例”要求學(xué)生利用靜力觸探法獲得的數(shù)據(jù)計算地基土的強度指標(biāo)值，并利用可靠度計算中的誤差傳遞公式計算原始數(shù)據(jù)測量誤差導(dǎo)致的強度指標(biāo)誤差，分析測量誤差導(dǎo)致的基礎(chǔ)承載力可靠度變化。本案例可以使學(xué)生在理性上認識工程設(shè)計建造中各隨機因素造成的風(fēng)險，掌握工程風(fēng)險的定量評價方法。

以上三個案例具有統(tǒng)一的工程背景，由理論分析逐步過渡到實用計算，從可靠度概念入手逐步引導(dǎo)學(xué)生探索工程風(fēng)險產(chǎn)生原因，層層深入。之后的“筏板基礎(chǔ)地基承載力的可靠度計算與風(fēng)險評估案例”“隧道工程的事故實例分析”與“巖土與地下工程的風(fēng)險識別與應(yīng)對措施案例”三個案例側(cè)重土木工程在真實建造環(huán)境下的風(fēng)險分析，設(shè)置目的是使學(xué)生能夠進行復(fù)雜土木工程問題的風(fēng)險評估與管控。

“筏板基礎(chǔ)地基承載力的可靠度計算與風(fēng)險評估案例”要求學(xué)生計算更為復(fù)雜的筏板基礎(chǔ)的可靠性。與獨立基礎(chǔ)相比，筏板基礎(chǔ)的基底反力分布不均勻，土層指標(biāo)的隨機性對基礎(chǔ)內(nèi)力和可靠度的影響更明顯。案例教學(xué)過程中要求學(xué)生對比獨立基礎(chǔ)和筏板基礎(chǔ)的可靠度，分析相同地基土環(huán)境中不同基礎(chǔ)形式失效風(fēng)險的差別，并分析成因。

“隧道工程的事故實例分析”通過展示6 個工程實例，聚焦隧道建設(shè)、運行過程中出現(xiàn)的事故。案例覆蓋突水突泥、塌方、洞內(nèi)機械設(shè)備故障、交通事故引起火災(zāi)等隧道常見的事故類型，分析事故發(fā)生的自然和人為原因。本案例使學(xué)生了解真實工程的風(fēng)險并非具有單一來源，相較建造環(huán)境和材料屬性的隨機性，設(shè)計施工錯誤可能造成更為嚴重的事故。提高設(shè)計、施工與管理人員的職業(yè)素養(yǎng)和專業(yè)能力是降低風(fēng)險的重要途徑。

“巖土與地下工程的風(fēng)險識別與應(yīng)對措施案例”針對前一案例的隧道事故實例，介紹工程風(fēng)險的管控措施。風(fēng)險管控的核心是降低各類事故發(fā)生的概率，提高土木工程建造和使用的可靠度。本案例詳細介紹土木工程設(shè)計、施工和運營過程中的風(fēng)險管控措施，要求學(xué)生制訂風(fēng)險預(yù)防和應(yīng)對方案，并通過小組討論的形式完善方案，激發(fā)學(xué)生的團隊合作意識。

本課程群的6 個案例具有清晰的邏輯關(guān)系，層層深入，兼顧土木工程風(fēng)險管控的理論深度與應(yīng)用廣度。

5 結(jié)語

土木工程專業(yè)人才需要具有工程風(fēng)險管控能力。為適應(yīng)行業(yè)發(fā)展需要，教學(xué)團隊構(gòu)建了土木工程專業(yè)人才風(fēng)險管控能力培養(yǎng)的課程群，結(jié)合案例教學(xué)方法，進行了兩個完整教學(xué)周期的實施。課程群建設(shè)實施過程中，得到如下經(jīng)驗和結(jié)論：

土木工程風(fēng)險管控能力的培養(yǎng)，需要在理論和實踐兩個維度展開。理論教學(xué)應(yīng)使學(xué)生掌握工程結(jié)構(gòu)可靠度計算方法，理解風(fēng)險管控的理念。實踐教學(xué)應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生分析具體工程對象風(fēng)險來源的能力，使學(xué)生能夠評價各類風(fēng)險的發(fā)生概率與后果，掌握降低各類風(fēng)險的實用方法。

在風(fēng)險管控能力培養(yǎng)課程群建設(shè)中使用案例教學(xué)方法，應(yīng)強調(diào)各案例知識能力培養(yǎng)的邏輯性與連續(xù)性，避免出現(xiàn)“孤立”案例。教學(xué)反饋表明，教師在教學(xué)過程中回顧前置課程的案例，或?qū)⑶爸谜n程案例的結(jié)果用于新案例，能夠加強學(xué)生對復(fù)雜工程問題的全景認識，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。