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職業(yè)教育教學(xué)論文發(fā)表
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結構概念設計是對專(zhuān)業(yè)知識的綜合運用， 具有定性準確、簡(jiǎn)單快捷的特點(diǎn)，其關(guān)系到結構的安全與合理。在鋼結構課程教學(xué)中應強調概念設計的重要性。文章闡述了適當補充教材內容的必要性，對豐富教學(xué)方法和手段也進(jìn)行了探討，并強調應引導學(xué)生樹(shù)立正確的概念設計理念， 為其今后工作實(shí)踐打下堅實(shí)的基礎。
一、概念設計在鋼結構課程中的重要性
近年來(lái)，概念設計的理念被越來(lái)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(jīng)驗的累積，而是在結構工程設計中利用概念進(jìn)行判斷、推理、創(chuàng )新和決策的方法和過(guò)程；其基本思路是在特定的建筑空間中用整體概念來(lái)正確處理構件與構件、構件與結構、結構與結構的關(guān)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(jīng)在工程設計中得到廣泛應用，計算機應用能力是當今社會(huì )衡量畢業(yè)生能力的一個(gè)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(jìn)行分析判斷和校核？這就需要學(xué)生融合概念設計的理念，掌握力學(xué)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(jīng)在工程設計領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越大的作用，但在高校教學(xué)中，尤其是在房屋鋼結構設計課程教學(xué)中，概念設計的作用并未充分體現。學(xué)生在完成鋼結構基本原理的學(xué)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(gè)單根構件，但對一個(gè)簡(jiǎn)單的工程設計卻感到無(wú)從下手。此外，由于擔心工作后缺乏競爭力，學(xué)生常將更多時(shí)間花在結構設計軟件的學(xué)習上，對計算機過(guò)分依賴(lài)。這種狀況造成學(xué)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(shuō)，現在的教育是先教構件的設計，再到整個(gè)結構，而在實(shí)際工程中是先結構后構件[3]。如果能夠做到讓學(xué)生先了解整個(gè)結構，再學(xué)習構件的具體計算、構造要求等知識，將會(huì )取得更好的教學(xué)效果。
為此，筆者所在的河南科技大學(xué)土木工程學(xué)院鋼結構課題組進(jìn)行了鋼結構課程內容改革，將概念設計貫穿課程教學(xué)中，使學(xué)生通過(guò)學(xué)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(jīng)濟合理、切實(shí)可行的結構形式，以及受力明確、傳力簡(jiǎn)捷的結構體系。
二、將概念設計引入教學(xué)的具體措施
�。ㄒ唬┙虒W(xué)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(shí)際上概念設計貫穿于結構設計的全過(guò)程，教材中關(guān)于結構布置的一系列規定和要求也無(wú)不體現著(zhù)概念設計的思想。針對鋼結構設計的特點(diǎn)，結合各類(lèi)結構構件的設計要點(diǎn)、相關(guān)規范規定，應補充如下教學(xué)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(diǎn)給學(xué)生講解正常使用極限狀態(tài)計算結果的判斷準則，和承載能力極限狀態(tài)計算結果的判斷準則，幫助學(xué)生走出概念的混沌狀態(tài)，使其對設計結果有清晰的把握和判斷，引導學(xué)生基于已有專(zhuān)業(yè)基礎知識思考正常使用極限狀態(tài)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(dòng)力參數（頻率分析、振型）加以判斷；對承載能力極限狀態(tài)、輕質(zhì)薄壁結構按邊緣屈服控制強度，并考慮與局部穩定相關(guān)的有效截面參數。而非薄壁結構可適當考慮塑性發(fā)展深度，可按10%以?xún)瓤刂�。通過(guò)對此類(lèi)計算結果的判斷講解，有助于學(xué)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(yōu)化
學(xué)生在學(xué)習基本構件受力特點(diǎn)及設計計算時(shí)，由于只是簡(jiǎn)單地生搬硬套規范公式，因此在進(jìn)行有針對性的參數固定的計算時(shí)，大多能?chē)栏癜匆髨绦�，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(diǎn)增加了結構形式優(yōu)化的講解內容。結構形式的優(yōu)化包括結構整體的優(yōu)化和單根桿件的優(yōu)化。讓學(xué)生明確整體結構優(yōu)化的目的是提高結構效率。整體結構的優(yōu)化可分步走，先根據力學(xué)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(shí)太籠統，可引導學(xué)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(yōu)化而言，主要包括應力性質(zhì)的優(yōu)化和應力水平的優(yōu)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(fā)來(lái)介紹，但結構荷載的選擇與調整對于結構整體設計有著(zhù)重要意義�？蓮目拐鸾嵌�，引導學(xué)生思考地震區設計多層建筑，如何用較小的代價(jià)達到較好的抗震效果，答案無(wú)疑是減輕自重。因為烈度和場(chǎng)地類(lèi)別是無(wú)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(guān)；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(chǎn)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(zhì)材料，但小跨度結構則不一定采用。學(xué)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(jìn)行調整，以利于學(xué)生靈活掌握。
