關(guān)鍵詞：智能建造；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；課程體系；案例分析；教學(xué)改革中圖分類號(hào)：G642;TU-4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2909（2025）04-0159-08

智能建造[1]專業(yè)是面向國(guó)家戰(zhàn)略需求和建筑業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型，以土木工程專業(yè)為基礎(chǔ)，融合計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、機(jī)械自動(dòng)化、工程管理等專業(yè)發(fā)展而成的新工科專業(yè)，代表了國(guó)家“互聯(lián)網(wǎng) + 建筑業(yè)”的前沿發(fā)展2。截至2022年全國(guó)已有69所高校開(kāi)設(shè)智能建造專業(yè)，但課程體系設(shè)置及教學(xué)框架依然是傳統(tǒng)土木學(xué)科模式。2017年2月，教育部[3明確提出了新工科的建設(shè)要求，強(qiáng)調(diào)學(xué)科的新興拓展、新型升級(jí)與新生交叉，尤其注重智能化、數(shù)字化、物網(wǎng)化等新技術(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)的緊密結(jié)合。

在新工科及智能建造專業(yè)發(fā)展雙重驅(qū)動(dòng)下，高等工程教育必須改革高校專業(yè)人才培養(yǎng)模式，將最新的行業(yè)發(fā)展成果及工程實(shí)踐應(yīng)用于工程教育教學(xué)，與現(xiàn)有教學(xué)體系進(jìn)行融合創(chuàng)新，注重內(nèi)涵建設(shè)與質(zhì)量提升，培養(yǎng)具有信息化素養(yǎng)、創(chuàng)新實(shí)踐精神、綜合管理能力的現(xiàn)代新型工科人才。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理是土木工程專業(yè)的主干課程，教學(xué)內(nèi)容涵蓋鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)五種現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原理。課程不僅要促使學(xué)生明確現(xiàn)代結(jié)構(gòu)的技術(shù)發(fā)展，掌握專業(yè)結(jié)構(gòu)計(jì)算知識(shí)的基本目標(biāo)，還要積極融合智能建造的發(fā)展趨勢(shì)，培養(yǎng)學(xué)生基于最新數(shù)字設(shè)計(jì)、增材建造技術(shù)信息，獨(dú)立開(kāi)展空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析的能力，提高學(xué)生對(duì)工程科學(xué)發(fā)展的適應(yīng)能力，為其專業(yè)發(fā)展和建造實(shí)踐打下良好基礎(chǔ)。課程改革充滿了必要性和迫切性。

一、工程結(jié)構(gòu)建造發(fā)展過(guò)程及其趨勢(shì)分析

（一）現(xiàn)代建筑工業(yè)建造技術(shù)發(fā)展過(guò)程

隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步和計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，材料制造發(fā)展經(jīng)歷了等材制造、減材制造、增材制造三個(gè)階段。其中增材制造[4]（Additive Manufacturing，AM）技術(shù)是伴隨著第三次工業(yè)革命浪潮發(fā)展起來(lái)的新型材料制造技術(shù)，采用逐漸累加的方法制造實(shí)體，相對(duì)于傳統(tǒng)的材料去除-切削加工技術(shù)，是一種“自下而上、積少成多\"的制造方法，被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命最具標(biāo)志性的生產(chǎn)工具”。作為數(shù)字化智能建造技術(shù)，3D打印憑借其機(jī)械化程度高、節(jié)約材料、提高生產(chǎn)效率等優(yōu)勢(shì)，迅速成為一種全新制造方式，在航空航天、生物醫(yī)療、軌道交通、智能建造等戰(zhàn)略領(lǐng)域均展示出巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景，也推動(dòng)土木工程基礎(chǔ)設(shè)施智能建造成為國(guó)家重要戰(zhàn)略方向。積極規(guī)劃和探索智慧基礎(chǔ)設(shè)施、智能建造等，推動(dòng)綠色化建造的發(fā)展，不僅可以解決目前土木工程行業(yè)面臨的勞動(dòng)力不足、機(jī)械程度低、模板支護(hù)費(fèi)工費(fèi)時(shí)等一系列困境和難題，還可以為現(xiàn)代工業(yè)化建造和建設(shè)工程藝術(shù)化建造提供有力的支撐。3D打印技術(shù)主要經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段5，基本上每十年實(shí)現(xiàn)一個(gè)質(zhì)的飛躍。

