大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽在土木工程專業(yè)畢設(shè)上的應(yīng)用

摘要：本文介紹了目前土木工程專業(yè)傳統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計開展方式，分析了畢業(yè)設(shè)計存在的問題及原因，通過新設(shè)“結(jié)構(gòu)設(shè)計+模型制作組”，依據(jù)開題報告、方案分析、計算書、模型制作、答辯與模型加載等方面，闡述了新設(shè)組別的畢業(yè)設(shè)計考查內(nèi)容，探索結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽在土木工程畢業(yè)設(shè)計應(yīng)用模式，為新時代土木工程畢業(yè)設(shè)計教學改革提供參考。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)競賽；結(jié)構(gòu)模型；實踐能力

中圖分類號：TB"""""""文獻標識碼：A""""""doi：10.19311/j.cnki.16723198.2025.07.084

0"引言

2017年教育部提出了“新工科”建設(shè)計劃[1]，以應(yīng)對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的挑戰(zhàn)，面對"“一帶一路”倡議[2]、“中國制造2025”[3]“互聯(lián)網(wǎng)+”等國家重大發(fā)展戰(zhàn)略，加快工程教育改革創(chuàng)新，培養(yǎng)造就一大批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才顯得尤為重要。近期，新工科計劃提出了由1.0向2.0升級，這對高校工科專業(yè)教育提出了更高的要求和新的挑戰(zhàn)[4]。

土木工程學科作為傳統(tǒng)工科專業(yè)重要組成部分，在過去30年中，為國家的基礎(chǔ)建設(shè)作出了巨大貢獻。現(xiàn)階段建筑工程朝著綠色、智能、數(shù)字化和可持續(xù)化的方向發(fā)展，土木工程本科教育也應(yīng)作出相應(yīng)的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)出的畢業(yè)生才能滿足社會的要求。畢業(yè)設(shè)計是學生在校的最后一門專業(yè)核心課程[5]，是學生四年所學專業(yè)知識的一個綜合應(yīng)用，多維度考查學生的專業(yè)素質(zhì)，是土木工程專業(yè)人員由學校向社會、由學生向工程技術(shù)人員轉(zhuǎn)變的重要過渡。為應(yīng)對社會對土木工程人才的全新素質(zhì)能力要求，本科畢業(yè)設(shè)計需做出適當改革。

全國大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽是教育部主辦的全國大學生A類競賽之一[6]，目前已構(gòu)建出良好的校、省、全國三級大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽體系，競賽以校賽為基礎(chǔ)，普及擴大影響面；以省賽為選拔，做到強中擇優(yōu)；以國賽為決賽，做到優(yōu)中選精，每年已實現(xiàn)“百所高校、千支隊伍、萬人參數(shù)”龐大競賽規(guī)模，在學生中形成了廣泛影響力。競賽考查學生對土木工程學科知識的綜合應(yīng)用，多方面培養(yǎng)大學生實踐創(chuàng)新能力，實現(xiàn)“以賽促學”培養(yǎng)目標，極大地提升了高校實踐教育教學和創(chuàng)新人才培養(yǎng)質(zhì)量。

考慮到大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽與土木工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計在人才培養(yǎng)方面有較多的契合點，本文以高校土木工程專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計和大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽兩者對比，剖析兩者在人才培養(yǎng)、能力提升方面作用，探索新工科背景下創(chuàng)新、應(yīng)用型土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式，提高學生畢業(yè)設(shè)計的主動性和積極性，提升高校土木工程學科的教育質(zhì)量，最終培養(yǎng)出社會建設(shè)發(fā)展需要及建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型的應(yīng)用型人才。

本科畢業(yè)設(shè)計

目前高校土木工程畢業(yè)設(shè)計方向大致分為兩大類，分別是建筑+結(jié)構(gòu)設(shè)計方向和結(jié)構(gòu)+施工設(shè)計方向。本文以建筑+結(jié)構(gòu)設(shè)計方向為對象進行探討。設(shè)計流程包括開題、方案設(shè)計、計算書整理、施工圖整理、答辯。設(shè)計成果包括開題報告、建筑施工圖一套、結(jié)構(gòu)施工圖一套、結(jié)構(gòu)（一榀框架）計算書一份。

