基于本體論的鋼筋混凝土結構設計原理課程教學內容的貝葉斯拓展

劉月飛 樊學平

摘要：

鋼筋混凝土結構設計原理課程具有概念多、內容多、符號多和公式多的特點，如何進行有效的學習、教學及拓展成為課程教學改革的重點。引入本體論的哲學概念和本體模型的建模步驟，

將該課程的主要教學內容與本體論融合，建立課程各主要教學內容的精細化本體模型。考慮到貝葉斯思維可以更新和提高人們對客觀世界的認識水平，結合該課程主要教學內容的本體模型和服役鋼筋混凝土構件的相關信息，采用貝葉斯方法實現本體模型的拓展，加深學生對課程內容的掌握和了解，提升學生專業認知能力，提高教學質量，為土木工程專業相關課程提供一種新的可供參考的教學方法。

關鍵詞：鋼筋混凝土結構設計原理；本體論；貝葉斯思維；教學內容；教學方法

中圖分類號：G642.0; TU375? ?文獻標志碼：A? ?文章編號：1005-2909（2023）03-0163-08

一、研究鋼筋混凝土結構設計原理課程教學方法的必要性

土木工程不僅僅是一個專門的學科，還是人類文明、文化、歷史、技術、經濟的載體。混凝土結構是現代土木工程結構最主要的結構形式，已廣泛應用于工業和民用建筑等領域，它的安全可靠性關系著國計民生。

鋼筋混凝土構件力學性能獨特的變化使得從其出現至今已發展成為土木工程結構中最重要的學科。鋼筋混凝土結構設計原理不僅是混凝土結構學科的主干課程，而且是土木工程專業的一門專業必修課，也是該專業學時最多的一門課程。

鋼筋混凝土結構設計原理以理論力學、材料力學、彈塑性力學、結構力學、概率論與數理統計理論，以及土木工程材料等基礎課程理論為基礎，綜合利用所學的力學基本理論、結構設計基本知識和方法，通過建立合理的力學模型并進行詳細準確的計算分析，完成對結構體系和構件的設計，并通過圖紙展現出來，它所包含的理論知識（圖1所示）、學習方法和思維方式是學習鋼筋混凝土結構設計、砌體結構、橋梁工程、基礎工程等后續專業課程的基礎[1-7]，是從基礎課向專業課過渡的重要課程。

鋼筋混凝土結構設計原理的許多理論都是建立在科學實驗和工程經驗基礎之上，采用了許多基本假定，具有半理論、半經驗、答案不唯一、概念多、內容多、符號多、公式多等特點，學習難度相對較大，加之該課程

實踐性較強，與實際工程設計聯系緊密，急需教師研究一種可以提高教學質量的行之有效的教學方法。

二、鋼筋混凝土結構設計原理課程的主要內容及蘊含的哲學思想

由圖1可知，鋼筋混凝土結構設計原理主要內容包括：（1） 鋼筋和混凝土材料的力學性能分析；（2）鋼筋混凝土結構設計與基本假定；（3）鋼筋混凝土梁的受彎分析與設計；（4）鋼筋混凝土梁中的剪切和斜向受拉，以及斜截面抗剪分析與設計；（5）鋼筋混凝土構件的構造分析，如黏結、錨固及延伸長度；（6）素混凝土構件與鋼筋混凝土構件的受扭分析與設計；（7）鋼筋混凝土短柱受壓分析與設計；（8）鋼筋混凝土細長柱受壓分析與設計；（9）鋼筋混凝土柱受拉分析與設計；（10）鋼筋混凝土構件的適用性分析，如裂縫分析和撓度分析；（11）預應力鋼筋混凝土構件的力學性能分析與設計；（12）設計原理在混凝土結構設計中的應用，如樓蓋結構、單層廠房、砌體結構、橋梁結構及組合結構等。