第一個(gè)階段是20世紀(jì)80年代后期至20世紀(jì)90年代初期，第一臺(tái)商用3D打印機(jī)問(wèn)世，打印技術(shù)處于初級(jí)階段，只能使用塑料類材料，打印速度、精度和質(zhì)量水平有限，僅適用于制造小型構(gòu)件。因此，當(dāng)時(shí)3D打印技術(shù)多出現(xiàn)在藝術(shù)、工業(yè)設(shè)計(jì)、服裝、建筑等領(lǐng)域，被用于制作設(shè)計(jì)原型或概念模型。和傳統(tǒng)工藝相比，3D打印的原型制作速度快，設(shè)計(jì)變更成本較低，設(shè)計(jì)師可以更輕松地測(cè)試不同的產(chǎn)品版本，根據(jù)客戶反饋及時(shí)修改方案，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。

第二個(gè)階段是20世紀(jì)90年代后半期，塑料不再是3D打印的唯一原材料，新型打印機(jī)的出現(xiàn)使金屬合金和耐高溫聚合物成為可選材料，大大豐富了3D打印原型制作的種類。更關(guān)鍵的是，3D打印可以制作金屬模具，用于取代傳統(tǒng)制造技術(shù)中所需的造價(jià)高昂、工藝復(fù)雜、耗時(shí)冗長(zhǎng)的定制模具。3D打印技術(shù)不僅可以在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)完成之前數(shù)周的模具制造量，而且制作過(guò)程中的廢料量較之傳統(tǒng)工藝下降了 40% ，其中 95%～98% 的廢料都可以回收利用。由此節(jié)約了大量的時(shí)間成本和材料成本。

21世紀(jì)開(kāi)始，3D打印技術(shù)邁入了第三個(gè)階段。隨著材料和設(shè)備的不斷改進(jìn)，3D打印的成本逐漸降低，其速度、質(zhì)量、精度和材料特性顯著提升，達(dá)到了可以直接制作成品的水平。3D打印不再是制造技術(shù)中的一個(gè)配角，而是有能力參與整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化的生產(chǎn)過(guò)程。資料表明[6]：2008—2021年3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模年平均增長(zhǎng)率高達(dá) 21.1% ，其中2021年3D打印市場(chǎng)規(guī)模高達(dá)152.44億美元?，F(xiàn)今的3D打印技術(shù)不再局限于實(shí)驗(yàn)室和工廠，在人們?nèi)粘Ｉ钪械钠占岸仍絹?lái)越高，商店、教室等場(chǎng)所都可以看到3D打印機(jī)的身影。未來(lái)這項(xiàng)技術(shù)必將完成從商用到民用的轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)3D打印的家庭制造模式。隨著增材建造技術(shù)用于建筑工程等工業(yè)化領(lǐng)域，人類工業(yè)制造經(jīng)歷了5個(gè)階段：機(jī)械化、電氣化、自動(dòng)化、智能化、智慧化[7，即從工業(yè)1.0到工業(yè)5.0。

（二）智能建造技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)

隨著混凝土增材建造技術(shù)和設(shè)備的不斷發(fā)展，現(xiàn)階段已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)中小型民用建筑結(jié)構(gòu)的智能建造。雖然D-shape工藝具有更豐富的空間造型能力，但需要循環(huán)處理砂石廢料，容易造成材料和工時(shí)的浪費(fèi)。輪廓工藝免模施工，工序簡(jiǎn)便，便于形成數(shù)字設(shè)計(jì)智能建造一體化管理系統(tǒng)，日益成為混凝土增材建造結(jié)構(gòu)主流技術(shù)。中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)T/CECS786-2020《混凝土3D打印技術(shù)規(guī)程》于2021年5月正式施行。增材智能建造混凝土結(jié)構(gòu)建造技術(shù)集數(shù)字建模、新型建筑材料設(shè)計(jì)加工、智能機(jī)器人和機(jī)-電一體化裝備集成管理于一體，是一種按既定設(shè)計(jì)和建設(shè)目標(biāo)構(gòu)建預(yù)期建（構(gòu)）筑物的自動(dòng)化建造技術(shù)。

