基于工程應用型人才培養的鋼結構設計課程教學改革

趙必大　趙滇生

摘要：

對鋼結構設計課程教學過程中存在的主要問題進行了分析，從教學內容、教學方法、軟件教學、課程設計、畢業設計等方面提出了教學改革建議，并正式開展了系列探索實踐，以提高鋼結構設計課程教學質量和學生的工程應用能力，培養高素質的應用型專業人才。

關鍵詞：鋼結構設計；教學改革；工程能力

中圖分類號：TU391；G6420文獻標志碼：A文章編號：

10052909（2018）02007204

按照承重結構的材料劃分，土木工程結構可分為鋼結構、鋼筋混凝土結構、鋼與混凝土組合結構、砌體結構和木結構等。其中，鋼結構具有施工周期短、綠色環保、可回收利用、抗震性能好等優點，被廣泛應用于廠房、多高層建筑、大跨公共建筑等。大部分院校的鋼結構系列課程主要由鋼結構基本原理和鋼結構設計（含實踐環節的鋼結構課程設計）兩門課程組成。其中，鋼結構設計作為鋼結構基本原理的后續專業課程，目的是使學生掌握鋼結構設計的方法和手段，培養工程實踐能力。在當前本科教育面臨“畢業生質量不高難以滿足用人單位需求”的大背景下，鋼結構方向的人才供需矛盾在土木工程領域尤為突出。

浙江工業大學建筑工程學院土木工程專業的學生在第5學期學習完鋼結構基本原理課程后，于第6學期學習鋼結構設計課程，然后進行為期1周的鋼結構課程設計實踐。根據“厚基礎、寬口徑”的應用型專業人才培養要求[1]，課程共40學時，與國內多數高校的32～48學時較接近[2]。對鋼結構課程教學改革已有不少建議[3-5]，目的是讓學生全面掌握鋼結構設計的基本方法，畢業后能較快勝任鋼結構的設計和施工工作。

浙江工業大學（以下簡稱“浙工大”）“十三五”發展規劃提出，要建設區域特色鮮明的綜合應用研究型大學。為培養高素質的綜合應用型專業人才，適應本科教育可持續化發展和教育領域工程實踐教育發展要求，筆者從多角度對鋼結構設計課程的教學改革進行了探討。

一、鋼結構設計課程教學中存在的問題

（一）課程內容多，與其他課程有重疊

鋼結構設計課程涉及內容多，包括輕型門式剛架、中重型工業廠房、大跨度屋蓋結構、多層及高層房屋結構、平臺鋼結構或輕型住宅鋼結構（新增），各部分內容均包含設計理論與節點連接構造設計，與規范、規程聯系緊密，僅鋼結構部分涉及的規范、規程就有GB50017《鋼結構規范》、GB51022《門式剛架輕型房屋鋼結構規范》、GB50018《冷彎薄壁型鋼規范》、JGJ7《空間網格結構技術規程》、JGJ99《高層民用鋼結構技術規程》等。40學時的課堂教學加上一周的課程設計實踐課時明顯不足，教師只能有選擇地講授部分內容，造成有些問題講得不夠深入、不夠系統，教學效果不甚理想。此外，教師必須具備扎實的力學基礎知識、深厚的鋼結構理論，熟悉土木工程相關專業知識與規范，有一定的工程實踐經驗。

浙工大土木工程專業在第6個學期還開設了結構選項與概念設計、公共建筑結構設計兩門課程，均涉及網架、網殼等大跨鋼結構，尤其是公共建筑結構設計對大跨鋼結構的體系和計算要點進行了較詳細的講解，學生反映在大跨度鋼結構這部分內容有重復。

（二）

課程設計題目單一、內容與工程實踐脫節

鋼結構課程設計是課堂學習之后的具體實踐，為期1周，時間偏少（很多兄弟院校安排10天或2周），題目一般為普通鋼屋架設計，內容包括屋蓋結構布置、桿件和節點設計及施工圖繪制。但由于角鋼加節點板組成的鋼屋架在工程實際中的應用越來越少，且屋架只是廠房整體結構中的一個構體，難以培養學生的整體設計思想，從而導致學生片面認為“學校學的東西在工作中用不到”。