該課程主要涉及材料、構件、結構的分析與設計，內容較多。在教學和學習過程中，要將理論分析與工程實際相結合，從簡單分析向復合分析轉變；將基礎知識與工程創新相結合；將科學的經驗與理論、工程概念及實踐性（如試驗與實施等）相融合，采取靈活的教學方式幫助學生加深對課程內容的理解和應用。

三、拓展鋼筋混凝土結構設計原理課程教學內容的必要性

創新是發展的靈魂，創新驅動發展。鋼筋混凝土結構設計原理課程主要內容的更新經歷了不斷創新的實踐過程。貝葉斯思維方法是基于貝葉斯理論公式分析得到的。貝葉斯公式包含研究變量的先驗分布信息、研究變量的似然函數信息，以及研究變量的后驗分布信息三部分。鋼筋混凝土結構設計原理課程中研究變量一般指梁正截面受彎承載能力、梁斜截面受剪承載能力、梁受扭承載能力，以及柱的受壓和受拉承載能力等。影響這些研究變量的隨機變量很多，如截面尺寸、混凝土強度、鋼筋強度等。這些隨機變量的概率分布均已知，按照混凝土結構設計原理的相關公式，研究變量可由上述隨機變量進行表達，進而利用數值模擬方法可以得到研究變量的先驗分布信息。研究變量的似然函數信息可以通過梁以及柱等構件的服役信息來獲取，進而結合貝葉斯公式即可得到研究變量的后驗分布信息。研究變量的先驗信息是基于經驗設計公式和數值模擬方法得到的，具有較強的主觀性。采用貝葉斯公式將構件的服役信息和先驗信息融合，得到的后驗信息可以降低研究變量的主觀性，使其更符合實際情況。

由上述可知，貝葉斯思維方法可以提高人們對客觀事物認知能力，減少對事物的主觀認識，實現對

客觀事物的逐漸加深。混凝土學科發展過程中滲透著貝葉斯思想，如：鋼筋混凝土結構設計規范從經驗規范到半經驗規范，最后到基于隨機概率論的結構設計規范，這個演變過程，體現了人們更加客觀地認識客觀事物，不斷降低人為的主觀認識水平，這是科技和文化屬性不斷進步的特征。

鋼筋混凝土結構設計原理是土木工程專業的專業基礎課程，具有理論與工程實踐相結合的特征，課程的掌握程度很大程度上影響其他專業課的學習和掌握；因此，努力學習并拓展相關主要內容，可以提高學生的專業素養。

四、本體論的哲學概念和本體模型的建模過程

（一）本體論的基本理論

本體論的定義在哲學領域一直存有爭論。在馬克思主義出現之前，哲學上對于本體論的定義有廣義與狹義的區別，在馬克思主義出現后，本體論開始融入實踐之中。

從廣義上說，本體論是世界的最終本性，這種本性需要通過認識論來認知。因此，在廣義本體論的定義上，一般將本體論與認識論相結合，通過比較它們的區別來定義本體論。本體論是一切事物的最終本性，需要認識論來認識它，因此，本體論與認識論是對偶的存在。

從狹義上說，世界一切又分為世界的起源和世界的本性兩個方面。世界的起源為宇宙論，而世界的本性為本體論。因此，本體論與宇宙論是對偶的存在。

馬克思主義哲學認為，物質為世界的起源，限定了宇宙論的觀點。馬克思主義哲學既不采取認識論與本體論對偶存在，又不采取宇宙論與本體論對偶存在，而是堅持以唯物辯證法解釋所有問題。

綜上可知：本體論是客觀事物的最終本性，這種本性需要通過認識論來認知。因此，一般將本體論與認識論相結合，通過比較來定義本體論。總體而言，本體論是一切事物的最終本性，而最終本性需要認識論來認識它，因此，只有不斷地實踐和認識，才能對客觀現象的本質（或本體）進行合理的認識和掌握。

