基于“概念的设计”的钢结构课程教学改革探讨.docVIP

第 PAGE 页 基于“概念设计”钢结构课程教学改革剖析 　2019 　　一、概念设计在钢结构课程中重要性 　　近年来，概念设计理念被越来越多结构工程师所接受。但概念设计并非如大多数工程师所言，是工程设计经验累积，而是在结构工程设计中利用概念进行判断、推理、创新与决策方法与过程；其基本思路是在特定建筑空间中用整体概念来正确处理构件与构件、构件与结构、结构与结构关系，是结构工程师基本结构理念集中体现[1-2]。目前，计算机辅助设计已经在工程设计中得到广泛应用，计算机应用能力是当今社会衡量毕业生能力一个重要指标。但对结构剖析软件（或电算程序）计算结果，如何进行剖析判断与校核？这就需要学生融合概念设计理念，掌握力学概念、材料概念、荷载概念、施工概念、使用概念等等，并运用到结构方案设计、构件布置、计算结果剖析中。 　　尽管概念设计已经在工程设计领域发挥越来越大作用，但在高校教学中，尤其是在房屋钢结构设计课程教学中，概念设计作用并未充分体现。学生在完成钢结构基本原理学习之后，虽然具备了计算构件及连接能力，能套用公式解题，也能轻松设计一个单根构件，但对一个简单工程设计却感到无从下手。此外，由于担心工作后缺乏竞争力，学生常将更多时间花在结构设计软件学习上，对计算机过分依赖。这种状况造成学生综合剖析判断能力下降，整体结构设计概念模糊不清。设计大师林同炎先生曾说，现在教育是先教构件设计，再到整个结构，而在实际工程中是先结构后构件[3]。如果能够做到让学生先了解整个结构，再学习构件具体计算、构造要求等知识，将会取得更好教学效果。 　　为此，笔者所在河南科技大学土木工程学院钢结构课题组进行了钢结构课程内容改革，将概念设计贯穿课程教学中，使学生通过学习，能在今后钢结构设计工作中熟练运用概念估算方法，迅速、有效地选择经济合理、切实可行结构形式，以及受力明确、传力简捷结构体系。 　　二、将概念设计引入教学具体措施 　　（一）教学内容调整 　　在现有教材《房屋钢结构设计》 [4]中，概念设计一般作为结构体系与布置原则一部分内容，而实际上概念设计贯穿于结构设计全过程，教材中关于结构布置一系列规定与要求也无不体现着概念设计思想。针对钢结构设计特点，结合各类结构构件设计要点、相关规范规定，应补充如下教学内容。 　　1.结构计算概念与判断 　　对工程师而言结构计算概念与判断是体现其设计水平重要方面，因此在授课中应重点给学生讲解正常使用极限状态计算结果判断准则，与承载能力极限状态计算结果判断准则，帮助学生走出概念混沌状态，使其对设计结果有清晰把握与判断，引导学生基于已有专业基础知识思考正常使用极限状态变形特征，即变形首先要保证连续，这是结果可信必要条件。另外，结构各方向刚度均衡性可以根据结构动力参数（频率剖析、振型）加以判断；对承载能力极限状态、轻质薄壁结构按边缘屈服控制强度，并考虑与局部稳定相关有效截面参数。而非薄壁结构可适当考虑塑性发展深度，可按10%以内控制。通过对此类计算结果判断讲解，有助于学生建立初步概念设计理念，避免出现因整体概念不清晰而导致不合理设计。 　　2.建筑结构形式优化 　　学生在学习基本构件受力特点及设计计算时，由于只是简单地生搬硬套规范公式，因此在进行有针对性参数固定计算时，大多能严格按要求执行，但对结构形式合理性却缺乏思考。故在教材内容改革方面，重点增加了结构形式优化讲解内容。结构形式优化包括结构整体优化与单根杆件优化。让学生明确整体结构优化目是提高结构效率。整体结构优化可分步走，先根据力学原理作判断，定大方向，然后依据具体条件剖析确定详细设计方案。为避免讲解此部分内容时太笼统，可引导学生掌握不同跨度大跨度屋面结构形式选择。就单根杆件优化而言，主要包括应力性质优化与应力水平优化。 　　3. 结构荷载选择与调整 　　教材对荷载及其组合一般仅从规范规定出发来介绍，但结构荷载选择与调整对于结构整体设计有着重要意义。可从抗震角度，引导学生思考地震区设计多层建筑，如何用较小代价达到较好抗震效果，答案无疑是减轻自重。因为烈度与场地类别是无法选择，只有建筑材料自重可以由设计者选择，而地震惯性力与自重直接相关；从材料选用角度，因为结构效应是以荷载与作用为自变量，代入结构效应函数中产生，弯矩这一主要结构效应与跨度平方成正比，所以对大跨度结构减轻自重就显得尤其重要。大跨度建筑一般采用轻质材料，但小跨度结构则不一定采用。学生一旦明确了这些概念，就可以在设计初始避免由于不合理材料选用及荷载选择而造成设计先天不足。虽然这些内容在教材中有所提及，但并未形成系统，因此有必要在授课中进行调整，以利于学生灵活掌握。 　　4. 节点设计剖析 　　在讲解节点设计时，应着重突出节点概念以及节点设计目标，强调节点