智能建造背景下混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程改革探索

doi：10.11835/j.issn.1005-2909.2024.02.010

歡迎按以下格式引用：李慶濤，袁廣林，張營(yíng)營(yíng).智能建造背景下混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程改革探索［J］.高等建筑教育，2024，33（2）：73-78.

摘要：智能建造是以傳統(tǒng)土木工程專業(yè)為基礎(chǔ)，面向國(guó)家建設(shè)需求的新工科發(fā)展方向。混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程作為傳統(tǒng)土木工程專業(yè)的核心課程之一，仍是智能建造專業(yè)的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。為了滿足人才培養(yǎng)的新要求，結(jié)合目前國(guó)內(nèi)高校智能建造專業(yè)的核心課程分析，探討了現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程知識(shí)的改革措施，構(gòu)建了適應(yīng)智能建造背景下程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程的知識(shí)體系，明確了混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在智能建造專業(yè)中的作用，相關(guān)成果可為智能建造專業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞：智能建造；課程知識(shí)；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；改革探索

中圖分類號(hào)：G642.0 """""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A """""文章編號(hào)：1005-2909（2024）02-0073-06

隨著我國(guó)信息化和智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，智能建造企業(yè)在土木行業(yè)不斷涌現(xiàn)。2020年，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等十三部門聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于推動(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見》^［1］，明確提出了要加大智能建造在工程建設(shè)各環(huán)節(jié)的應(yīng)用。但我國(guó)智能建造專業(yè)發(fā)展還處于探索發(fā)展階段，智能建造專業(yè)的人才缺乏。丁烈云院士指出：“當(dāng)前懂土木建筑工程的，信息技術(shù)、智能化方面的知識(shí)掌握不夠；懂信息技術(shù)的又缺乏土木工程專業(yè)知識(shí)。”^［2］使得人才培養(yǎng)難以適應(yīng)未來建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的智能化發(fā)展方向^［3］。

當(dāng)下，智能建造已成為高校較為熱門的專業(yè)方向，但目前人才培養(yǎng)的相關(guān)課程體系仍待改革^［4-6］，急需智能建造專業(yè)的相關(guān)教師進(jìn)行探索和實(shí)踐^［7-10］。傳統(tǒng)專業(yè)所采用的授課學(xué)時(shí)、授課內(nèi)容和授課方法均應(yīng)按照智能建造專業(yè)的人才培養(yǎng)方案做出相應(yīng)調(diào)整。

一、國(guó)內(nèi)智能建造專業(yè)開設(shè)現(xiàn)狀

為了滿足未來土木行業(yè)發(fā)展的人才需求，2017年同濟(jì)大學(xué)率先開設(shè)智能建造專業(yè)。截至2021年，全國(guó)已經(jīng)有69所高校開設(shè)智能建造專業(yè)，既有綜合性、研究型和國(guó)際化的高校，又有特色型大學(xué)、應(yīng)用型高校，如表1所示。

由于智能建造不僅涉及智能化生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)管理等，還涉及多個(gè)子體系，如建筑體系、結(jié)構(gòu)體系、施工裝備體系、運(yùn)維管理體系等，使得各個(gè)高校對(duì)于智能建造專業(yè)人才培養(yǎng)方案都各有特色，且各有側(cè)重點(diǎn)。例如，同濟(jì)大學(xué)對(duì)智能建造專業(yè)人才培養(yǎng)定位為在“共性基礎(chǔ)+個(gè)性發(fā)展”的基礎(chǔ)上，致力于為社會(huì)培養(yǎng)智能建造產(chǎn)業(yè)急需的復(fù)合型人才；重慶大學(xué)城市科技學(xué)院作為西南地區(qū)首家開設(shè)智能建造專業(yè)的高校，其畢業(yè)生的就業(yè)方向主要是從事智能化、數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用和管理工作；福州大學(xué)制定的智能建造學(xué)科建設(shè)則以“勘察—設(shè)計(jì)—建造—運(yùn)維”為主線，以智慧工程建設(shè)、智慧工程運(yùn)維和智能工程裝備為特色學(xué)科方向。

總體而言，智能建造專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)面向未來國(guó)家建設(shè)需要，適應(yīng)未來社會(huì)發(fā)展需求的復(fù)合型建筑人才，需要掌握智能建造的相關(guān)原理和基本方法，獲得工程師基本訓(xùn)練，能勝任一般土木工程項(xiàng)目的傳統(tǒng)和智能規(guī)劃與設(shè)計(jì)、智能裝備與施工、智能設(shè)施與防災(zāi)，以及智能運(yùn)維與管理等工作。

