基于“概念設計”的鋼結構課程教學改革方式論文
一、概念設計在鋼結構課程中的重要性
近年來，概念設計的理念被越來越多的結構工程師所接受。但概念設計并非如大多數工程師所言，是工程設計經驗的累積，而是在結構工程設計中利用概念進行判斷、推理、創新和決策的方法和過程；其基本思路是在特定的建筑空間中用整體概念來正確處理構件與構件、構件與結構、結構與結構的關系，是結構工程師基本結構理念的集中體現[1-2]。目前，計算機輔助設計已經在工程設計中得到廣泛應用，計算機應用能力是當今社會衡量畢業生能力的一個重要指標。但對結構分析軟件（或電算程序）的計算結果，如何進行分析判斷和校核？這就需要學生融合概念設計的理念，掌握力學概念、材料概念、荷載概念、施工概念、使用概念等等，并運用到結構方案設計、構件布置、計算結果的分析中。
盡管概念設計已經在工程設計領域發揮越來越大的作用，但在高校教學中，尤其是在房屋鋼結構設計課程教學中，概念設計的作用并未充分體現。學生在完成鋼結構基本原理的學習之后，雖然具備了計算構件及連接的能力，能套用公式解題，也能輕松設計一個單根構件，但對一個簡單的工程設計卻感到無從下手。此外，由于擔心工作后缺乏競爭力，學生常將更多時間花在結構設計軟件的學習上，對計算機過分依賴。這種狀況造成學生綜合分析判斷能力的下降，整體結構設計概念模糊不清。設計大師林同炎先生曾說，現在的教育是先教構件的設計，再到整個結構，而在實際工程中是先結構后構件[3]。如果能夠做到讓學生先了解整個結構，再學習構件的具體計算、構造要求等知識，將會取得更好的教學效果。
為此，筆者所在的河南科技大學土木工程學院鋼結構課題組進行了鋼結構課程內容改革，將概念設計貫穿課程教學中，使學生通過學習，能在今后的鋼結構設計工作中熟練運用概念估算方法，迅速、有效地選擇經濟合理、切實可行的結構形式，以及受力明確、傳力簡捷的結構體系。
二、將概念設計引入教學的具體措施
（一）教學內容的調整
在現有教材《房屋鋼結構設計》 [4]中，概念設計一般作為結構體系與布置原則的一部分內容，而實際上概念設計貫穿于結構設計的全過程，教材中關于結構布置的一系列規定和要求也無不體現著概念設計的思想。針對鋼結構設計的特點，結合各類結構構件的設計要點、相關規范規定，應補充如下教學內容。
1.結構計算的概念和判斷
對工程師而言結構計算概念和判斷是體現其設計水平的重要方面，因此在授課中應重點給學生講解正常使用極限狀態計算結果的判斷準則，和承載能力極限狀態計算結果的判斷準則，幫助學生走出概念的混沌狀態，使其對設計結果有清晰的把握和判斷，引導學生基于已有專業基礎知識思考正常使用極限狀態的變形特征，即變形首先要保證連續，這是結果可信的必要條件。另外，結構各方向剛度的均衡性可以根據結構動力參數（頻率分析、振型）加以判斷；對承載能力極限狀態、輕質薄壁結構按邊緣屈服控制強度，并考慮與局部穩定相關的有效截面參數。而非薄壁結構可適當考慮塑性發展深度，可按10%以內控制。通過對此類計算結果的判斷講解，有助于學生建立初步的概念設計理念，避免出現因整體概念不清晰而導致不合理的設計。
2.建筑結構形式的優化
學生在學習基本構件受力特點及設計計算時，由于只是簡單地生搬硬套規范公式，因此在進行有針對性的參數固定的計算時，大多能嚴格按要求執行，但對結構形式的合理性卻缺乏思考。故在教材內容改革方面，重點增加了結構形式優化的講解內容。結構形式的優化包括結構整體的優化和單根桿件的優化。讓學生明確整體結構優化的目的是提高結構效率。整體結構的優化可分步走，先根據力學原理作判斷，定大方向，然后依據具體條件分析確定詳細設計方案。為避免講解此部分內容時太籠統，可引導學生掌握不同跨度的大跨度屋面結構形式選擇。就單根桿件的優化而言，主要包括應力性質的優化和應力水平的優化。
3. 結構荷載的選擇與調整