1.開題

開題為畢業(yè)設(shè)計的第一個階段，時間一般為本科第七學期末，要求學生根據(jù)自己興趣，從預先給定的幾個設(shè)計方向中，選擇一項作為設(shè)計目標。設(shè)計方向包括：教學樓、醫(yī)院、文化活動中心、住宅樓、商業(yè)寫字樓等。學生選定設(shè)計方向后，指導老師安排學生完成原始設(shè)計資料收集、查閱，利用寒假時間指導學生完成開題報告。

1.方案設(shè)計

在此階段，指導教師為學生講授規(guī)范重點條文，規(guī)范包括《民用建筑設(shè)計統(tǒng)一標準》《建筑防火設(shè)計規(guī)范》等，其次對歷年優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計進行賞析，帶領(lǐng)學生參觀本地同類建筑分析其設(shè)計思路。學生按照設(shè)計任務(wù)書要求完成建筑設(shè)計方案初稿，交指導老師審查，針對老師提出的設(shè)計不合理的地方，按照修改意見進行修改完善，直至完成建筑設(shè)計方案定稿。根據(jù)建筑方案選擇合理的結(jié)構(gòu)形式，進行房屋結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置，完成結(jié)構(gòu)方案布置。

1.3"計算書整理

針對完成的結(jié)構(gòu)方案，選取其中橫向一榀框架為手算對象，完成一榀框架內(nèi)力計算及配筋設(shè)計。具體步驟如下：

（1）工程概況。主要介紹工程名稱、建設(shè)地點、建筑等級、工程地質(zhì)條件、氣象條件、設(shè)計依據(jù)等。

（2）建筑抗震設(shè)計一般檢查。參照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》進行平面不規(guī)則檢查和豎向不規(guī)則檢查。

（3）結(jié)構(gòu)平面布置。依據(jù)房屋施工做法進行結(jié)構(gòu)荷載清理，依據(jù)房屋開間及進深確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸，包括樓面板屋面板厚度、框架梁寬高、框架柱邊長等。

（4）彈性變形驗算。首先確定各樓層重力荷載代表值，查閱《抗規(guī)》《高規(guī)》等確定抗震設(shè)計參數(shù)，計算梁的線剛度與柱抗側(cè)剛度，由此確定結(jié)構(gòu)的自振周期，計算小震和風荷載作用下的彈性變形。

（5）一榀框架的內(nèi)力計算。確定各桿件的截面抗彎剛度和線剛度，清理框架豎向荷載和水平荷載，計算恒載、活載、重力代表值、風荷載、水平地震作用下的框架內(nèi)力。

（6）內(nèi)力組合。按照內(nèi)力組合分項系數(shù)確定最不利內(nèi)力組合，計算得到內(nèi)力組合表。

（7）一榀框架的構(gòu)件截面設(shè)計。針對框架梁、柱驗算其正截面、斜截面等承載力，針對節(jié)點核芯區(qū)進行抗震驗算。

（8）基礎(chǔ)設(shè)計。明確基本參數(shù)，確定基礎(chǔ)尺寸，完成抗沖切驗收和底板配筋計算。

（9）鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計。確定單向板、雙向板、次梁、樓梯構(gòu)件內(nèi)力，進行配筋驗收。

1.4"施工圖整理

施工圖部分大體包括兩部分，建筑施工圖和結(jié)構(gòu)施工圖。首先建筑施工圖根據(jù)前期確定的建筑設(shè)計方案定稿，按照畫法幾何及工程制圖、房屋建筑學等課程要求，完成建筑設(shè)計總說明、建筑各層平面圖、各立面圖、剖面圖、大樣圖繪制，可采取Auto"CAD及天正計算機與手工繪圖相結(jié)合的方式完成，考查學生對相應(yīng)制圖規(guī)范標準的掌握程度。其次結(jié)構(gòu)施工圖則需要學生利用結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件如YJK、PKPM等按照網(wǎng)格繪制→構(gòu)件布置→荷載布置→參數(shù)設(shè)置→計算→施工圖繪制的步驟完成，繪制的結(jié)構(gòu)施工圖包括結(jié)構(gòu)設(shè)計總說明、基礎(chǔ)平面布置圖、柱配筋平面圖、梁配筋平面圖、板配筋平面圖、一榀框架配筋圖、樓梯配筋詳圖等。