（三）學生缺乏工程常識，設計制圖質量差

雖然課堂教學中引入了大量工程圖片，但由于學生實際接觸的角鋼屋架結構很少，部分學生空間想像力差，加之鋼結構施工圖比混凝土結構要求更加詳細，導致學生對鋼結構設計的繪圖方式不熟悉、更談不上看鋼屋架施工圖[6]；因此，學生在課程設計時往往直接照抄課程設計指導書中的鋼屋架施工圖，其施工圖往往無法正確表達設計意圖，表達欠規范。

（四）課程設計實踐缺乏創新

一方面，課程設計時鋼屋架的外形（梯形或三角形）、跨度等由教師給定，缺乏設計方案對比環境，學生主觀能動性受限。另一方面，部分學生直接照抄課本或指導書上的案例，不查閱相關設計規范和設計資料，更不會利用excel等工具軟件來緩解手算的繁瑣，工程實踐能力難以提高。

上述問題在相當程度上導致學生學習鋼結構設計的興趣不高，畢業設計選擇鋼結構課題的人很少，這顯然與浙工大建設區域特色鮮明的綜合應用研究型大學的目標不相符。

二、鋼結構設計課程的教學改革

（一）教學內容的調整

鑒于公共建筑結構設計和鋼結構設計這兩門課程在大跨無蓋鋼結構內容重疊問題，建議將大跨屋蓋鋼結構中涉及整體分析計算的部分劃給公共建筑結構設計，鋼結構設計著重介紹節點連接設計，或者直接將鋼結構設計和公共建筑結構設計整合為64～80個學時的鋼結構設計。此外，鑒于管桁架結構應用日益廣泛，但大多數工程設計人員對這種連接方式的受力特點并不熟悉，

可考慮在64～80個課時的鋼結構設計課程中增加這部分內容的介紹。

（二）教學方法改革

傳統以書本為主、使用板書或多媒體的課堂教學方式存在被動、填鴨式教育等缺點，難以激發學生學習熱情和興趣。將模型引入鋼結構設計教學，能增加學生感性認識，開闊視野，更直觀地了解各個部件間的關系及工程實際做法，提升學生的工程能力。筆者在講解網架螺栓球節點構造時，直接用實物節點進行組裝和拆卸演示，取得了較好的教學效果。不僅教師在課堂提供模型，還可以在課程設計中增加以小組為單位的模型制作環節，以4～6人為一組，用硬卡紙（或塑料、竹材料）模擬鋼材、膠水（或玻璃膠等）模擬焊接材料，按施工圖制作1∶50左右的縮尺結構模型。在制作模型過程中可發現之前施工圖中出現的錯誤并加以改進，加深學生對施工圖設計要點的理解，提高學生分析和解決工程問題的能力，培養團隊精神。教師還可以從中挑選最好的結構模型（如門式剛架等）用于以后的課堂教學。

此外，課堂教學應注重理論聯系實際，強化工程概念和規范意識。鋼結構基本原理講解的是梁、柱等構件，理論性較強，而鋼結構設計直接面向工程實踐，需要用到各種規范手冊，因此，在課堂教學中應強調實用性培養，其中最關鍵、最根本的就是實踐和工程應用能力。解決實際問題的實踐能力培養上不去，創新能力就是無源之水。利用多媒體手段向學生展示工程圖片、動畫以及錄像資料的同時，配合講解結構受力特點、細部構造和安裝連接工藝，加深學生的感觀認知。強調規范對工程實踐的指導作用并將其貫穿于教學全過程，是加強理論聯系實際教育的有效措施。結合授課內容對最常用的幾個鋼結構設計規范之間的差異進行分析。以門式剛架設計為例，其構件腹板采用有效寬度，這是因為規范CECS102（GB51022的前身）強調腹板屈曲后強度的利用，GB50017有所不同。再如，在變截面柱穩定驗算部分要抓住CECSl02與GB50017、GB50018規范在驗算公式方面的區別和聯系，培養學生正確理解使用規范條文的意識和能力。結合實際工程施工圖講解，也是加強學生工程能力培養的有效措施。

