基于概念設計的鋼結構設計原理實踐教學研究

李曉虎 栗蕾 趙雯桐 康莉萍

摘要：概念設計涵蓋了工程設計完整的設計思路和計算方法。本文將概念設計的理念融入到鋼結構設計原理的課程教學中，有利于學生對鋼結構設計的總體把握和學習應用。本文闡述了將概念設計引入鋼結構設計原理課堂的具體內容，并對教學改革的方法進行了探討，為今后在工程實踐中的應用打下堅實的基礎。

關鍵詞：鋼結構設計，概念設計，極限狀態，結構構件

一、前言

隨著計算機技術的提高，結構設計分析軟件也得到快速發展。目前，在結構設計過程中，計算機的輔助功能占據越來越重要的分量。和手算進行比較，結構分析軟件的電算結果更加精確。但是對于結構分析中出現的問題如果進行分析判斷是一個非常重要的難題。

對于整個工程的設計要以概念設計為主導，指導全部的設計過程。只有這樣才能保證整個工程設計的完整性和結構的安全性。概念設計可以正確地處理整體工程和各個構件之間的關系，并且能夠始終貫徹設計工程師的基本結構設計理念[1-2]。而工程師這種設計思維方式從高校的教學中就應該開始培養。目前的鋼結構設計原理教學中，概念設計的理念并沒有得到很好的貫徹實施。在鋼結構設計原理課程結束以后，學生基本上可以掌握軸心受力構件、受彎構件以及偏心受力構件等這些單一構件的計算和設計，但是對于一個完整的工程設計卻沒有相對應的設計思路和計算方法。這就造成了學生在高校的課程中學到的知識不能直接有效地應用于實際工程，與社會發生了脫節。設計大師林同炎先生說過[3]，實際工程在設計工程中是先有結構然后才會出現組成結構的各個構件。而目前鋼結構設計原理課程的教學存在著先進行構件的設計計算，再到整個結構的問題。

在講課的過程中，將概念設計這個理念完全融入到課堂上，可以讓學生對所學內容的理解更清晰明了。筆者所在的土木建筑學院鋼結構課題組將概念設計的理念貫穿到整個課程教學中，讓學生通過更加形象立體的結構及構件受力分析，有效地掌握各種構件的受力特點，為今后在鋼結構的設計工作中熟練運用打下堅實的基礎。

二、將概念設計引入鋼結構設計的教學內容

現有的教材《鋼結構設計原理》中[4]，概念設計只是作為結構體系和布置原則的一些基礎知識內容，對于結構的受力分析等內容涉及比較少。而在實際工程設計中，概念設計需要貫穿整個結構設計過程，處處都體現有概念設計的中心理念。針對鋼結構設計原理的主要內容以及各種構件的特點，在講解構件連接、軸心受力構件、受彎構件以及偏心受力構件時，需要加入比較形象立體的概念設計理念。

（1）鋼結構計算方法的概念與判斷

對于鋼結構的計算而言，其計算方法是所有結構設計的基礎。因此，對鋼結構計算方法概念和判斷的掌握尤其重要。其相關內容一般出現在《鋼結構設計原理》的第一章節，學生對鋼結構的計算方法還是很容易處于混沌狀態。因此在講課過程中應著重給學生講解正常使用極限狀態和承載能力極限狀態的概念和判斷準則，使學生對結構的設計有更清晰的認識和判斷。要引導學生去思考鋼結構設計為什么會從正常使用極限狀態和承載能力極限狀態這兩種狀態入手去對其進行計算，讓學生充分理解這兩種狀態的概念特征和判斷依據以及采用的具體的分析方法。向學生講解的時候可以從計算方法的歷史與基本思想著手，結合結構的功能要求，自然而然的引出兩種極限狀態的概念。結構的極限狀態其實質上就是結構處于可靠狀態和失效狀態的一種臨界狀態。正常使用極限狀態一般涉及的是變形，是從人對建筑的使用角度出發，當建筑在使用過程中出現變形或裂縫等的發展對人產生的感覺達到不舒服的臨界值就是正常使用的極限狀態。主要包括結構或構件的變形、局部損壞、振動等狀態。承載能力極限狀態主要是指結構或構件本身，達到其最大的承載能力。主要包括結構或構件因強度超過而破壞、因失去平衡產生的不穩定以及在反復荷載作用下發生的疲勞破壞等狀態。