現(xiàn)有增材混凝土建造硬件系統(tǒng)包括控制主機(jī)、打印設(shè)備、攪拌設(shè)備、泵送設(shè)備和動(dòng)力驅(qū)動(dòng)設(shè)備。通過(guò)控制主機(jī)發(fā)送操作命令給攪拌設(shè)備，進(jìn)行混凝土備料并泵送至打印設(shè)備，再通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換將命令發(fā)送給所屬的控制電機(jī)。打印硬件控制系統(tǒng)通過(guò)參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)打印頭三維方向位置調(diào)節(jié)、打印行走速度控制、打印設(shè)備移動(dòng)控制。通過(guò)預(yù)設(shè)路徑和具體參數(shù)，可以打印不同尺寸、大小和高度的構(gòu)件。現(xiàn)有增材混凝土建造軟件系統(tǒng)包括數(shù)字模型輸入、切片設(shè)計(jì)、打印定位、路徑輸人、參數(shù)設(shè)定、路徑優(yōu)化、圖形顯示、后臺(tái)監(jiān)測(cè)等功能。用戶可以使用系統(tǒng)包含的繪圖軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并導(dǎo)入打印軟件完成打印。該系統(tǒng)也支持導(dǎo)人通用商業(yè)3D建模軟件的數(shù)字模型。打印軟件系統(tǒng)支持?jǐn)帱c(diǎn)打印，可以在打印過(guò)程中隨時(shí)暫停，便于解決打印過(guò)程中的突發(fā)狀況（如材料準(zhǔn)備不足），滿足現(xiàn)場(chǎng)施工管理和布筋建造需求。同時(shí)，打印系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)定的打印流程進(jìn)行打印頭運(yùn)動(dòng)軌跡動(dòng)畫模擬，輔助開(kāi)展打印工藝優(yōu)化和智能建造管理?，F(xiàn)有增材混凝土建造的軟、硬件系統(tǒng)，如圖1所示。

智能建造以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)[7-8]，通過(guò)軟件與數(shù)控系統(tǒng)，將專用材料按照擠壓、燒結(jié)、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積，完成產(chǎn)品的制造。智能建造深度融合了信息技術(shù)和建造技術(shù)，是現(xiàn)代工程領(lǐng)域的新興發(fā)展方向，如圖2所示。智能建造也是工程建造的高級(jí)階段，其基于大數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字設(shè)計(jì)、增材智能建造和結(jié)構(gòu)智能管理維護(hù)，推動(dòng)了建筑結(jié)構(gòu)智能建造維管模式的根本性變革。

二、從平面到空間轉(zhuǎn)換探索結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理教學(xué)改革

（一）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程的特點(diǎn)及難點(diǎn)

為了適應(yīng)國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需求，培養(yǎng)具有扎實(shí)的自然科學(xué)、人文科學(xué)知識(shí)基礎(chǔ)，具備工程建設(shè)與規(guī)劃、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建造管理與控制等方面知識(shí)[10-1]及相關(guān)研究、開(kāi)發(fā)能力的高級(jí)工程技術(shù)人才[12]，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理的授課內(nèi)容包括材料性能、設(shè)計(jì)方法、各類構(gòu)件的力學(xué)分析及設(shè)計(jì)方法。進(jìn)入課程學(xué)習(xí)的本科生，已經(jīng)掌握了彈性力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本知識(shí)和相關(guān)專業(yè)技能，受到了工程制圖、工程測(cè)量、結(jié)構(gòu)計(jì)算、規(guī)劃與綜合分析等方面的基本訓(xùn)練，如圖3所示。

