《地下建筑結構》理論部分教學中的關鍵點探討

摘 要:作為高等院校土木工程類專業的重要專業課程，目前的《地下建筑結構》課程如何達到新世紀專業人才的培養目標和適應社會發展對地下建筑類人才的需求，已成為教師十分關心的課題。本文針對該課程理論部分的特點并結合教學實踐，提出在課堂教學中應當注意的幾個方面。

關鍵詞:土木工程 地下結構 教學重點

中圖分類號:TU452文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)04(a)-0178-01

1 課程特點和理論教學側重點

地下建筑是在地層(土層或巖層)中修建的，結構和巖土的相互作用是地下建筑物區別于地上建筑物的一個顯著特點[1]。強調這一特點，對學生掌握地下工程設計基本概念、計算方法和設計程序是十分有益的。

一般而言，在學習該課程時，學生已經具備建筑結構設計等基礎知識，因此地下工程設計程序和內容對學生而言不難掌握。但是，地層應力對于大多數地下工程而言，是至關重要的荷載。一方面地層應力往往成為地下結構設計計算控制性指標;另一方面底層應力的計算具有復雜和不確定性。這是尤其值得我們向學生強調的一點。

地層應力計算復雜主要由巖土材料基本特性所確定。眾所周知，人們對建筑工程中常用金屬材料的物理力學性質了解的比較清楚，而對地質材料而言，目前人們還無法對整體巖土材料分布信息準確掌握，只能選取代表性的樣品進行實驗分析，因而巖土材料的基本物理力學性質也只能以代表性巖樣的結果作為參考。這是值得我們強調的第二點。

巖土是由多相組成的孔隙介質材料。孔隙水壓力在地下建筑設計中非常重要不可忽視。因此要求學生復習回憶在土力學中所學的土的有效應力原理，以水土分算和水土合算為例，強調計算土壓力時使用的是土浮容重還是土的飽和容重。強調經典土壓力理論的基本假設和適用條件;要求學生理解掌握圍巖壓力的基本概念，特別強調控制巖體穩定性的關鍵因素之一即巖體結構面的類型和特征。

初始地應力的確定不是一件容易的事情。在重要的地下建筑物設計時，一般要對相應場址的地質資料進行調查分析并對地應力場進行測定。地下開挖所導致的荷載釋放，目前可用有限元法進行計算。適當介紹有限元在地下開挖工程中的應用成果，對于激發學生深入巖土工程研究領域的興趣是十分有益的，這可借用很短的動畫演示來提高教學效果，但要控制在半分鐘內，以避免偏離教學主題內容。

在地下建筑結構中，彈性地基梁和普通梁的主要區別可用兩張圖清楚的告訴學生。無限超靜定特點和支座的變形特點要在彈性地基梁圖中清晰標明。通過對圖的觀察并借助在結構力學中學到的知識，學生會用非常簡潔的語言把彈性地基梁的基本特征描述出來。另外要向學生強調，巖土是彈塑性材料，彈性地基梁模型沒有考慮巖土的塑形不可逆變形性態這一重要特征，這是該模型的根本缺陷。

地下建筑結構的設計目前還不能完全依賴于計算。原因很簡單，人們既不能完全理解認識巖土介質的物理力學性質，亦不能全面掌握地下巖層分布信息。所以理論計算結果常常與實際情況有較大的出入，很難用作確切的設計依據。目前在進行地下建筑結構設計時仍需依據經驗和實踐。但是，隨著計算機技術和計算方法的飛速發展，以連續介質力學理論為基礎建立的地層與地下結構相互作用模型正逐步取得成果。

傳統地下建筑設計采用的是確定性設計方法。事實上其中的荷載、計算模型、巖土參數、環境條件等均是不確定性的。即這些地下建筑結構中不確定因素主要體現在其周圍地層介質特性、結構力學計算模型假設、施工因素以及環境因素等。地下建筑結構的這些不確定因素以及特點，確定了概率論、數理統計等特別適用于分析這些不確定因素對地下結構計算的影響，以及判斷這些不確定因素對地下建筑結構設計和施工的安全可靠程度。地下結構可靠度分析的核心，是計算結構失效概率。需要傳達的一個基本理念是，可靠性結構設計的目標是要保障結構失效概率足夠小，從而提高地下結構的安全可靠性。

我們認為，理論和計算模型學習中有一個非常重要的觀點要介紹給學生:在使用理論和計算模型時，一定先要把其基本假設了解清楚。只有很好的理解了理論和計算模型的基本假設及其適用范圍，學生將來才能在設計、施工和科學研究中靈活運用和改進發展模型，和現場實測結果進行對比，考察理論計算模型的可靠性和適用性，并可能進一步提出對理論模型中基本假設的修正，提高它的可靠程度和擴大模型適用范圍等。同時強調，計算理論等知識，必須通過課下作業練習才能很好掌握。

2 教學認識

針對該課程理論部分特點，筆者經過多年的教學實踐，有以下幾點認識。21世紀要求高校培養的大學生應具有兩個顯著特點即競爭意識和創新能力。我們認為，競爭意識培養固然重要，但對于專業人才創新能力的培養其實更為迫切。靠什么進行創新呢？當然是堅實的基礎理論，沒有基本理論作支持在空中樓閣進行的所謂創新只能是巷間笑餅。所以要想讓學生將來在地下建筑結構工程方面有可能做出創新性的工作，必須引導他們在學習該課程時，首先把相關的基本概念、基本理論和計算方法等學精學透。這樣在進一步學習土層、巖層地下建筑結構等方方面面的地下結構形式的內容時會顯得輕車熟路，從而也使學生具備了從事科研和設計、施工等工作的基本技能。

地下建筑結構設計基本理論的教學中，明確地下建筑結構和地層之間具有相互作用的基本特點。把基本理論和計算模型中所做的基本假設的重要性傳達給學生，使學生在運用基本理論進行計算分析時，做到心中有數，并能正確判斷所用模型計算結果的合理性及適用性。實踐表明，對于理論性較強的課程，在堂教學中不宜播放過多的動畫信息，動畫可以調動學生關注點，但對有關方程公式內涵的理解卻常常起到干擾削弱作用。在教學過程中，不能只限于書本上的內容，可以適當補充一些本領域的新方法和新理論(不宜太多，過多的新知識會降低消化基礎知識的能力)。使學生了解地下結構工程技術的最新進展，開拓視野，培養學生學習興趣。

3 結語

地下建筑結構設計理論部分的教學側重點，應當強調基本概念和基本假設。以便學生將來進入工作崗位后，能夠正確應用所學的扎實理論知識進行地下建筑結構的設計和施工工作，并有可能結合地下建筑工程實際情況進行創新性探索。

我們并不反對在理論性較強的課程教學過程中適當使用多媒體等現代教學工具。但是如果忽視嚴謹翔實的數理公式推演過程，僅僅依賴于圖文動畫課件來授課，那被傳授的多半不過是一個知識的空殼框架，并將導致學生數理演繹基本功和能力的極度退化或喪失。

向學生們傳授地下建筑結構理論知識和基本原理的過程中，需遵循人腦的認知規律。讓學生們理解復雜物理原理所基于的數學公式并作詳細推演和討論時，傳統的教學工具:黑板、紙和筆仍不失其在知識傳播過程中的簡潔性和有效性，而且事實上用這種方法已經培育了無數科技大師和英才。

參考文獻

[1]朱合華，張子新，廖少明，等．地下建筑結構[M].北京:中國建筑工業出版社，2005.

[2]楊庚宇.更新教育觀念，深化教學改革[J].煤炭高等教育，1998(2):13～14.