王華昆 高婧 陳蘭英

摘? 要：該文以新工科人才培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)為指導(dǎo)，以全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽為載體，提出面向工程應(yīng)用的土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一體化課程體系設(shè)置方案及對(duì)應(yīng)的教學(xué)方法?？偨Y(jié)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的一般思路及學(xué)生需具備的基礎(chǔ)知識(shí)體系，提出“核心課程體系”設(shè)置方案，結(jié)合知識(shí)遞進(jìn)關(guān)系和課程關(guān)聯(lián)性開展一體化教學(xué)，通過打造“課程群”打破課程之間的壁壘，實(shí)現(xiàn)“理論-實(shí)踐”高度有機(jī)結(jié)合。依托結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽，讓學(xué)生在實(shí)踐過程中汲取知識(shí)、鞏固知識(shí)，實(shí)現(xiàn)“融賽于學(xué)，融學(xué)于踐”。

關(guān)鍵詞：新工科；土木工程；有限元分析應(yīng)用；一體化教學(xué)；ABAQUS；教學(xué)實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2023）35-0107-05

Abstract： This study was guided by the "Emerging Engineering Education" talent training standards， taking the National College Student Structural Design Competition as the carrier， the civil engineering structural design integrated course system setting scheme and the corresponding teaching method for engineering application were proposed. The general ideas that should be followed in engineering structure design and the basic knowledge system that students need to have were summarized in this study. The setting scheme of "core curriculum system" was put forward， integrated teaching was carried out by combining knowledge progression relationship and curriculum relevance， and the barriers between courses was break by building "curriculum groups" to achieve a highly organic combination of "theory and practice". Relying on the structural design competition， students can learn and consolidate knowledge in the process of practice， so as to achieve "integrating competition in learning and integrating learning in practice".

Keywords： Emerging Engineering Education; civil engineering; finite element analysis and application; integrated teaching; ABAQUS; teaching practice

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是土木工程教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，掌握合理的設(shè)計(jì)流程和先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法是學(xué)生必須具備的基本素質(zhì)。隨著科技發(fā)展，涌現(xiàn)了越來越多的新型設(shè)計(jì)手段，其中虛擬工程與科學(xué)（SBES）技術(shù)[1]是當(dāng)代大型土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必不可少的工具。SBES有力地推動(dòng)了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM），使得大型復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和建造越來越成熟和便捷，典型的如BIM技術(shù)、有限元法、有限體積法、無網(wǎng)格法等。而有限元法是SBES的主要手段之一，自1956 年Turner[2]發(fā)表采用有限元技術(shù)計(jì)算飛機(jī)機(jī)翼強(qiáng)度的論文以來，有限元法就得到了極大的發(fā)展，至今已擴(kuò)展到幾乎所的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，包括：航空、土木、水利、海洋和機(jī)械等。目前國(guó)內(nèi)外已開發(fā)出大量成熟的商用軟件，如ANSYS、ABAQUS、COMSOL等，且在科研和工程領(lǐng)域均得到廣泛的應(yīng)用。