2019年

東南大學(xué)、華中科技大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、天津城建大學(xué)、內(nèi)蒙古科技大學(xué)、沈陽工學(xué)院、長(zhǎng)春工程學(xué)院、吉林建筑科技學(xué)院、安徽理工大學(xué)、福州大學(xué)、福建工程學(xué)院、福州外語外貿(mào)學(xué)院、青島黃海學(xué)院、鄭州工程技術(shù)學(xué)院、重慶城市科技學(xué)院、銀川能源學(xué)院

2020年

重慶大學(xué)、西南交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、河北大學(xué)、遼寧科技大學(xué)、遼寧科技大學(xué)、沈陽建筑大學(xué)、長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院、哈爾濱學(xué)院、南京工程學(xué)院、皖西學(xué)院、福建農(nóng)林大學(xué)、閩南理工學(xué)院、南昌工學(xué)院、齊魯理工學(xué)院、長(zhǎng)江大學(xué)、湖北工業(yè)大學(xué)、湖北理工學(xué)院、武昌首義學(xué)院、武昌理工學(xué)院、武昌工學(xué)院、長(zhǎng)沙理工大學(xué)、華南理工大學(xué)廣州學(xué)院

2021年

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）、大連理工大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)、武漢大學(xué)、華南理工大學(xué)、石家莊鐵道大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)、吉林建筑大學(xué)、長(zhǎng)春大學(xué)旅游學(xué)院、南京工業(yè)大學(xué)、徐州工程學(xué)院、南京理工大學(xué)紫金學(xué)院、福建江夏學(xué)院、新余學(xué)院、山東建筑大學(xué)、河南工業(yè)大學(xué)、河南城建學(xué)院、湖南工業(yè)大學(xué)、桂林理工大學(xué)、四川輕化工大學(xué)、攀枝花學(xué)院、西京學(xué)院、寧夏理工學(xué)院

二、智能建造專業(yè)中混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程設(shè)置現(xiàn)狀

目前，在國(guó)內(nèi)首先獲得教育部批準(zhǔn)開設(shè)智能建造專業(yè)的前69所高校中，共有63所高校公開了智能建造專業(yè)必修課程的設(shè)置情況，其中與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)的課程統(tǒng)計(jì)情況如表2所示。開設(shè)比例最高的課程是裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)置該課程的學(xué)校比例多達(dá)83%，體現(xiàn)出各高校對(duì)該課程的重視。而混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理是土木工程專業(yè)的核心專業(yè)課程之一，且該課又是裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要前置課程，是一門理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的課程。因此，設(shè)置該課程的學(xué)校比例達(dá)到了79%，體現(xiàn)了該課程在高校智能建造專業(yè)人才培養(yǎng)過程中的重要作用。在智能建造專業(yè)中，設(shè)置結(jié)構(gòu)智能化設(shè)計(jì)或者數(shù)字化設(shè)計(jì)課程的學(xué)校占了71%。因此，智能化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是未來的重點(diǎn)發(fā)展趨勢(shì)，有助于降低人工成本，提升設(shè)計(jì)效率，為未來智能化結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)提供實(shí)踐基礎(chǔ)。需指出的是，傳統(tǒng)土木工程作為智能建造專業(yè)的核心支撐學(xué)科，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍應(yīng)是重要教學(xué)環(huán)節(jié)，需作為專業(yè)必修課程，進(jìn)而為培養(yǎng)復(fù)合型、創(chuàng)新型的人才奠定基礎(chǔ)。

三、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程知識(shí)點(diǎn)設(shè)置情況分析

（一）"混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)教材知識(shí)點(diǎn)

混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)教材，如《混凝土結(jié)構(gòu)》《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》等，其主要知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容相差較小。文章選取了2017年以后出版的16本混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)教材，對(duì)其課程知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析，具體情況如表3所示。

雖然各教材的章節(jié)內(nèi)容側(cè)重點(diǎn)有所區(qū)別，但是混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要教學(xué)內(nèi)容高度一致。在這16本教材中，都包含單層廠房結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)這兩部分內(nèi)容；包含梁板結(jié)構(gòu)（樓蓋結(jié)構(gòu)）設(shè)計(jì)的有14本，占87.5%；包含高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有6本，占37.5%。由此可見，對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程而言，梁板結(jié)構(gòu)、單層廠房結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)是最基本和最核心的教學(xué)內(nèi)容，這三部分內(nèi)容在智能建造專業(yè)的課程設(shè)置中還應(yīng)繼續(xù)保留，以便學(xué)生掌握混凝土整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容知識(shí)，為智能建造專業(yè)人才培養(yǎng)奠定理論基礎(chǔ)。