1.內(nèi)容繁雜

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程包含多種型式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理，主要講解材料性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原則。該課程的鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性理論部分，內(nèi)容繁雜難懂，學(xué)生難以理解整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定的區(qū)別及含義。此外，如果教師未能抓住教學(xué)主線，掌握合適的教學(xué)方法，就易造成學(xué)生難以深入理解不同類型結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面的應(yīng)力、應(yīng)變概念，從而在分析不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)存在困難。

2.公式晦澀

在學(xué)習(xí)鋼筋混凝土部分時(shí)，需要考慮材料的彈塑性，其受彎、受剪、受扭及受壓承載力公式基于較多假設(shè)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這對(duì)于學(xué)生而言較為復(fù)雜且抽象。同時(shí)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)最終需要結(jié)合彎、剪、扭空間組合受力開(kāi)展計(jì)算，僅僅在簡(jiǎn)化和假設(shè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行公式講解，不利于理解和掌握結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空間力學(xué)原理。

3.實(shí)踐性較強(qiáng)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程最大的特點(diǎn)是課程理論需與工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐相結(jié)合。通過(guò)課程設(shè)計(jì)，將課程理論學(xué)習(xí)與結(jié)構(gòu)空間建模及演示軟件操作相融合，能夠最大程度地加深學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)理論的理解，提升其學(xué)習(xí)獲得感。

因此，現(xiàn)階段亟待面向新工科建設(shè)深入開(kāi)展土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程的教學(xué)改革，加強(qiáng)教學(xué)過(guò)程中的創(chuàng)新與實(shí)踐，提升現(xiàn)代教學(xué)的數(shù)字化、智能化水平，幫助學(xué)生理解多種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之間的共性和關(guān)鍵技術(shù)原理，掌握空間結(jié)構(gòu)基本受力分析流程，靈活運(yùn)用設(shè)計(jì)計(jì)算公式，最終實(shí)現(xiàn)學(xué)以致用，成長(zhǎng)為應(yīng)用型工程設(shè)計(jì)人才。

（二）現(xiàn)有傳統(tǒng)平面教學(xué)模式的總結(jié)與反思

空間彈性體的力學(xué)分析是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)內(nèi)容，如圖4所示。三維微元體力學(xué)解析共有15個(gè)變量，需滿足3個(gè)平衡方程、6個(gè)本構(gòu)關(guān)系、6個(gè)幾何方程，以及6個(gè)不完全獨(dú)立的應(yīng)變協(xié)調(diào)方程，可以通過(guò)“平衡 + 本構(gòu) + 幾何或者平衡 + 本構(gòu) + 協(xié)調(diào)\"構(gòu)成彈性問(wèn)題的基本方程組，轉(zhuǎn)換成微分方程在某些邊界條件下進(jìn)行求解。

在人工進(jìn)行力學(xué)計(jì)算和分析的時(shí)代，通過(guò)設(shè)定平面應(yīng)力與平面應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行空間簡(jiǎn)化，成為工程力學(xué)等課程的學(xué)習(xí)難點(diǎn)。在計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真分析算法成為空間結(jié)構(gòu)分析的主流技術(shù)之后，空間結(jié)構(gòu)的精確分析從人工手算進(jìn)入計(jì)算機(jī)電算的時(shí)代，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)始針對(duì)大跨度、高聳、空間結(jié)構(gòu)開(kāi)展精準(zhǔn)有效的空間數(shù)值模擬分析計(jì)算。然而，根植于經(jīng)典力學(xué)理論和方法的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理教學(xué)，還是以平面應(yīng)力和平面應(yīng)變的簡(jiǎn)化分析理論作為教學(xué)設(shè)計(jì)的基本依據(jù)，難以適應(yīng)智能建造的發(fā)展趨勢(shì)。

