新工科背景下《混凝土結構設計》實驗設計與教學實踐研究

張文華

摘要：在新工科建設和我國建筑工業化進程不斷推進的大背景下，《混凝土結構設計》課程試驗急需重大變革。文章從提出增加與裝配式建筑設計理論、計算、施工、安裝相關的內容出發，建立裝配式結構虛擬仿真試驗平臺，并提出增設裝配式構件組裝與節點連接的課程試驗內容的三點改革措施。

關鍵詞：新工科;混凝土結構設計;課程設計;教學實踐

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）52-0279-02

一、前言

隨著時代的進步與科技的迅猛發展，人類已經由大工業時代進入了大數據和人工智能的時代，以計算機為核心的全新智能革命時代已來臨。為了適應新工科時代的到來，2017年2月，教育部在復旦大學召開了高等工程教育發展戰略研討會，同年4月在天津大學召開新工科建設研究會，同年6月在北京召開新工科研究與實踐專家組成立暨第一次工作會議，全面啟動新工科建設。三次會議的召開，預示著新工科時代理念正式進入到現代高校的教育體系中，將對我國高等學校的教育起到積極的促進作用[1，2]。

新工科專業，主要指針對新興產業的專業，以互聯網和工業智能為核心，包括大數據、云計算、人工智能、區塊鏈、虛擬現實、智能科學與技術等相關工科專業。與新工科專業相對應的，土木工程、電氣工程、機械工程、化學工程等傳統的工科專業就是傳統工科專業[3]。

另一方面，2013年1月1日，國務院辦公廳轉發了發展改革委和住房城鄉建設部的《綠色建筑行動方案》，明確提出將“推廣建筑工業化，發展綠色建筑”列為十大重要任務[4]。裝配式建筑是一種在構件預制工廠生產構件，然后運輸到施工現場進行拼裝的施工方法。

土木工程專業是一個傳統的專業，現在的理論和建造技術已經比較成熟。在新工科建設和我國建筑工業化進程不斷推進的大背景下，我國土木工程行業面臨著前所未有的挑戰，與此同時，人工智能、大數據、3D打印等新興科技和國家宏觀戰略的刺激，也為土木工程行業帶來了革新的最強勁動力。土木工程專業相關課程，同樣需要進行深入的變革[2]。

二、《混凝土結構設計》課程試驗的現狀

《混凝土結構設計》是土木工程專業最為核心的課程，也是課程設計和畢業設計等實踐環節的重要基礎?！痘炷两Y構設計》課程中的理論源于工程實際，真實混凝土結構中梁、板、柱等構件受力機理復雜、性能分析較為困難，難以直接利用理論力學、材料力學和結構力學中的公式直接推導，都是基于大量試驗數據，結合實際工程經驗，提出符合構件受力和變形規律的基本假定，從而推導出混凝土結構構件的承載力計算方法和理論[5]。

隨著計算機、大數據、人工智能、3D打印等新工科技術的迅猛發展，傳統的《混凝土結構設計》課程試驗已不能滿足知識、能力、素質并重的新型工程設計人才的培養要求。此外，已有的《混凝土結構設計》課程試驗主要包括單筋矩形截面梁正截面破壞、斜截面破壞和偏心受壓柱破壞三個試驗，并未體現與建筑工業化和裝配式建筑相關的部分。因此，《混凝土結構設計》課程試驗教學改革迫在眉睫。

三、《混凝土結構設計》課程實驗設計與教學改革措施

（一）強化《混凝土結構設計》中裝配式建筑部分內容

由高等教育出版社出版、沈蒲生主編的《混凝土結構設計》（第4版）中，對于裝配式建筑的內容，主要體現在第一章梁板結構中的“1.5裝配式梁板結構”。該部分介紹了預制板、梁形式及特點，預制梁、板結構布置，裝配式梁板結構連接構造以及裝配式梁、板計算特點，共四部分內容。該部分主要對裝配式梁板結構的概念進行了介紹，所涉及的內容較為簡單，沒有系統地講解關于裝配式的理論的計算。然而，目前版本的《混凝土結構設計》其他章節中，找不到關于裝配式結構的內容，并且經過近十幾年的發展，裝配式建筑無論是從設計與計算理論，還是相應的施工方法，都有了非常大的進步。

由郭學明編著、機械工業出版社出版的《裝配式混凝土結構建筑的設計、制作與施工》，是近年來一本關于裝配式建筑較好的書籍，該書從混凝土裝配式建筑的發展現狀、技術特點入手，結合國際的先進技術和國內的發展狀況，共分五篇26章，全面系統地介紹了裝配式混凝土結構的材料特點、設計原則、制作要點及施工工藝流程，為廣大讀者認識裝配式建筑提供了很好的文獻資料。