然而，僅僅會(huì)使用成熟的商用工具并不能使我們的學(xué)生成為一名優(yōu)秀、可靠的工程師，尤其是當(dāng)下的大型土木工程往往具有多學(xué)科交叉、大尺度、大規(guī)模和多場(chǎng)耦合等特點(diǎn)，如何讓學(xué)生掌握多學(xué)科知識(shí)和具備可靠的復(fù)雜問題分析設(shè)計(jì)能力，是當(dāng)下教學(xué)應(yīng)重點(diǎn)解決的問題[3]。傳統(tǒng)的土木工程核心專業(yè)課程包括理論力學(xué)、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)，上述課程主要以簡(jiǎn)單的桿、梁、鋼架體系作為分析對(duì)象，盡管有利于闡述和掌握相關(guān)結(jié)構(gòu)分析理論，但對(duì)當(dāng)下大型結(jié)構(gòu)（如大型體育場(chǎng)館、大跨橋梁、摩天大樓和大型海上浮體等）分析缺乏直接指導(dǎo)作用。針對(duì)當(dāng)下復(fù)雜大型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求，國(guó)內(nèi)工科本科專業(yè)幾乎都開設(shè)了有限元相關(guān)課程。但有限元分析涉及的基礎(chǔ)課程較多，學(xué)習(xí)難度較大，部分高校工程專業(yè)針對(duì)力學(xué)教學(xué)過程中的不足，將成熟商用軟件（如ABAQUS、ANSYS）引入課程，并結(jié)合案例進(jìn)行教學(xué)[4-6]，通過該教學(xué)改革措施提高學(xué)生對(duì)力學(xué)課程的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生解決工程問題的能力。但是，單純的軟件教學(xué)會(huì)讓學(xué)生知其然而不知所以然，無法基于理論開展深入的分析。此外，在新工科教育的背景下，對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新能力也提出了更高的要求[3]，特別是培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，這也反過來對(duì)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法提出了創(chuàng)新和改革需求。

一? 以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽為載體的一體化創(chuàng)新教學(xué)體系

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)貫穿“方案設(shè)計(jì)-方案驗(yàn)證-結(jié)構(gòu)優(yōu)化”三大主題的過程，且需要反復(fù)進(jìn)行迭代優(yōu)化。盡管大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽的對(duì)象較為簡(jiǎn)單，大多由竹材制作而成，但依然具備大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的基本特征，包括：復(fù)雜的材料特性，桿、梁、板等基本構(gòu)件，靜力、動(dòng)力等受力特性。因此，通過完整的“需求分析-方案設(shè)計(jì)-模型制作-實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證-結(jié)構(gòu)優(yōu)化”五大環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)實(shí)踐（圖1），對(duì)學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)具有巨大的作用。然而，經(jīng)過幾年的教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在當(dāng)前知識(shí)結(jié)構(gòu)體系下，低年級(jí)（大一、大二）的學(xué)生基本不具備完整執(zhí)行上述五大環(huán)節(jié)的能力，一般需高年級(jí)學(xué)生或老師出設(shè)計(jì)方案，由低年級(jí)學(xué)生配合進(jìn)行模型制作和驗(yàn)證。其中，“模型制作-實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)要求相對(duì)較低，主要問題出現(xiàn)在“需求分析-初步方案設(shè)計(jì)-結(jié)構(gòu)優(yōu)化”三大環(huán)節(jié)，上述環(huán)節(jié)要求設(shè)計(jì)人員對(duì)材料性能、結(jié)構(gòu)方案合理性有更準(zhǔn)確、專業(yè)的認(rèn)知和判斷。

針對(duì)上述問題，提出了如圖1所示的以結(jié)構(gòu)賽為載體的課程設(shè)置及能力培養(yǎng)方案。注意，圖1所示的不同年級(jí)課程設(shè)置方案與結(jié)構(gòu)賽各環(huán)節(jié)的能力需求順序并非完全一致，主要考慮到課程的難易程度，部分課程開設(shè)必須有先修課程作為基礎(chǔ)，考慮到應(yīng)讓低年級(jí)學(xué)生盡可能參與比賽各個(gè)環(huán)節(jié)，讓其具備檢驗(yàn)自己奇思妙想的能力，充分激發(fā)其學(xué)習(xí)積極性。因此，可將計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)用作為低年級(jí)必修課程，該課程以實(shí)踐為主，理論為輔。一旦掌握數(shù)值分析流程，即可對(duì)自己設(shè)計(jì)的方案合理性和可行性進(jìn)行檢驗(yàn)，讓學(xué)生有更高的參與度和學(xué)習(xí)積極性。該課程實(shí)際效果經(jīng)過幾年實(shí)踐已得到驗(yàn)證。而后續(xù)的結(jié)構(gòu)力學(xué)、有限元理論學(xué)習(xí)可作為夯實(shí)理論基礎(chǔ)的進(jìn)一步提升，讓學(xué)生溫故而知新。由圖1可知，通過完整的結(jié)構(gòu)賽實(shí)踐，可將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心課程進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，有利于學(xué)生形成系統(tǒng)的知識(shí)體系，并在實(shí)踐中對(duì)所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證。