現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，基于材料科學(xué)和工程結(jié)構(gòu)開(kāi)展教學(xué)，其課程設(shè)計(jì)、計(jì)算分析和圖紙構(gòu)造，均建立在2D思維框架中，與實(shí)際的3D結(jié)構(gòu)建造產(chǎn)品存在較大的維度差異，如圖5所示。平面的原理設(shè)計(jì)和分析模式，難以滿足數(shù)字時(shí)代的空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求，也無(wú)法與計(jì)算機(jī)信息技術(shù)相融合，發(fā)展成為新型智能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系。如何在智能建造的時(shí)代發(fā)展背景下，從現(xiàn)有的2D結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理教學(xué)中，基于對(duì)空間力學(xué)問(wèn)題和現(xiàn)代材料性能解析，開(kāi)展智能空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理教學(xué)，是當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)工程學(xué)科面臨的巨大挑戰(zhàn)。

（三）智能建造和數(shù)字技術(shù)發(fā)展下的教學(xué)改革設(shè)計(jì)

當(dāng)前，計(jì)算輔助設(shè)計(jì)和有限元數(shù)值模擬已經(jīng)成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理的教學(xué)基礎(chǔ)。利用計(jì)算機(jī)空間輔助分析將課程設(shè)計(jì)與教學(xué)工作相結(jié)合，有助于形成整體性良好的課程理論體系。將數(shù)值模擬與空間模型的動(dòng)畫演示相結(jié)合，有利于學(xué)生理解晦澀理論和復(fù)雜公式。此外，將設(shè)計(jì)基本理論與課程設(shè)計(jì)實(shí)際結(jié)構(gòu)的整體驗(yàn)算相結(jié)合，是集中深入的理論與實(shí)踐融合教育。

在智能建造背景下開(kāi)展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理的教學(xué)改革時(shí)，首先，在例題講授過(guò)程中需要突出空間問(wèn)題在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的必要性和顯著性，結(jié)合工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)和基本原理計(jì)算，利用新型三維數(shù)字模型軟件開(kāi)展仿真動(dòng)態(tài)演示和空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)專業(yè)的學(xué)生，某些橋梁的空間穩(wěn)定問(wèn)題和組合受力問(wèn)題均具有顯著的空間結(jié)構(gòu)分析特征，可作為日常例題、思考題。

其次，課程設(shè)計(jì)的題目和選擇需要考慮工程智能建造技術(shù)和空間受力特征，既要確保有助于學(xué)生掌握課程體系中的關(guān)鍵技術(shù)，又要保障課程設(shè)計(jì)與工程實(shí)際的相似性，具有一定的應(yīng)用借鑒價(jià)值。例如，對(duì)于結(jié)構(gòu)工程專業(yè)的學(xué)生，可設(shè)置空間鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析和高聳結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)問(wèn)題。教師結(jié)合課程設(shè)計(jì)和智能建造技術(shù)的進(jìn)行講解，并依托實(shí)際工程案例，幫助學(xué)生深人理解空間設(shè)計(jì)要點(diǎn)，切實(shí)掌握智能建造結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。

最后，在智能建造背景下，任何一種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理都會(huì)隨著建造技術(shù)的革新而進(jìn)行設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)。在課程教學(xué)過(guò)程中，需要結(jié)合智能建造技術(shù)最新發(fā)展，對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)教學(xué)進(jìn)行升級(jí)和更新。例如，傳統(tǒng)砌體結(jié)構(gòu)采用人工砌筑的方式建造，然而隨著智能建造機(jī)器人的發(fā)明和應(yīng)用，現(xiàn)代砌體結(jié)構(gòu)在砌筑質(zhì)量、結(jié)構(gòu)驗(yàn)算和失效模式分析方面均得到了較大改善，需要結(jié)合新型砌體材料、建造工藝進(jìn)行詳細(xì)的對(duì)比分析和原理教學(xué)，以提升結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理教學(xué)的工程適用性。

