高層建筑結構設計課程教學方法的改革與實踐

孟麗巖等

摘要： 高層建筑結構設計是一門土木工程專業主要的專業課程，對培養學生工程設計及實踐能力具有著重要作用。針對高層建筑結構設計課程的特點進行了教學改革，提出了“結合——分析——聯系”的教學方法，在教學實踐中收到了很好的教學效果。

關鍵詞：高層建筑結構設計；力學分析；教學方法

高層建筑結構設計是土木工程專業學生必修的專業課程，一般的本科高校將課程安排在第七學期，在學習本門課程之前，學生們幾乎學習了所有該專業的專業基礎課和專業課，所以學好這門課，既是對前三年學習成果的總結，也是為即將到來的畢業設計和工作打下良好的基礎。為了提高本門課程的課堂教學效果，作者及課程組成員經過幾年的教學實踐和教學反饋，總結出了高層建筑結構設計“結合——分析——聯系”的六字教學方法，實踐證明該教學方法對激發學生學習興趣、改善課程教學效果起到了很好的推動作用。

1 教學方法簡介

1.1結合

“結合”即與專業規范相結合。高層建筑結構設計課程的主要教學內容是高層建筑結構的特點和結構體系、高層建筑的平面布置和豎向布置、高層建筑上作用的荷載與作用、框架結構、剪力墻結構、框架——剪力墻結構和筒體結構設計等，共涉及到《高層建筑混凝土結構技術規程》《建筑抗震設計規范》《建筑結構荷載規范》《混凝土結構設計規范》等一系列規范規程。事實上我們在教學過程采用的各種版本的高層建筑結構設計教材，從內容上都是對上述規范條款的分析和講解。因此在教學中除了注重講解教學大綱規定的內容之外，一定要注意與當前使用的規范相結合，尤其是在一些實驗研究背景資料方面，規范規程在其條文說明中闡述得比較系統清楚。在考核方式上，采用國家注冊結構工程的考試模式，開卷考試，考試過程中可以攜帶相關教材和規范，重點考核學生運用所學理論知識解決實際工程問題的能力，這樣學生對知識點的理解更深刻、掌握更扎實，能夠達到“卓越工程師”的人才培養目標。

1.2分析

“分析”即準確的力學分析。高層建筑結構設計是土木工程專業的一門傳統的專業課程，該課程的特點是知識點多、實踐性和綜合性強，幾乎囊括了本科4年學過的所有的主要專業課和專業基礎課，包括鋼筋混凝土結構、結構抗震設計、荷載與結構設計方法和材料力學、結構力學、土力學等。

我們在對高層建筑結構設計中各個知識點進行講解時，盡量找到一個既合理又簡單的力學模型，運用學生熟悉又信服的力學知識進行分析，讓學生扎實掌握且不容易忘記。因此，在講解的過程中，教師要把握好尺度，既要溫故更要知新，而且要鞏固提高，達到教學目的。為了能更好地溫故，就要及時提醒學生做好充分的預習工作。

1.3聯系

高層建筑結構設計類課程在教學過程中一定要緊密聯系工程實例，這里的工程實例包括一些典型的高層建筑結構實例，也包括新聞媒體中報道的與高層建筑有關的事件，還有在每年的生產實習環節，我們有針對性地安排學生到高層建筑結構的施工現場，增加學生對高層建筑結構的感性認識，積累第一手工程資料。增添課堂教學的新鮮感，調動學生的學習興趣和求知的積極性。

2 教學實例分析

2.1結合規范

我國的《高層建筑混凝土結構技術規程》對高層建筑有明確的規定：層數在10層及10層以上或房屋高度大于28m的住宅建筑和房屋高度大于24m的其他高層民用建筑，同時《高規》對不同結構體系的高層建筑結構的高度進行了限制，如表1所示。

2.2力學分析

為了讓學生能夠更好地了解高層建筑結構的含義，理解房屋高度與結構受力之間的關系，進而掌握高層建筑結構的設計特點，在課程講解時采用基本概念講解加受力分析，以最簡單的矩形塔樓為例，分析其在豎向荷載和水平荷載下的受力特點，如圖1。

矩形塔樓n層，房屋高度H，各層層高均相同為h1，塔樓同時承受豎向荷載和水平荷載，水平荷載簡化為均布荷載qH，各樓層的豎向荷載基本相同，簡化為作用在樓板單位面積上的q1。

（1）豎向荷載q1

由于各標準層的層高和樓層荷載基本相同，故結構底部軸力最大值：

式中：q1-包括墻體自重在內的樓層折算均布荷載

A-計算單元的樓層面積

n-樓層數，當各層層高相同時，n=h/h1，h1為建筑物總高，為每層層高

從上式可以看出，在豎向荷載作用下結構的軸力與計算截面以上的樓層數成正比，也可以說是與結構的總高度成正比。

（2）結構的水平剪力V

在均布水平荷載qH作用下，結構的水平剪力V與計算截面以上高度成正比，底部最大剪力：

（3）結構的總彎矩M

結構截面彎矩與計算截面以上高度的平方成正比，底部最大彎矩為

（4）房屋的頂部位移△

由結構力學知識，若假定各層結構截面不變，則承受均布荷載的懸臂柱的頂端位移如公式（4）所示，可以看出結構頂端的最大位移與房屋高度的四次方成正比關系。

綜合以上豎向荷載下的軸力，水平荷載下的剪力、彎矩和位移與房屋高度之間的關系，能夠看出隨著房屋高度的增加，與豎向荷載相比，水平荷載產生的內力變化更為顯著，成為主要的控制荷載，位移隨房屋高度的變化最明顯，因此側移控制問題成為高層建筑設計的主要矛盾。

如在公式（4）中位移取限值[△]，則公式為_________________，房屋高度與結構自身的剛度成正比，剛度越大，房屋高度越高，這也就不難理解不同結構體系的高層建筑為什么最大適用高度不同，主要原因就是結構的剛度不同。

從本例中學生至少可以得到兩種信息，高層建筑與普通多層建筑在結構設計時的區別，還有就是高層建筑結構為什么要限制房屋的高度，簡單的案例加上適當的力學分析可以幫助學生在高層建筑結構入門時答疑解惑，收到很好的教學效果。

2.3聯系工程實踐

在聯系工程實際方面，一是通過PPT的形式讓學生了解目前世界上高層建筑達到的高度，如美國的希爾斯大廈、帝國大廈，中國的金茂大廈、環球金融中心，阿聯酋的迪拜塔等，并分析其結構體系的特點；二是參觀校園內的建筑，10層的教學主樓、30層的高層住宅，進一步明確房屋高度與其采用的結構體系之間的關系。

3 教學效果

在“高層建筑結構設計”的教學活動中，采用“結合——分析——聯系”的教學方法，使學生對高層建筑結構設計的各個知識點有了更深刻的理解，從而激發了學生學習的興趣。土木工程專業的畢業設計可以直接檢驗高層建筑結構課程的教學效果，大多數學生能夠在畢業設計初期進行合理的結構選型和結構布置，在結構內力計算和結構分析中可以運用合理的計算方法和設計方法進行準確的計算，畢業設計的質量也得到很大的提高。

編輯∕岳 鳳