（二）本體模型的建模過程

1. 本體論的意義

（1） 理解層面：本體論概念已深入具體的基礎學科中，如：信息科學技術、人工智能、工程技術等。 通過探究本體論的構造、本質、作用，進一步深化對本體論的研究，以更好地規范對本體論的運用，使本體論的具體科學應用有更明確的方向和更可靠的學理基礎，從而使之更健康地向前發展。

（2）應用層面：本體論作為一個哲學概念，是研究本質的哲學思維。本體論可以將影響本體的因素融合起來，反映本體的本質特性，從而能構建和人類一樣的智能系統，并應用于土木工程領域。

2. 構件本體模型

基于本體論的基本理論建立客觀事物的本體模型：（1） 結合認識論，詳細列出本體模型所涉及的詞條；（2） 結合認識論，建立各詞條之間的關系；（3） 給出最終本體模型的精細化關系。

五、基于本體模型的鋼筋混凝土結構設計原理課程教學方法研究

鋼筋混凝土結構設計原理課程的教學內容較多，其中承載能力的計算分析教學內容主要包括：鋼筋混凝土梁正截面受彎承載能力分析、鋼筋混凝土梁斜截面抗剪承載能力分析、鋼筋混凝土梁受扭承載能力分析、鋼筋混凝土柱抗壓承載能力分析、鋼筋混凝土柱抗拉承載能力分析等。通過認識論，建立部分教學內容的本體模型，給出可廣泛普及的行之有效的教學方法。

（一）適合于截面復核的鋼筋混凝土梁正截面受彎承載能力本體模型

采取單筋矩形截面梁（圖2所示）建立對應的本體模型。圖2中h為截面高度；h0為截面有效高度；AS為受拉鋼筋面積；b為截面寬度；a為鋼筋形心到截面受拉邊緣的距離；M為設計彎矩；α與β是由混凝土應力-應變本構曲線得到的特定型號混凝土的等效矩形圖形系數；x為簡化的受壓區高度；xn為實際受壓區高度；fc為混凝土強度設計值；fy為鋼筋強度設計值。

結合式（1）～（15），實現抗力的概率動態修正分析。基于動態修正的抗力分布結果，我們通過以下原則來判斷實際的抗力信息：（1） 如果修正之后的抗力標準差小于修正之前的值，則修正之后的抗力客觀性較強，更為符合實際情況；（2） 如果修正之后的抗力標準差大于修正之前的值，則修正之后的抗力主觀性較強，修正結果較為不可靠。因此，要得到更為實際的修正的抗力信息，就必須得到可靠的構件服役信息或詳盡的驗證荷載效應信息，一般通過現場無損檢測或破壞性試驗來獲取似然信息。

七、結語

鋼筋混凝土梁的抗彎承載能力、抗剪承載能力、抗扭承載能力和鋼筋混凝土柱的抗拉承載能力、抗壓承載能力均可以通過建立本體模型得到較好的理解和掌握。前提必須通過試驗和理論分析（即認識論）得到合適的詞條以及詞條之間的關系表達式。因此，抓住本體模型的基本理論和對應的建模過程，可輕松建立每一章與之對應的教學思路。

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Abstract：

The course of reinforced concrete structure design principles has the characteristics of multiple concepts， contents， symbols and formulas. How to effectively study， teach and expand this course has become the key for the teaching reform of reinforced concrete structure design principles. The philosophical concept of ontology and the modeling steps of ontology model are introduced， the main teaching contents of the course are integrated with ontology， and the refined ontology model for the main teaching contents of the course is constructed. Considering that Bayesian thinking can update and improve peoples understanding of the objective world， based on the ontology models of the main teaching content for the course， with the relevant information of the service reinforced concrete components， Bayesian method is used to expand the ontology models， which can deepen students mastery and understanding for the course contents， improve students professional cognitive ability and teachers teaching quality， and provide a new teaching method for related courses of civil engineering.

Key words：

reinforced concrete structure design principles; ontology; Bayesian thinking; teaching contents; teaching method

（責任編輯 梁遠華）