校園景觀式結構實驗教學基地的建設模式研究

王 強, 郭 凱, 劉 琳, 賈連光

(沈陽建筑大學 土木工程學院,遼寧 沈陽 110168)

土木工程是一門強調實踐與理論相結合的科學。實驗教學是土木工程專業教育的一個重要環節,對培養土木工程專業人才、體現專業化教育具有重要意義,同時也是專業學習的重點內容,對培養學生興趣、鞏固專業知識、提高實踐能力具有不可替代的作用[1-3]。完善的實驗教學基地建設可以使專業實驗教學更充分,啟蒙學生專業認同感并把所學知識運用到工程實踐中[4-6],增加學生對土木建設行業的感性認知,為專業學習打下良好基礎,啟示未來專業發展方向。

1 實驗教學基地發展現狀及存在問題

隨著我國經濟實力的提高,基礎設施建設進步顯著,土木工程專業得到了巨大發展,越來越多的高校開設了土木工程及其相關專業。2017年12月,教育部學位與研究生教育發展中心公布的全國第四輪學科評估結果顯示,土木工程專業參評高校共計已達314所之多[7]。各高校對實驗教學都是極為重視的,大多數高校都有自己的實驗教學中心。對于場地有特殊要求的實踐環節,如工程地質實習、工程認識實習等則多采用建設校外實習基地的方式來進行。對于土木工程結構實驗教學而言,這種教學模式存在一些問題。

(1) 投入資源過大。建設大于1萬m2、可容納1 000名學生進行實習的實驗教學基地,投資需在幾千萬元[8-9]。緊張的實驗實習經費,相較于這種巨額投入以及后續大量的維護費用而言,無異于杯水車薪。所以大多數學校選擇教學基地共享的方式,以秦皇島柳江盆地地質實習基地為例,就有71個單位共用,中國地質大學北戴河基地、周口店基地及吉林大學興城基地等都為多個高校共用[10-12]。這種共享方式雖然解決了費用問題,但也在很大程度上使基地建設多元化,對專業化的實習未必有好處。

(2) 教學基地遠離學生生活,教學效果差。對于土木工程結構實驗教學而言,大多數實習基地均為未完成的建設工程項目,施工現場與學生日常生活學習的環境差距較大,在實習過程中學生很難融入現場環境,無法達到良好教學效果。并且實習時間通常較短,學生很難在這種短期集中的培訓中掌握土木工程結構的重點與難點。

(3) 安全隱患大。施工現場工程情況復雜,對于沒有經過系統、全面安全培訓的學生而言,存在著很大的安全隱患。實習過程中動輒幾百名甚至上千名學生的出行、交通、食宿等方面的安全需求,都是對校園外教學基地的嚴峻考驗。

2 校園景觀式結構實驗教學基地建設

為了實現經濟、便捷、安全的結構實驗教學基地建設,我校提出了校園景觀式結構實驗教學基地建設方案。通過標示校園內特征結構、引入新型建筑結構類型、展示前沿新式結構等方法,將土木工程的結構與校園景觀相結合,把校園建設成為結構實驗教學基地,體現“建筑育人”“景觀即專業”的教學特點,為實驗教學基地建設提供了新思路。

2.1 標識校園內部特征結構

在校園建設伊始,學校有意識地采用了典型結構與多元化方案相結合的建設理念。建筑風格上,我校校園采用的縱橫交錯的網格式建筑布局極具想象力,多種結構形式的綜合運用也是一大亮點。

(1) 教學樓整體采用了框架結構,建筑首層多處采用了敞開式庭院景觀設計,無墻體的建筑方式使框架結構得以立體的、全方位的展示(見圖1、圖2)。

圖1 教學樓一層框架結構

圖2 結構實驗室框架結構

(2) 我校擁有756 m的長廊,貫穿于教學區、科技園區、辦公區和學生生活區。整體分為3層,具有學習性、共享性、交通性、展示性等特點。長廊第3層柱距為8.1 m,長廊第1層為配合中央水系景觀,柱距增大為24 m,將第2層設計為結構轉換層,轉換層采用斜桿桁架式結構,造型優美流暢,同時在結構中完成了上下層結構荷載的傳遞(見圖3、圖4)。

圖3 長廊建筑形式

圖4 第2層為長廊結構轉換層

(3) 長廊第2層(見圖5)、商業街以及雷鋒庭院(見圖6)的上部頂棚結構采用鋼網架結構,是典型的空間桿系結構,具有優美的建筑造型。網架結構在建筑平面上,可以適應多種形狀,如圓形、三角形、扇形等; 建筑外觀方面,也可以形成多種曲面,如球面、橢圓面等; 結構上,網架受力合理,可以實現較大的跨度,是具有廣闊發展前景的空間結構。