教材對荷載及其組合一般僅從規范規定出發來介紹，但結構荷載的選擇與調整對于結構整體設計有著重要意義。可從抗震角度，引導學生思考地震區設計多層建筑，如何用較小的代價達到較好的抗震效果，答案無疑是減輕自重。因為烈度和場地類別是無法選擇的，只有建筑材料的自重可以由設計者選擇，而地震的慣性力與自重直接相關；從材料選用角度，因為結構效應是以荷載與作用為自變量，代入結構效應函數中產生的，彎矩這一主要結構效應與跨度的平方成正比，所以對大跨度結構減輕自重就顯得尤其重要。大跨度建筑一般采用輕質材料，但小跨度結構則不一定采用。學生一旦明確了這些概念，就可以在設計初始避免由于不合理的材料選用及荷載選擇而造成設計的先天不足。雖然這些內容在教材中有所提及，但并未形成系統，因此有必要在授課中進行調整，以利于學生靈活掌握。
4. 節點設計分析
在講解節點設計時，應著重突出節點的概念以及節點設計的目標，強調節點設計要忠實體現其在整體結構中的功能，且要有可靠的承載力，并保持規定所要求的狀態。因為節點承載力不足會造成破壞，而節點狀態不好，如螺栓松動等也會造成反復荷載作用下的破壞。另外，講授節點傳力時，要強調在設計節點時，應保證其傳力通達順暢，不應造成應力紊亂、集中。焊縫以平滑的對接焊為最好，加引弧板后磨平更好，螺栓連接以摩擦型高強螺栓為最好。在結構計算中，節點與整體之間又是相互對立統一的。結構整體要求節點盡可能精確，但節點不可能完全精確，如提高精確度需要付出更多代價。因此此部分內容的講解要基于結構整體受力特點，并結合實例分析在什么位置做適當的簡化假定較為合理，且有利于降低連接的成本。
（二）靈活教學方法和手段
將概念設計引入工程結構教學中，內容整體性高，概括性強，具有相當的難度，因此在教學方法上必須多樣化。
1.工程案例分析
由于概念設計內容較為零散，為了加深學生對概念設計理念的理解，必須將課堂教學及工程案例分析結合起來。教師平時應注重教學素材的積累。例如在講解風荷載的選取與調整時，按圖1的思路分析不同結構體系的風荷載體型系數取值差別。
2.互動問答環節
在鋼結構課程教學中，尤其是在講解概念設計時，教師的課堂講授是主要方式，但與學生進行互動交流也非常重要。因此，要培養學生的結構概念，有必要組織不同程度的課堂討論。在活躍的、有趣味的學習討論中，點燃學生的創新火花，使學生的專業能力得到大幅度的.提高，同時也能鍛煉學生處理問題的能力，進而提高學生的綜合素質。對每個概念的知識點，教師都應準備一個或者幾個最為典型的問題，通過提問的方式幫助學生更好地掌握所學知識。
例如：結合疲勞動力荷載，可向學生提出問題：如何避免疲勞破壞？通常情況下，許多學生知道疲勞應力幅大于相應的允許疲勞應力幅，則結構會發生疲勞破壞。但對于如何減小疲勞應力幅并無具體的概念，因此應指導學生查閱相關文獻，從疲勞動力荷載最為基本的概念入手，即減少疲勞應力幅其實就是減少結構應力的變化幅度。可為學生介紹兩類方法：用簡支結構代替連續結構和用預應力結構代替非預應力結構。引導學生追本溯源，組織學生討論簡支梁和連續梁的受力特點，以及預應力結構與非預應力結構的區別。之后再給學生具體講解這兩類方法能減小疲勞荷載的原因。通過這樣的互動，加深學生對疲勞荷載的理解，使學生學會從概念分析入手解決問題，培養學生獨立思考的能力。
3.多樣化教學手段
在授課過程中，盡量運用多元化教學手段。如在講解鋼結構構件穩定時，學生對構件的失穩機理理解得不是很透徹，因此應盡量將構件的各類失穩過程制作成三維動畫，或運用有限元分析軟件展示構件失穩時的變形和應力狀態，繪制荷載位移曲線。如在講解簡支梁平面外彎扭時，可利用有限元軟件ANSYS模擬均布荷載作用下的失穩過程。這些過程以動畫形式呈現在課堂教學中，學生接收快，效果良好。
三、結語
掌握概念設計是一個優秀工程師必備的能力。而這種能力的獲取不僅有賴于工程設計經驗的長期積累，更需要在學習階段有意識地加以培養。因此這就要求教師把概念設計的思想滲透到課程教學過程中，幫助學生更好地掌握其基本內容， 同時也可以提升學生的專業素養，為其今后工作實踐打下堅實的基礎。
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