所有結構的計算目的都是為了保證結構和構件在施工和工作過程中能夠滿足預期的安全性及使用性的要求。用公式（2-1）可以表達其含義：

荷載效應S≤結構抗力R ? ?（2-1）

其中S表示由荷載作用引起的內力、應力、變形等，這些對結構來說都屬于負荷;R表示結構或構件承受內力和變形的能力，是結構或構件本身的特性。

將此計算理論給學生講清楚，鋼結構后面的計算內容基本上都是以此為基礎展開的計算分析。讓學生把握計算的宗旨，避免在以后的計算設計中出現概念設計的錯誤。

（2）鋼結構設計中彈性和塑性的概念設計

鋼結構的設計有彈性和塑性設計方法。彈性設計方法是指以結構的彈性極限荷載為強度指標，而結構的彈性極限荷載是指使結構某處應力達到彈性極限的荷載值。塑性設計方法是指以結構的塑性極限荷載為強度指標的設計方法。結構的塑性極限荷載是指使結構開始發生塑性流動變形的荷載值。彈性設計方法不允許結構內部出現屈服區域，而塑性設計方法允許結構內部出現塑性區域。塑性設計充分利用了結構及構件的塑性性能，可以節省材料和延長結構的使用壽命，但減小了結構的安全儲備，增大了破壞的風險。

《鋼結構設計規范》GB50017-2017[5]對塑性設計的規定，塑性設計適用于不直接承受動力荷載的固定梁、連續梁以及由實腹構件組成的單層和兩層框架結構。

（3）各種受力構件的概念設計

鋼結構中構件的計算都必須要滿足強度、剛度和穩定性的要求。每種受力構件的計算采用的計算準則有所不同。軸心受力構件的強度計算以截面的平均應力達到鋼材的屈服強度作為計算準則，計算強度公式為：

—對x軸的凈截面模量。

偏心受力構件的整體穩定則通過采用邊緣纖維屈服準則近似的求解壓潰臨界荷載，然后考慮實際受力情況，引入相關系數。壓彎構件的整體穩定計算公式為：

三、教學方法改革

對土木工程專業來說，《鋼結構設計原理》是一門十分重要的專業基礎課程，是學生認識鋼結構的基本工作原理、從事鋼結構相關工作的重要知識來源。但由于該課程難度較高，知識點比較零碎復雜，很多本科生在學習的過程中出現難理解、難記憶的現象。傳統單一的教學模式很難滿足當下教育的需求，也很難達到《鋼結構設計原理》的教學目的和要求。針對此種現象，需要對《鋼結構設計原理》課程的教學方法進行一些必要的改革，以提高課堂效率、提高學生對課程知識的掌握和運用。

（1）充分利用多媒體的優勢

現今，多媒體科技的發展非常迅猛，多媒體在教育領域的應用也已經作為一種常見的方式出現在各個教學過程當中。和傳統的板書相比，多媒體課件可以加入圖片、動畫、聲音等立體效果，教學過程更加生動、直觀。課堂上采用多媒體的教學方法，將鋼結構中涉及的一些基本構件、連接通過圖片和動畫的形式傳遞給學生，還可以加入一些操作實踐視頻讓學生觀看。通過多種方式的交叉學習，加深學生對基本鋼結構的認識，激發學生對鋼結構的興趣和求知欲。

（2）思維導圖的應用

思維導圖是一種表達發散性思維的有效圖形思維工具，簡單但有效的一種實用性思維工具。思維導圖的利用可以讓復雜的問題簡單化，充分利用了人類的發散性思維方式。讓使用者可以在原有知識的基礎上進行延伸思考，全面調動大腦對文字、數字、圖像、顏色、聲音等的反應，很容易地掌握一個知識點所涉及的全部內容。

鋼結構設計原理課程教學中，利用思維導圖的方法可以很好的從概念設計的理念出發，讓學生深入理解各種基本知識。思維導圖可以充分利用多種已有的教學資源，綜合所有資源的優點，全面掌握相關知識點。思維導圖內容非常豐富，可以圖文并茂的涵蓋相關知識點所涉及的圖形、計算公式、構造要求等內容。所有的知識和框架都一目了然，由一個點可以串聯起其他相關的知識點。

結語

《鋼結構設計原理》課程對于剛接觸的本科生來說，理論性強、內容多且復雜。要想充分掌握鋼結構設計的重要知識并能夠應用到實際工程中，需要對知識的脈絡有一個很清晰的認識并需要多結合工程實踐進行分析思考，而最基礎也是最重要的就是對概念設計的掌握。結合本課程的特點，分析了概念設計的重要性以及如何將概念設計引入到課堂中，旨在提高課堂的學習效率，提高學生的實踐能力。為社會培養更多技術過硬的鋼結構設計人才。

參考文獻：

[1]朱慈勉，尹小明. 概念設計的意義和應用分析[J]. 建筑技術，2005，36（ 8） ： 626-628.

[2][2]高立人. 結構工程師與概念設計[J]. 建筑結構，1993（ 4） ：46-50.

[3]林同炎，S.D 思多臺斯伯利. 結構概念和體系[M]. 北京：中國建筑工業出版社，1999.

[4]胡習兵，張再華.鋼結構設計原理[D]. 北京，北京工業大學出版社，2012.8.

[5] GB50017 - 2017鋼結構設計規范[ S].

本文系河南省重點研發與推廣專項（科技攻關）項目《裝配式鋼-廢棄纖維再生混凝土組合剪力墻抗震性能研究》階段性研究成果，項目編號：212102310957