課程涉及輕型門式剛架廠房、大跨空間結構、多高層民用建筑鋼結構等多種結構體系，授課時應將每一類結構體系的特點和難點作為重點，詳細講解，做到重點突出層次分明。如多高層鋼結構的分析和計算與高層建筑結構和混凝土結構設計基本相同，可以簡略，著重突出支撐和梁柱連接節點構造等內容。又如：輕型門式剛架結構，構件腹板有效寬度、變截面構件的穩定驗算公式及計算長度系數、檁條的計算（雙向受彎、且要考慮拉條的側向約束）等作為重點詳細講解。

科研反哺教學是激發學生、拓寬知識面的有效手段。如半剛性連接節點在鋼結構工程中的應用，有別于混凝土的整體現澆。鋼結構是通過焊接、螺栓等方式將部件或構件連接成構件或結構，其連接節點嚴格來講并不是理想的剛接或鉸接，而是屬于典型的半剛性連接[7]。當前國內傳統的鋼結構設計依然是將其簡化為剛接或鉸接，鋼框架或門式剛架梁與柱的連接經常簡化為剛接假定，為此，在梁柱節點域設置一定的附加加勁件才能滿足，這無疑增加了成本，尤其是勞動力成本。如變成半剛性連接節點，則不僅可簡化構造減少附加加勁件降低成本，而且已有研究表明半剛性節點的抗震性能在很多情況下往往效果更佳。此外，中國頒布實施的《端板式半剛性連接鋼結構技術規程》促進了半剛性連接鋼結構在工程實際中的應用。教師可結合有限元分析典型，讓學生深刻理解半剛性及節點域局部變形概念。圖1為筆者上課時向學生講解節點局部變形和半剛性概念的常用例子：兩端梁承受相同彎矩作用的矩形鋼管柱與工字鋼梁直接焊接節點，圖1（a）為根據結構力學概念建立的桿模型（學生比較熟悉），根據這個模型，加載端梁（施加集中彎矩處）的位移由梁的彎曲變形產生，模型無法表明梁柱節點域的局部變形，而根據通用有限元軟件ABAQUS的S4R殼單元建立有限元模型（圖1b）的分析表明，與梁上下翼緣連接的鋼管柱管壁出現明顯的凹凸變形，如圖1c所示，即為節點局部變形，這種局部變形使梁產生剛體轉動，故加載端梁的位移除了梁本身的彎曲變形外，還包括因節點局變形而導致的剛體位移，后者反映了節點半剛性特性。此外，通過制作動畫，還可以讓學生深刻了解節點域的應力分布特點及其隨著荷載增加的變化，圖1d為某一個加載時的節點域的應力分布，其中黑色為接近鋼管材料屈服的高應力區，灰色（梁根部上、下翼緣附近的鋼柱管壁）為屈服區域。

（三）增加軟件教學

設計分析軟件的運用也是工程能力培養的一個重要方面，土木工程設計施工輔助軟件通常包括繪圖軟件AutoCAD、結構設計軟件PKPM與3D3S、結構分析有限元軟件SAP2000、通用有限元軟件 ANSYS與ABAQUS等。就本科階段而言，掌握STS（PKPM的鋼結構模塊）或3D3S專用設計軟件即夠用，但目前浙工大的結構設計程序應用課程（主要為PKPM）不僅安排在第7個學期，與鋼結構設計、高層建筑結構設計等實踐性很強的設計類課程不同步，而且不講授鋼結構設計，也導致選擇鋼結構設計作為畢業設計的學生較少。為此，可考慮在鋼結構課程設計環節增設4～6個學時，主要講授STS（或3D3S）在工程中最常見的門式剛架、鋼桁架和鋼框架中的應用和操作，并在建模過程中講解參數的意義，增強學生對知識點的掌握，使學生將理論知識、工程實踐通過計算模型融為一體，從而達到培養學生計算機輔助設計的能力。