4、 節點(diǎn)設計分析
在講解節點(diǎn)設計時(shí)，應著(zhù)重突出節點(diǎn)的概念以及節點(diǎn)設計的目標，強調節點(diǎn)設計要忠實(shí)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(tài)。因為節點(diǎn)承載力不足會(huì )造成破壞，而節點(diǎn)狀態(tài)不好，如螺栓松動(dòng)等也會(huì )造成反復荷載作用下的破壞。另外，講授節點(diǎn)傳力時(shí)，要強調在設計節點(diǎn)時(shí)，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(diǎn)與整體之間又是相互對立統一的。結構整體要求節點(diǎn)盡可能精確，但節點(diǎn)不可能完全精確，如提高精確度需要付出更多代價(jià)。因此此部分內容的講解要基于結構整體受力特點(diǎn)，并結合實(shí)例分析在什么位置做適當的簡(jiǎn)化假定較為合理，且有利于降低連接的成本。 二）靈活教學(xué)方法和手段
將概念設計引入工程結構教學(xué)中，內容整體性高，概括性強，具有相當的難度，因此在教學(xué)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(xué)生對概念設計理念的理解，必須將課堂教學(xué)及工程案例分析結合起來(lái)。教師平時(shí)應注重教學(xué)素材的積累。例如在講解風(fēng)荷載的選取與調整時(shí)，按圖1的思路分析不同結構體系的風(fēng)荷載體型系數取值差別。
2、互動(dòng)問(wèn)答環(huán)節
在鋼結構課程教學(xué)中，尤其是在講解概念設計時(shí)，教師的課堂講授是主要方式，但與學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)交流也非常重要。因此，要培養學(xué)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(xué)習討論中，點(diǎn)燃學(xué)生的創(chuàng )新火花，使學(xué)生的專(zhuān)業(yè)能力得到大幅度的提高，同時(shí)也能鍛煉學(xué)生處理問(wèn)題的能力，進(jìn)而提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。對每個(gè)概念的知識點(diǎn)，教師都應準備一個(gè)或者幾個(gè)最為典型的問(wèn)題，通過(guò)提問(wèn)的方式幫助學(xué)生更好地掌握所學(xué)知識。
例如：結合疲勞動(dòng)力荷載，可向學(xué)生提出問(wèn)題：如何避免疲勞破壞？通常情況下，許多學(xué)生知道疲勞應力幅大于相應的允許疲勞應力幅，則結構會(huì )發(fā)生疲勞破壞。但對于如何減小疲勞應力幅并無(wú)具體的概念，因此應指導學(xué)生查閱相關(guān)文獻，從疲勞動(dòng)力荷載最為基本的概念入手，即減少疲勞應力幅其實(shí)就是減少結構應力的變化幅度�？蔀閷W(xué)生介紹兩類(lèi)方法：用簡(jiǎn)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(xué)生追本溯源，組織學(xué)生討論簡(jiǎn)支梁和連續梁的受力特點(diǎn)，以及預應力結構與非預應力結構的區別。之后再給學(xué)生具體講解這兩類(lèi)方法能減小疲勞荷載的原因。通過(guò)這樣的互動(dòng)，加深學(xué)生對疲勞荷載的理解，使學(xué)生學(xué)會(huì )從概念分析入手解決問(wèn)題，培養學(xué)生獨立思考的能力。
3、多樣化教學(xué)手段
在授課過(guò)程中，盡量運用多元化教學(xué)手段。如在講解鋼結構構件穩定時(shí)，學(xué)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(lèi)失穩過(guò)程制作成三維動(dòng)畫(huà)，或運用有限元分析軟件展示構件失穩時(shí)的變形和應力狀態(tài)，繪制荷載位移曲線(xiàn)。如在講解簡(jiǎn)支梁平面外彎扭時(shí)，可利用有限元軟件ANSYS模擬均布荷載作用下的失穩過(guò)程。這些過(guò)程以動(dòng)畫(huà)形式呈現在課堂教學(xué)中，學(xué)生接收快，效果良好。
三、結語(yǔ)
掌握概念設計是一個(gè)優(yōu)秀工程師必備的能力。而這種能力的獲取不僅有賴(lài)于工程設計經(jīng)驗的長(cháng)期積累，更需要在學(xué)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(xué)過(guò)程中，幫助學(xué)生更好地掌握其基本內容， 同時(shí)也可以提升學(xué)生的專(zhuān)業(yè)素養，為其今后工作實(shí)踐打下堅實(shí)的基礎。參考文獻：
[1]朱慈勉，尹小明、概念設計的意義和應用分析[J]、建筑技術(shù)，2005，36（8）：626-628、
[2]高立人、結構工程師與概念設計[J]、建筑結構，1993（4）：46-50、
[3]林同炎，S、D思多臺斯伯利、結構概念和體系[M]北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999、
[4]沈祖炎，陳以一，陳揚驥、房屋鋼結構設計[M]、北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008、
Abstract：
With accurate and concise quantification， concept design is the comprehensive application for professional knowledge、 The idea of concept design in steel structure course teaching should be emphasized in view of its importance to structure safety and reasonability、 In the paper， diversified methods on how to establish exact conception of design are discussed by increasing contents related to concept design， which is helpful to students for further practice、
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