1.5"答辯

根據(jù)完成的開題報告、施工圖紙、計算書準備畢業(yè)答辯。畢業(yè)答辯學生先介紹建筑設(shè)計思路和結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置原則，答辯委員會老師根據(jù)設(shè)計成果提問。最后學生根據(jù)老師提出的問題完善畢業(yè)設(shè)計成果。

畢業(yè)設(shè)計存在的問題

2.設(shè)計選題重復

畢業(yè)設(shè)計題目與往年重復，各校之間土木工程畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書也較為相似，學生在網(wǎng)絡(luò)中可尋找到大量模板，建筑設(shè)計方案規(guī)矩，毫無新意，體現(xiàn)不出建筑的時代特征或地方特征，結(jié)構(gòu)布置方案單一，結(jié)構(gòu)選型皆為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。學生按照網(wǎng)絡(luò)資源，機械式的開展設(shè)計工作，畢業(yè)設(shè)計成果乏善可陳，無法體現(xiàn)現(xiàn)階段建筑工程數(shù)字化、裝配化、綠色節(jié)能的特點。畢業(yè)設(shè)計過程重理論輕實踐，形成慣性思維，未達到學生能力的提升的目的。

2.設(shè)計時間不足

受畢業(yè)生離校時間限制，畢業(yè)設(shè)計完成時間基本為第八學期的3月和4月，共8周時間。按照開題報告畢業(yè)設(shè)計進度計劃，每周都安排有對應(yīng)的設(shè)計任務(wù)，但在此階段，學生還有求職、應(yīng)聘、考研復試、公務(wù)員備考考試面試等需求，種種事由，造成畢業(yè)設(shè)計時間無法保障。面對設(shè)計工作量大、設(shè)計難度高和理論計算工作繁瑣，各個學生的設(shè)計進度不盡相同，但為保證每個學生能夠按時完成畢業(yè)設(shè)計，指導教師有區(qū)別地降低設(shè)計要求，進而影響畢業(yè)設(shè)計質(zhì)量。

2.3"指導教師師資不足

面對每年的畢業(yè)設(shè)計指導任務(wù)，一名專業(yè)教師通常分到8～10名學生，除此之外，還要完成部分專業(yè)課程教學和科研工作以及學生管理工作，面對眾多工作任務(wù)，指導教師很難做到面面俱到。指導教師往往學術(shù)研究較為深入，工程實踐經(jīng)驗較為匱乏，指導畢業(yè)設(shè)計時也是重理論輕實踐，這也會造成畢業(yè)設(shè)計實踐性不高。

3"結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽應(yīng)用探討

3.基于結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽的畢業(yè)設(shè)計改革實施方案

（1）增加設(shè)計組別。保留傳統(tǒng)的畢業(yè)設(shè)計組別，新增“結(jié)構(gòu)設(shè)計+模型加載組”。

（2）編寫新增組別的畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書。新增組別的任務(wù)書參照本年度全國大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽賽題內(nèi)容設(shè)置。大體包括：設(shè)計任務(wù)分析、結(jié)構(gòu)方案布置、構(gòu)件形式選擇、模型有限元分析及優(yōu)化、模型制作與加載共五大環(huán)節(jié)。根據(jù)各環(huán)節(jié)難易程度編制對應(yīng)的畢業(yè)設(shè)計進度計劃。提交畢業(yè)設(shè)計成果包括：模型計算書一份及實體模型一個。

（3）指定學生選拔方案。相比傳統(tǒng)設(shè)計組別，新增組別除了考查學生結(jié)構(gòu)方案布置，構(gòu)件選型、有限元分析，重點突出動手實踐能力考查。相比于大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽3人一組完成模型制作，新增組別要求學生一人完成模型制作并完成加載，對學生提出更高要求。學生選拔以計算機輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計課程成績?yōu)橹饕罁?jù)，擇優(yōu)選拔“有結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽經(jīng)驗”的學生進行新增組別畢業(yè)設(shè)計。

3.方案設(shè)計

首先參照新增結(jié)構(gòu)設(shè)計+模型加載組的設(shè)計任務(wù)書，正確理解模型制作基本要求、荷載加載方式，分析理解結(jié)構(gòu)設(shè)計難點，初步完成結(jié)構(gòu)方案布置。其次，與指導教師探討結(jié)構(gòu)方案的合理性與可行性，根據(jù)修改意見，完善結(jié)構(gòu)方案。再次，依據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點，考慮結(jié)構(gòu)力學、材料力學、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計等課程知識，完成構(gòu)件形式確定。力求做到結(jié)構(gòu)傳力清晰，布置合理。