（四）課程設計的改革

鋼結構課程設計是配合專業課實踐教學的重要環節，重點培養學生對所學專業知識的綜合運用和實踐能力。課程設計環節的改革，筆者認為大致可從以下幾個方面入手。一是改變選題過于單一、與社會脫節的現象。現在大多數院校鋼結構課程設計一般多選擇由角鋼組成的鋼屋架，但這類結構在現實中應用較少，可考慮更新為實際工程中應用較多的輕型門式剛架或多高層鋼框架。二是著力培養學生運用規范和計算手冊的能力。就課程設計而言，學生大都參考教材依葫蘆畫瓢，許多內容和方法并不未真正理解，為此不僅需要增加課程設計的課時，更要求教師加強課程設計環節的教學，如引導學生查閱規范和資料、培養學生獨立獲取知識的能力等。三是培養學生應用工具軟件的能力，如：利用結構力學求解器計算屋架（桁架）、利用小軟件計算（驗算）錨栓或節點焊縫，求解門式剛架或鋼框架的內力，避免繁瑣的重復性計算。

（五）重視畢業設計選題與實踐

與大多兄弟院校類似，浙工大建筑工程專業方向的畢業設計選題多為鋼筋混凝土框架結構，鋼結構選題很少。鋼結構設計比混凝土復雜繁瑣，涉及的基礎理論知識較多且較難，加上當前片面強調“寬口徑”和“通識教育”導致大量專業課程被壓縮甚至刪除，使學生對鋼結構題目“敬而遠之”。為此，筆者建議，在畢業設計方面應重視鋼結構課題，一方面可考慮規定畢業設計課題中鋼結構選題的比例，學生在選題前按抽簽方式決定混凝土或鋼結構方向；另外一方面，教師結合實際提供更為豐富的鋼結構類型，如輕型門式剛架、中重型廠房結構、多層或小高層鋼框架、大跨鋼結構（包括屋蓋鋼結構與支撐屋蓋的梁柱墻等下部結構）等，供學生選擇，以強化學生的鋼結構計算及構造、設計軟件

應用等能力。畢業設計是學生走上工作崗位前的一次“大練兵”，對學生工程實踐能力的培養起著重要作用，為此，教師應加強畢業設計，將其分解為結構選型、荷載計算與組合、結構和構件內力計算、構件截面與節點設計等幾個階段，在每個階段進行詳細講解并進行檢查，及時為學生答疑，避免學生匆忙集中趕設計，培養學生通過查閱規范等方式獨立獲取知識，通過編輯excel等工具軟件計算或驗算檁條等構件和節點焊縫的能力。如此，讓畢業后從事鋼結構設計施工的學生獲得一次鋼結構設計方面的綜合鍛煉，從而避免學生走上工作崗位對鋼結構設計一籌莫展的尷尬。

三、結語

鋼結構設計是一門綜合性、理論性、實踐性很強的課程，對培養學生分析和解決工程設計問題能力作用明顯。建議從課程的教學內容、教學方式、課程設計等方面進行一系列改革嘗試，促進由單純傳授知識向學生工程素養培養轉變，激發學生的學習興趣和積極性，更好地培養學生的工程能力，實現卓越工程師的人才培養目標。參考文獻：

[1]王曉菡. 鋼結構課程的教學方法分析與探討[J].高等建筑教育. 2009，18（3）：118-119.

[2]胡忠君，邱建慧，王慶華. 鋼結構設計教學方法改革探討[J]. 教育教學論壇. 2014（24）：51-52.

[3]方慧，田春竹.鋼結構設計課程實踐教學方法探索[J].高等建筑教育，2011，20（1）：135—137.

[4]李昆.基于實踐能力培養的“鋼結構設計”課程教學改革研究[J].中國電力教育，2011，16（2）：122-123.

[5]余衛華，王正中，蔡坤. 鋼結構課程設計教學改革與實踐[J].高等建筑教育，2015，24（1）：69-71.

[6]陳紹蕃，郭成喜. 鋼結構下冊房屋建筑鋼結構設計[M].北京：中國建筑工業出版社，2014.

[7]陳惠發鋼框架穩定設計[M].上海：世界圖書出版社，1999.

Abstract：

The main problems in the teaching process of steel structure design course were analyzed in the paper. The suggestion and exploration of course teaching reform from teaching contents， teaching reform， software teaching， curriculum design and graduation project choosing were put forward in the paper. The course teaching reform aimed at improving teaching quality and students engineering ability， training the highquality and applicationoriented professionals.

Keywords： steel structure design； teaching reform； engineering ability

（編輯梁遠華）