（二）增設裝配式結構虛擬仿真試驗平臺

目前對于裝配式建筑的教學更多的是在課堂中運用多媒體信息手段進行理論教學，非常缺乏實踐性環節，學生難以形成直觀的認知。裝配式建筑教學試驗室建設方面還處于起步階段，設置儀器不夠完善，雖然可能有建筑實體模型，但構件模型是靜態的，難以重現構件安裝裝配的整個流程，更不能使學生明白在裝配的過程中構件的吊裝以及關鍵節點的處理難題。因此，如何將實際工程的裝配技術流程向試驗教學方面轉化，是目前裝配式建筑教學中一個急需解決的重要問題。

隨著VR技術和電腦科技的發展，建立裝配式結構虛擬仿真試驗平臺，是新工科背景下土木工程專業培養人才的有效方式。虛擬仿真試驗平臺包含混凝土構件預制階段、運輸階段、吊裝階段、后續施工階段等裝配式項目流程，通過真實細致的三維構件模型以及逼真的施工大環境渲染效果，讓學生猶如置身于真實的施工現場進行構件生產和現場裝配的模擬、動態演示、交互式操作實訓。不同類型工程案例的VR漫游都能使得學生在沉浸式建筑施工環境中針對不同裝配式建筑形成過程產生感性的認識，成為土木工程專業學生掌握和理解裝配式建筑專業的有效工具，同時也是學生融會貫通專業知識點和技能點的有效手段。

（三）增設裝配式構件組裝與節點連接課程試驗

裝配式建筑構件與構件之間相互連接的節點是裝配式建筑的薄弱環節，也是結構在各種荷載作用下應力集中的區域，非常容易發生破壞，預制構件的連接技術是裝配式建筑的關鍵、核心的技術。近年來，土木領域的科研工作者對裝配式結構的節點連接展開了較為深入的研究，更新了眾多傳統的技術，無論連接方式還是節點的連接材料，都有了非常巨大的進步。然而，在目前版本的《混凝土結構設計》中，無論是基礎知識理論還是具體的施工方法，都沒有相關的知識內容。

目前國內裝配式建筑采用較多的結構形式是裝配式混凝土框架結構，根據預制裝配式混凝土結構連接節點的施工方法，梁柱連接方式主要有濕連接和干連接兩種。濕連接是指構件在預制過程中在特定位置預留孔洞、套筒和連接筋，在現場安裝的過程中往套筒內灌入高強灌漿料連接的方式。濕連接整體性好，抗震性能優于干連接，但是節點核心區連接復雜，施工難度大，難以保證連接質量，且不符合節能環保的要求。目前現階段濕連接的運用更為廣泛，《裝配式混凝土結構技術規程》推薦的鋼筋套筒灌漿連接和鋼筋漿錨搭接兩大濕連接方式。

四、結論

1.目前的《混凝土結構設計》課程試驗已不能滿足新工科和我國建筑業迅猛發展的需求，對土木工程專業學生的知識、能力、素質并重的新型工程設計人才提出了更高的要求，《混凝土結構設計》課程試驗改革迫在眉睫。

2.現有的《混凝土結構設計》課程及課程試驗中裝配式建筑部分內容缺乏或者內容較弱，應增加與裝配式建筑設計理論、計算、施工、安裝相關的內容。

3.建立裝配式結構虛擬仿真試驗平臺，使其成為土木工程專業學生掌握和理解裝配式建筑專業的有效工具，這一手段是新工科背景下土木工程專業培養人才的有效新方式。

4.為了便于土木工程專業學生快速地適應我們建筑行業快速發展的需求，增設裝配式構件組裝與節點連接的課程試驗內容勢在必行。

參考文獻：

[1]百度詞條.新工科[Z].2019.

[2]孫峻.“新工科”土木工程人才創新能力培養[J].高等建筑教育.2018，27（02）：5-9.

[3]百度詞條.傳統工科專業[Z].2019.

[4]中華人民共和國國務院.國務院辦公廳以國辦發〔2013〕1號轉發國家發展改革委、住房城鄉建設部制訂的《綠色建筑行動方案》[Z].2013.

[5]徐明，李紅兵，肖士者，等.基于虛擬儀器的工程結構設計原理實驗教學演示系統設計[J].高等建筑教育，2015，24（06）：141-145.