3.3"計算書整理

參照全國大學結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽計算書，設(shè)置計算書由實訓過程總結(jié)和軟件分析計算兩部分組成。第一部分實訓過程總結(jié)包括：

（1）結(jié)構(gòu)方案構(gòu)思。主要介紹設(shè)計任務(wù)書理解及結(jié)構(gòu)方案比選。

（2）試驗測試方面。主要介紹材料測試、構(gòu)件測試、結(jié)構(gòu)測試及模型細部構(gòu)造處理方法。

（3）計算方面。使用手工和結(jié)構(gòu)力學小軟件計算結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力。

第二部分軟件技術(shù)分析包括：

（1）結(jié)構(gòu)建模。在YJK結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件中采用空間建模的方式完成結(jié)構(gòu)建模，在前處理及計算模塊中完成結(jié)構(gòu)計算參數(shù)設(shè)置。（2）受力分析。通過軟件計算模塊完成結(jié)構(gòu)模型強度、剛度、穩(wěn)定、振動分析。

（3）結(jié)構(gòu)優(yōu)化。利用軟件Y-GAMA模塊，針對結(jié)構(gòu)各桿件進行截面形式及尺寸進行優(yōu)化。

（4）結(jié)構(gòu)模型圖。詳細介紹優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)各桿件信息。通過實訓與電算，達到理論與實踐相結(jié)合，提高學生主動探索結(jié)構(gòu)優(yōu)化的積極性，并通過軟件模擬進行驗證，增加畢業(yè)設(shè)計的深度。

3.4"模型制作

根據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的模型信息，完成各桿件的制作。相同桿件如何達到統(tǒng)一的質(zhì)量標準，長度較長的工字型、槽型、L型桿件粘接完如何保證其平直，圓形空心桿件及方形格構(gòu)式桿件如何制作，節(jié)點的連接方式與加固，柱腳的制作，以及桿件制作完畢后進行結(jié)構(gòu)模型的拼裝及底板固定，這些對學生的動手實踐能力提出更高要求。通過模型制作，學生可以更直觀地理解結(jié)構(gòu)模型的細節(jié)，耐心探索桿件制作工藝，磨礪學生細致的工作心態(tài)。

3.5"現(xiàn)場答辯與加載試驗

相比于傳統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計答辯，新增結(jié)構(gòu)設(shè)計+模型加載組增加了模型加載環(huán)節(jié)。通過實際加載表現(xiàn)，檢驗結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性及可靠性，增強畢業(yè)設(shè)計創(chuàng)新性、綜合性和實用性。

依據(jù)新增結(jié)構(gòu)設(shè)計+模型加載組各步驟工作量，對其畢業(yè)設(shè)計進度作如下計劃：開題報告1周；方案設(shè)計1周；計算書整理"3周；模型制作"2周；答辯與模型加載"1周，共計8周。答辯與模型加載可分開進行，答辯過程可與普通組一同進行，模型加載可安排在校級結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽加載環(huán)節(jié)。

綜上，與傳統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計組相比，通過引入結(jié)構(gòu)設(shè)計+模型加載組，豐富了畢業(yè)設(shè)計選題方向，提高了學生參與畢業(yè)設(shè)計的積極性，增加了畢業(yè)設(shè)計的實踐性，磨礪了學生耐心細致的動手能力，"激發(fā)了學生創(chuàng)新思維，一定程度改善了畢業(yè)設(shè)計面臨的問題。

4"結(jié)語

為應(yīng)對新時代對土木工程畢業(yè)生提出的更高要求，需要高校在人才培養(yǎng)方面根據(jù)時代需求作出相應(yīng)改變。應(yīng)用型人才培養(yǎng)的方向是多方面的，本文探討了大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽作為畢業(yè)設(shè)計應(yīng)用，豐富了畢業(yè)設(shè)計選題，增加了課程實踐性，專業(yè)知識通過結(jié)構(gòu)模型設(shè)計與制作得以體現(xiàn)，作品同時參加校級結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽，大大提高學生畢業(yè)設(shè)計的積極性。以賽促學，提升了高校土木工程學科的教育質(zhì)量，對培養(yǎng)出社會建設(shè)發(fā)展需要及建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型的應(yīng)用型人才起到了很好的借鑒作用。

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