三、案例分析

面向新工科建設(shè)與智能建造雙重驅(qū)動(dòng)下的工程專業(yè)人才的市場(chǎng)需求，明晰結(jié)構(gòu)工程專業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式的構(gòu)成要素，依托浙江大學(xué)新工科教育基金項(xiàng)目，主要從重塑專業(yè)空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念、重構(gòu)專業(yè)課程體系、強(qiáng)化創(chuàng)新教育、增強(qiáng)理論聯(lián)系實(shí)際等方面進(jìn)行教學(xué)改革。通過(guò)提煉建筑材料、建筑力學(xué)、建筑結(jié)構(gòu)中共有的知識(shí)點(diǎn)，整合多種教學(xué)資源，按照\(chéng)"總體規(guī)劃 $$ 結(jié)構(gòu)模塊 $$ 知識(shí)要點(diǎn) $$ 拼裝組合\"的思路，開(kāi)展從2D到3D的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理教學(xué)改革。

（一）典型教學(xué)案例與教學(xué)效果

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理教學(xué)中，抓住結(jié)構(gòu)空間穩(wěn)定性驗(yàn)算這個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)，結(jié)合江蘇無(wú)錫312國(guó)道獨(dú)柱箱梁橋傾覆的工程案例，利用數(shù)值仿真開(kāi)展重載車輛空間布置，進(jìn)行動(dòng)態(tài)傾覆模擬分析，如圖6所示，并針對(duì)該特定橋型結(jié)構(gòu)空間尺寸信息和重載車輛交通統(tǒng)計(jì)資料開(kāi)展多工況空間布置的結(jié)構(gòu)受力驗(yàn)算、穩(wěn)定性驗(yàn)算。結(jié)合教學(xué)和微課視頻，分析空間布載位置的變化與安全性關(guān)聯(lián)機(jī)制，給出該類空間結(jié)構(gòu)的失效預(yù)警設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)。學(xué)生在課程學(xué)習(xí)的過(guò)程中結(jié)合工程實(shí)況開(kāi)展結(jié)構(gòu)計(jì)算，形成了空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)維管理理念，取得了良好的教學(xué)效果。通過(guò)課程案例的空間解析和數(shù)字演示，激發(fā)了學(xué)生的深人學(xué)習(xí)興趣。結(jié)合該課程案例，學(xué)生小組獨(dú)立完成了橋梁結(jié)構(gòu)抗傾覆分析設(shè)計(jì)，分析了各種空間超載重車車隊(duì)在不同車道布置下對(duì)橋梁支座拓空和傾覆風(fēng)險(xiǎn)的影響，并利用計(jì)算機(jī)建模方法建立了數(shù)字模型，分析了空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，分析流程如圖7所示。該方法可結(jié)合工程實(shí)踐分析橋梁失效風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)交通基礎(chǔ)設(shè)施的安全預(yù)警，立項(xiàng)省級(jí)大學(xué)生SRTP項(xiàng)目1項(xiàng)，表明教學(xué)改革有助于學(xué)生深刻掌握結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，靈活利用設(shè)計(jì)理論開(kāi)展智能工程管理。

（二）課程設(shè)計(jì)題自與智能建造教學(xué)案例

在課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，以浙江大學(xué)紫金港校區(qū)東、西教學(xué)區(qū)湖上交通人行景觀橋作為設(shè)計(jì)題目，針對(duì)小型拱橋空間體型優(yōu)化展開(kāi)設(shè)計(jì)流程的講解，分析現(xiàn)有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建造方法與數(shù)字設(shè)計(jì)、增材建造技術(shù)的對(duì)比，鼓勵(lì)學(xué)生利用有限元數(shù)值仿真對(duì)比各設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)體型的受力與變形，提出空間最優(yōu)異型拱橋設(shè)計(jì)方案。學(xué)生基于結(jié)構(gòu)基本原理建立的空間體型設(shè)計(jì)及安全驗(yàn)算流程如圖8所示。