（一）? 初步方案設(shè)計(jì)——材料先行，結(jié)構(gòu)為基

在圖1所述的5個(gè)環(huán)節(jié)中，“需求分析-初步方案設(shè)計(jì)”是緊密相關(guān)的，結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)方案需能滿足賽題（甲方）要求，同時(shí)應(yīng)兼顧結(jié)構(gòu)受力特性、耗材（成本）、制作便利性（施工）。以圖2為例，該賽題為高樓抗震設(shè)計(jì)，該階段可先將整個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單豎立懸臂梁結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行宏觀受力分析，確定結(jié)構(gòu)基本受力特性，從而確定危險(xiǎn)截面及截面形式。該階段要求學(xué)生熟悉材料特性，以及簡(jiǎn)單桿、梁結(jié)構(gòu)在外荷載下的受力特點(diǎn)。因此，學(xué)生需具備材料力學(xué)、材料實(shí)驗(yàn)、結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)等基本課程知識(shí)。

此外，設(shè)計(jì)師應(yīng)對(duì)工程材料特性有準(zhǔn)確認(rèn)知。對(duì)于材料特性，以結(jié)構(gòu)賽為例則首先應(yīng)確定竹材的基本材料性能。竹材是典型的各向異性材料，其抗拉、抗壓性能存在顯著差異，且沿竹纖維方向及其他朝向的力學(xué)性能迥異（圖3）。為了讓學(xué)生對(duì)竹材力學(xué)性能有準(zhǔn)確清晰的認(rèn)知，可結(jié)合傳統(tǒng)材料力學(xué)課程的材料試驗(yàn)開展分析，同時(shí)開展鋼材的力學(xué)性能試驗(yàn)研究，并進(jìn)行對(duì)比分析，讓學(xué)生對(duì)典型工程材料、各向同性材料、各向異性材料的行為有更直觀、準(zhǔn)確的認(rèn)知。

熟悉了材料的基本力學(xué)特性后，對(duì)典型“構(gòu)件-載荷”組合下的結(jié)構(gòu)理論受力特征應(yīng)有清晰的判斷，典型工況包括：拉壓桿件，簡(jiǎn)支梁、懸臂梁等在軸向荷載、橫向均布荷載或集中荷載下沿構(gòu)件截面的應(yīng)力、彎矩、剪力分布特征。否則極可能給出受力極不合理的設(shè)計(jì)方案，該過程要求學(xué)生掌握材料力學(xué)相關(guān)知識(shí)。通過基本受力特性，可設(shè)計(jì)出基本構(gòu)件的截面形式（如等強(qiáng)度變截面梁等），從而兼顧強(qiáng)度和質(zhì)量控制。進(jìn)而將單一構(gòu)件由框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行替代，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)質(zhì)量（或材料成本）控制。