圖5 長廊2層鋼網架

圖6 雷鋒庭院鋼網架

(4) 體育場主席臺(見圖7)及長廊第3層部分區域(見圖8)采用了張拉膜結構。鋼架及鋼索通過預先張拉的方式產生預應力,形成空間覆蓋結構。建筑造型優美、覆蓋空間跨度大; 由于自重輕,受力體系簡潔合理,可形成開闊的無柱大跨度結構; 結構自重輕,還使柔性變形能力強,抗震性能好; 由于鋼結構、鋼索均在工廠加工制作,現場施工簡便,工期短。

圖7 體育場主席臺張拉膜結構

圖8 長廊第3層張拉膜結構

2.2 引入外部特色建筑,豐富結構類型,增加文化底蘊

砌體結構是建筑史上歷史最為悠久的結構形式之一,我國磚體砌筑有2 000多年的歷史。沈陽八王寺原名大法寺,創建于1415年(明永樂十三年),造型宏偉壯觀,極具中國傳統建筑特色。2008年,八王寺由大東區邊墻路112號整體遷入我校,成為全國建筑類高校校園里唯一具有600年歷史的古建筑教學科研示范基地,并更名為“八王書院”(見圖9)。遷建過程中不僅保留了歷史遺留的建筑部件,還對缺失部分依據歷史資料進行了修補完善,成為校園內一道優美的風景線。

日俄戰爭殘垣(見圖10)也是傳統的砌體結構,是在1904年日俄戰爭中保留下來的珍貴文物,于2009年遷入我校,除采用必要的加固措施外,基本保留了原本的歷史風貌,墻體上的彈孔均清晰可見。

盛京施醫院(見圖11)于1883年由英國傳教士司徒閣所建。舊址位于今沈陽市大東區小河沿路44號。是沈陽最早的西醫院,后來增設奉天醫科專科學校,為中國培養了大批醫學人才,1948年更名為遼寧醫學院,并入中國醫科大學。這座飽經中國東北歷史變遷的西式閣樓建筑也于2009年遷入我校。

這些歷史悠久、飽含深刻文化底蘊的建筑結構,不僅使學生學習到了建筑的結構形式與結構特點,也感受到了歷史的磅礴厚重,文化傳承的星火不息。

圖9 八王書院

圖10 日俄戰爭殘垣

圖11 盛京施醫院

2.3 結合科研實驗建立結構景觀

(1) 地鐵工程教學實訓基地(圖略)展示了沈陽市地鐵1、2號線盾構隧道結構,包括支護管片及連接結構、整體道床、軌枕與軌道等,采用外部預應力的方式創造性地將整個管片豎立在非土層包裹的地平面以上,使觀摩、教學更為直觀。

(2) 道路工程教學實訓基地(圖略)展示了道路實體構造,包括路基、路面各結構層構成、圓管涵洞及蓋板涵洞、路基邊坡及防護、路肩、路緣石、行車道等。還可以進行路面使用性能檢測,如路面平整度、滲水系數、摩擦系數等。

(3) 地質雷達市政道路檢測教學實訓基地(圖略)展示了地質雷達在市政道路檢測中的應用,通過制作瀝青路面和混凝土路面在工程中的常見病害,如脫空、離析、蜂窩、面層厚度不足等,來向學生展示其在地質雷達中的典型圖像和特征數字信號。

(4) 結構構件綜合教學實訓基地(圖略)展示了框架填充墻出平面地震振臺試驗、蜂窩形孔洞鋼結構梁體試驗、新型建筑節能體系成套技術研究、振動臺試驗研究等前沿科研試驗的試驗構件、試驗方法,讓學生了解建筑行業的發展現狀及未來的發展方向。

(5) 樁基礎教學實訓基地(圖略)采用人工挖孔灌注樁,設計了標準樁、斷樁、縮頸、離析及樁長不足等5種類型樁,并展示了樁基礎檢測時常用的低應變法、豎向抗壓靜載試驗、聲波透射法等檢測手段。

(6) 中德節能示范中心(圖略)是我校和德國達姆施塔特工業大學、德國達姆施塔特應用技術大學共同合作設計的節能示范項目。中心以“被動式技術優先、主動式技術輔助”為設計原則,展示了被動式低能耗建筑設計理念與綠色建筑集成技術的系統結合,實現了嚴寒地區超低能耗綠色建筑的設計目標。示范中心的預認證目標為:我國綠色建筑評價三星級、德國BNB評價金級、美國LEED-NC鉑金級。

3 結語

通過標示校園內部原有的特征結構、以多種渠道豐富校內建筑結構類型、結合科研實驗展示前沿新式結構等方式,形成體現行業院校特色的校園景觀,把校園建設成為景觀式結構實驗教學基地。建設方案體現了教學基地建設所必須的安全、便利、經濟的總體目標,既可用作本校學生的認識實習、專業實習,也可用作外部人員的專業技術培訓,使教學實訓基地建設在有限的資源條件下盡可能做到最好。融入校園景點建設的實訓基地,對學生的專業教育起到潛移默化、潤物無聲的教學效果,為教學基地的建設提供了新思路,開拓了新視野。