（二）"裝配式混凝土結(jié)構(gòu)知識(shí)點(diǎn)

目前，在已開設(shè)智能建造專業(yè)的高校中，裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是設(shè)置比例最高的課程。文章選取了具有代表性的裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)教材，各教材的主要內(nèi)容如表4所示。裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)教材中內(nèi)容較多的章節(jié)，主要對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原理和基本內(nèi)容進(jìn)行了延伸和拓展，分別是預(yù)制混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)、裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。按施工方法分類，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)是混凝土結(jié)構(gòu)的類型之一。因此，學(xué)習(xí)裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，需要先掌握混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理和混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等前置課程的教學(xué)內(nèi)容。

四、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程教學(xué)內(nèi)容改革思路

智能建造作為新興專業(yè)，雖然融入了智能化和信息化等技術(shù)手段，但是其建造對(duì)象仍是建筑物本身，服務(wù)對(duì)象仍是建筑工程行業(yè)。因此，智能建造專業(yè)的人才培養(yǎng)仍需著眼于土木工程的專業(yè)知識(shí)儲(chǔ)備。智能建造專業(yè)能力培養(yǎng)要求指出，學(xué)生應(yīng)掌握混凝土結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計(jì)原則，熟悉混凝土整體結(jié)構(gòu)的選型、布置、計(jì)算、分析、設(shè)計(jì)方法，使學(xué)生具備整體建筑結(jié)構(gòu)問題的分析能力、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的解決能力和與實(shí)際工程相結(jié)合的實(shí)踐應(yīng)用能力。因此，在知識(shí)點(diǎn)的設(shè)置上，智能建造專業(yè)還應(yīng)包括梁板結(jié)構(gòu)、單層廠房結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)等混凝土整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容和方法，以及相關(guān)設(shè)計(jì)成果的應(yīng)用，才能發(fā)揮出智能化和信息化技術(shù)在建筑行業(yè)的作用，進(jìn)而安全可靠地促進(jìn)建筑行業(yè)發(fā)展。

智能建造專業(yè)新增了計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、信息化技術(shù)和機(jī)械自動(dòng)化等相關(guān)知識(shí)內(nèi)容，導(dǎo)致課時(shí)量增加。因此，需結(jié)合智能建造專業(yè)本科生培養(yǎng)方案的人才目標(biāo)要求，合理調(diào)整課時(shí)和設(shè)置專業(yè)知識(shí)內(nèi)容。混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的三門主要課程——混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和裝配式混凝土結(jié)構(gòu)，需以交叉融合方式合理控制學(xué)時(shí)，同時(shí)也不缺少關(guān)鍵的課程知識(shí)點(diǎn)。具體融合建議主要有以下幾方面。

（一）"強(qiáng)化課程的連貫性設(shè)置

在開課時(shí)間設(shè)置上，將混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和裝配式混凝土結(jié)構(gòu)三門課程連續(xù)開設(shè)，不宜間隔較久，使學(xué)生在不同課程的學(xué)習(xí)過程中能夠銜接貫通相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。此外，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與裝配式混凝土結(jié)構(gòu)都是以整體結(jié)構(gòu)為主的課程，應(yīng)在同一個(gè)學(xué)期內(nèi)先后開設(shè)。

在課程知識(shí)點(diǎn)設(shè)置上，為方便學(xué)生整合混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)課程的基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，利于學(xué)生理解知識(shí)點(diǎn)背后的過程和機(jī)理，宜將混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程中梁、板、柱等構(gòu)件設(shè)計(jì)的知識(shí)點(diǎn)與裝配式混凝土結(jié)構(gòu)課程中預(yù)制裝配式構(gòu)件深化設(shè)計(jì)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行穿插講解。具體而言，在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程中，弱化高度重疊的知識(shí)點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)上的作用與作用效應(yīng)的組合。同時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程的教師應(yīng)與混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程的教師提前做好知識(shí)點(diǎn)的融合銜接工作。另外，在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中重點(diǎn)區(qū)分裝配式混凝土結(jié)構(gòu)與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)、構(gòu)造要求和裝配結(jié)構(gòu)的拆分原則等。并將混凝土構(gòu)件的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)上的作用、構(gòu)件的內(nèi)力分析，以及作用效應(yīng)的組合等內(nèi)容則放在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理和混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程中講述。