此外，對(duì)典型“構(gòu)件-載荷”組合下的結(jié)構(gòu)破壞模式和極限承載力（圖4）也應(yīng)有清晰的認(rèn)知，尤其是在結(jié)構(gòu)大賽背景下，需充分利用材料的力學(xué)性能，做到“危而不塌”。需要指出的是，實(shí)際工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般應(yīng)遵守相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，保留足夠安全系數(shù)，這與結(jié)構(gòu)大賽設(shè)計(jì)理念有所差異，但其中的設(shè)計(jì)要點(diǎn)并無不同。對(duì)于結(jié)構(gòu)賽而言，典型的“構(gòu)件-載荷”組合包括：桿件-軸壓、桿件-軸拉、桿件-橫向荷載、桿件-力矩、桿件-扭矩等，除了根據(jù)本節(jié)材料測(cè)試強(qiáng)度及經(jīng)典設(shè)計(jì)公式（如歐拉公式）給出理想條件下的構(gòu)件名義極限載荷，還應(yīng)通過試驗(yàn)進(jìn)行極限強(qiáng)度測(cè)定。上述兩個(gè)結(jié)果對(duì)比的意義在于：理論公式往往基于理想狀態(tài)假設(shè)，忽略了材料自身缺陷及構(gòu)件制作工藝引入的偏差（如實(shí)際竹構(gòu)件往往是通過膠水粘接等方式由竹皮制作而成的，而實(shí)際竹皮厚度是不均勻的，粘接得到的桿件也不是理想筆直的。實(shí)際工程采用的鋼構(gòu)件也是如此，這也是工程結(jié)構(gòu)引入安全系數(shù)的原因，即考慮材料、結(jié)構(gòu)參數(shù)不確定性引入的強(qiáng)度折減），其預(yù)測(cè)值往往顯著高于實(shí)際值（圖5[7]），特別是受壓構(gòu)件，因?yàn)閴簵U穩(wěn)定問題對(duì)結(jié)構(gòu)的初始缺陷非常敏感，包括載荷偏心、材料變異性、幾何不均和構(gòu)件不直度等。通過測(cè)試，可確定典型構(gòu)件的強(qiáng)度折減因子ρ，用于指導(dǎo)實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也能進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)安全系數(shù)設(shè)定的認(rèn)知，盡管結(jié)構(gòu)賽追求材料強(qiáng)度的極致，但依然應(yīng)有較小的安全系數(shù)，以確保留有一定的安全裕度。

（二）? 詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)——計(jì)算為主，實(shí)驗(yàn)為證

至此，我們已經(jīng)能對(duì)“需求分析-初步方案設(shè)計(jì)”兩個(gè)環(huán)節(jié)開展相關(guān)工作。需要指出的是，此時(shí)我們僅能給出一個(gè)整體結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)方案，尚無詳細(xì)的構(gòu)件尺寸設(shè)計(jì)。在結(jié)構(gòu)大賽中，可用的竹材形式及尺寸是相對(duì)有限的，兼顧制作的可行性和便利性，則可用的構(gòu)件尺寸也是較少的，這給結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)及校驗(yàn)帶來了一定簡(jiǎn)化。在該過程中，可先根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)一組尺寸，然后采用結(jié)構(gòu)力學(xué)或有限元相關(guān)知識(shí)對(duì)初步方案的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行安全校核。盡管結(jié)構(gòu)賽的模型相對(duì)簡(jiǎn)單，但也都是三維模型，由于本科階段的結(jié)構(gòu)力學(xué)所講述內(nèi)容大多局限于二維平面框架結(jié)構(gòu)，對(duì)于三維結(jié)構(gòu)，其計(jì)算過程和數(shù)學(xué)模型建立也都存在一定難度。鑒于此，該環(huán)節(jié)一般可基于ABAQUS、ANSYS等現(xiàn)有商用軟件采用有限元等數(shù)值分析方法近似求解。然而，作為一種專業(yè)的分析工具，正確、高效使用有限元軟件對(duì)學(xué)生而言也是不小的挑戰(zhàn)。針對(duì)當(dāng)下大型復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需求，廈門大學(xué)土木工程系開設(shè)了土木工程計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)用，課程重點(diǎn)介紹有限元的基本概念、約定、建模分析技巧、參數(shù)化建模分析方法[8-9]等，結(jié)合實(shí)際工程案例分析強(qiáng)化有限元數(shù)值分析的基本要點(diǎn)和流程，并輔以介紹有限元的基本理論[10]，盡量做到讓學(xué)生知其然，知其所以然。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)用的角度而言，有限元數(shù)值分析課程基本替代了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的功能，但在理論研究上結(jié)構(gòu)力學(xué)相關(guān)知識(shí)依然不可或缺。