在優(yōu)秀課程作業(yè)“騰飛橋\"中，學(xué)生以生長(zhǎng)中的藤樹和類神經(jīng)元樹突的外觀造型為靈感，設(shè)計(jì)了一座總長(zhǎng)96.8米的異型剛架橋。該橋采用計(jì)算機(jī)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)生成橋梁雛形和完成結(jié)構(gòu)外形的優(yōu)化，省去了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中多種橋梁方案的比選和手算工作。藤樹根蔓纏繞，向上生長(zhǎng)，寓意“團(tuán)結(jié)協(xié)作，積極發(fā)展”；枝干的結(jié)合處類神經(jīng)元樹突造型，寓意“智慧與生命力”，傳達(dá)“生命即創(chuàng)新”（crea-ture is creative）的理念。在結(jié)構(gòu)建造中采用增材智能建造3D打印和現(xiàn)澆裝配相結(jié)合的施工技術(shù)，可以無(wú)模成型，增材自制，實(shí)現(xiàn)賦力與形，最大化利用材料，符合低碳環(huán)保的要求。學(xué)生結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程畢業(yè)設(shè)計(jì)展開(kāi)了空間異型橋梁結(jié)構(gòu)的靜力和動(dòng)力分析，并積極修改課程設(shè)計(jì)作業(yè)，參加智能建造相關(guān)設(shè)計(jì)比賽“藤飛橋\"在全國(guó)混凝土3D打印設(shè)計(jì)大賽上，經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、實(shí)體打印、報(bào)告演示和答辯講解環(huán)節(jié)，得到領(lǐng)域?qū)＜业囊恢抡J(rèn)可，獲得二等獎(jiǎng)。該教學(xué)案例表明，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理教學(xué)過(guò)程中，將現(xiàn)有的智能建造技術(shù)與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理相融合，有助于學(xué)生清晰地掌握空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，形成創(chuàng)新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，具有良好的可行性和卓越的教學(xué)效果。

四、結(jié)語(yǔ)

建造業(yè)從粗放式人工建造向數(shù)字化智能建造轉(zhuǎn)型已經(jīng)成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，結(jié)構(gòu)工程專業(yè)是偏應(yīng)用型的專業(yè)，實(shí)踐性也較強(qiáng)，必須根據(jù)時(shí)代要求進(jìn)行教學(xué)改革。然而傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式均建立在平面力學(xué)分析方法與設(shè)計(jì)模式之上，難以適應(yīng)智能建造3D化、數(shù)字化、工業(yè)化的發(fā)展形勢(shì)。因此，本文從教學(xué)理念、課堂形式、組織方法、教學(xué)內(nèi)容等方面對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程進(jìn)行全方位的改革，構(gòu)建全新的課堂教學(xué)體系，極大程度地提高結(jié)構(gòu)工程專業(yè)學(xué)生的空間分析能力。經(jīng)過(guò)積極探索，工程空間穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)演示和混凝土拱橋的拓?fù)鋬?yōu)化課程設(shè)計(jì)取得了良好的教學(xué)效果，表明傳統(tǒng)建筑專業(yè)課程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理的教學(xué)可以與最新智能建造的技術(shù)融合，形成新工科專業(yè)教育教學(xué)模式。

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Teaching innovation and practice of structural design principle under the background of intelligent construction： taking Zhejiang University as an example

SUNXiaoyan，WANGHailong，YANGYingnan （College of Civil Engineering and Architecture， Zhejiang University，Hangzhou 31Oo58，P.R. China）

Abstract： With the gradual integration of traditional construction and modern information technology，the constructionindustry isgradually transforming towards intelligent construction featuringvisualization， industrialization，and informatization.Ithas becomeanimportant development directionof collegesand universities to carry out professional construction and teaching reform. The traditional structural design principle course hassome problems，such asplanarization of space structure，single teaching method， insufcient digitization， informatization，and inteligence in the structural analysis process，and inadequate utilization of information and software resources.This paper systematically analyzes the development process of intelligentconstruction technology.Taking Zhejiang Universityas an example，basedon the technical standards of the construction of new engineering specialty，a new teaching scheme of structural design principle course is put forward from the perspective of curriculum system， teaching method，teaching platform and case analysis. A new educational path of inteligent construction specialty is explored，providing reference for the construction of intelligent construction specialty in other universities.

Key words： inteligent construction; structural design; curriculum system; case analysis; reform in education

（責(zé)任編輯 代小進(jìn)）