（二）"強(qiáng)化混凝土結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)

在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程中，可穿插融合裝配式混凝土結(jié)構(gòu)課程的部分知識(shí)點(diǎn)，而在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)課程中則重點(diǎn)講解裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的施工方法。裝配整體式結(jié)構(gòu)與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)可采用相同的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。因此，兩門課的知識(shí)點(diǎn)可以放在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程中一并講授，例如，單層結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)，以及框架-剪力墻結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)原則和內(nèi)力分析方法等。

混凝土結(jié)構(gòu)整體分析知識(shí)點(diǎn)的講解可在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程中進(jìn)行，也可將兩門課融合成建筑結(jié)構(gòu)綜合設(shè)計(jì)一門課程，做到既能講授兩門課中的主要知識(shí)點(diǎn)，又能夠避免重復(fù)講述。合并融合后課程課時(shí)會(huì)更加充足，更有利于知識(shí)的串講和融合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提高教學(xué)效果的目的。

（三）"強(qiáng)化結(jié)構(gòu)施工圖的設(shè)計(jì)能力

混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要成果包含結(jié)構(gòu)計(jì)算說明書和施工圖。結(jié)構(gòu)計(jì)算說明書中包含混凝土結(jié)構(gòu)受力分析和構(gòu)件截面設(shè)計(jì)等內(nèi)容。其中，建議適當(dāng)減少實(shí)現(xiàn)過程的教學(xué)課時(shí)，增加結(jié)構(gòu)施工圖的教學(xué)課時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的施工圖設(shè)計(jì)能力，便于與智能設(shè)計(jì)、智能建造銜接，使學(xué)生能夠掌握工程結(jié)構(gòu)智能設(shè)計(jì)原理、完成現(xiàn)代土木工程的智能設(shè)計(jì)和從事土木工程的智能建造等。目前，設(shè)計(jì)院大多采用結(jié)構(gòu)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因此，建議大幅增加結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件課程的實(shí)踐課時(shí)，使學(xué)生熟練掌握其基本操作，以便更好地推動(dòng)智能化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件在工程中的應(yīng)用。

五、結(jié)語

結(jié)合國(guó)內(nèi)智能建造專業(yè)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)課程設(shè)置情況，搜集并分析了國(guó)內(nèi)近五年與混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)教材的知識(shí)點(diǎn)，依據(jù)智能建造專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，提出了智能建造專業(yè)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程知識(shí)點(diǎn)的設(shè)置建議。對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)課程開課學(xué)期的設(shè)置、基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)的合并、整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的強(qiáng)化，以及結(jié)構(gòu)施工圖的設(shè)計(jì)能力等提出了相應(yīng)的改革建議，為智能建造專業(yè)中混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程的教學(xué)提供參考。

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Exploration of design of concrete structure course reform under the background of intelligent construction

LI Qingtao，"YUAN Guanglin，"ZHANG Yingying

（School of Mechanics and Civil Engineering， China University of Mining and Technology， Xuzhou 221116，P.R.China）

Abstract： Intelligent construction is based on traditional civil engineering majors，and it is a new direction of engineering development meeting the needs of national construction. As a core course of traditional civil engineering， the course of concrete structure design is still an important teaching link of intelligent construction. In order to meet the new requirements of talent cultivation， combined with the analysis of core courses of intelligent construction in domestic universities， this paper explores the reform measures of existing concrete structure design course knowledge， constructs a knowledge system suitable for concrete structure design courses under the background of intelligent construction， clarifies the role of concrete structure design in intelligent construction， and related achievements can provide reference for the teaching of structure design in intelligent construction.

Key words： intelligent construction; curriculum knowledge; structure design of reinforced concrete; reform exploration

（責(zé)任編輯""代小進(jìn)）

基金項(xiàng)目：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木工程學(xué)院本科教學(xué)一流專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目；江蘇省高等教育教改立項(xiàng)研究課題（2019JSJG224）

作者簡(jiǎn)介：李慶濤（1980—），男，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木工程學(xué)院副教授，博士，主要從事混凝土結(jié)構(gòu)研究，（E-mail）li.qingtao@cumt.edu.cn。