在有限元數(shù)值分析中，經(jīng)過建立幾何模型，材料定義，全局組裝，載荷施加，數(shù)值離散及求解，即可對(duì)當(dāng)前結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)尺寸下的結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行判斷，從而修正結(jié)構(gòu)尺寸，如壓桿長(zhǎng)度、壁厚及桿件截面尺寸。進(jìn)而將修正后的模型重新計(jì)算校驗(yàn)，以判斷結(jié)構(gòu)的安全性。對(duì)于竹材而言，其抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗拉強(qiáng)度，分析過程中應(yīng)加以區(qū)分。此外，必要的話可考慮材料的各向異性，進(jìn)行更精細(xì)化的數(shù)值分析。一旦數(shù)值模型強(qiáng)度校核通過（圖6），即可進(jìn)行模型制作，進(jìn)而對(duì)模型進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證（圖7），以檢驗(yàn)當(dāng)前設(shè)計(jì)方案的合理性。注意：數(shù)值模型強(qiáng)度校核滿足并不能確保所做模型順利通過試驗(yàn)，這主要受材料變異性、構(gòu)件幾何尺寸不均勻性、構(gòu)件不直度、加載不理想等因素的影響。因此，在數(shù)值分析時(shí)，一般都會(huì)留有安全裕度。一旦試驗(yàn)通過，則可進(jìn)一步減小安全系數(shù)或者采用更小的結(jié)構(gòu)尺寸，反之亦然，應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。結(jié)構(gòu)尺寸的改變一般會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力重分布，因此，原先安全的結(jié)構(gòu)在其他構(gòu)件局部加強(qiáng)后可能成為危險(xiǎn)失效構(gòu)件。這種理論值和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏差對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)、科研探索及工程實(shí)踐是一種很好的啟發(fā)，應(yīng)加以推廣。

（三）? 面向工程應(yīng)用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程體系設(shè)置

依托結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽5大環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)和實(shí)踐，可將土木工程核心課程有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐高度統(tǒng)一，落實(shí)專業(yè)知識(shí)扎實(shí)，創(chuàng)新能力強(qiáng)的卓越型工程人才培養(yǎng)目標(biāo)，是一種值得推廣的教學(xué)方式。此外，設(shè)置專業(yè)概論型課程，讓杰出設(shè)計(jì)大師主講大國(guó)工程，深刻的工程事故教訓(xùn)以及結(jié)構(gòu)賽精彩回顧等內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)認(rèn)同感、自豪感和興趣，使其具備扎根本專業(yè)的情懷。基于上述內(nèi)容，設(shè)置課程體系如圖8所示。

二? 結(jié)束語

本文以專業(yè)素質(zhì)培養(yǎng)為目標(biāo)，依托結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽，提出了面向工程應(yīng)用的土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一體化課程體系設(shè)置及教學(xué)方法，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論。

1）土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程設(shè)置中，應(yīng)著力打造關(guān)聯(lián)課程群，實(shí)現(xiàn)相關(guān)課程的一體化教學(xué)，讓學(xué)生將知識(shí)點(diǎn)融會(huì)貫通。

2）土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)教學(xué)過程中，應(yīng)遵循興趣為驅(qū)動(dòng)，理論為先導(dǎo)，實(shí)踐為抓手，成才為目的的教學(xué)模式。

3）新工科教育應(yīng)以素質(zhì)教育為重點(diǎn)，及時(shí)引入前沿的知識(shí)、工具和新的教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)行知識(shí)更新和方法更新，以引發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，適應(yīng)當(dāng)下解決實(shí)際復(fù)雜工程、科學(xué)研究對(duì)創(chuàng)新能力的需求。

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