高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計課程教學(xué)方法的改革與實踐

孟麗巖等

摘要： 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計是一門土木工程專業(yè)主要的專業(yè)課程，對培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計及實踐能力具有著重要作用。針對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計課程的特點進行了教學(xué)改革，提出了“結(jié)合——分析——聯(lián)系”的教學(xué)方法，在教學(xué)實踐中收到了很好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計；力學(xué)分析；教學(xué)方法

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計是土木工程專業(yè)學(xué)生必修的專業(yè)課程，一般的本科高校將課程安排在第七學(xué)期，在學(xué)習(xí)本門課程之前，學(xué)生們幾乎學(xué)習(xí)了所有該專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課，所以學(xué)好這門課，既是對前三年學(xué)習(xí)成果的總結(jié)，也是為即將到來的畢業(yè)設(shè)計和工作打下良好的基礎(chǔ)。為了提高本門課程的課堂教學(xué)效果，作者及課程組成員經(jīng)過幾年的教學(xué)實踐和教學(xué)反饋，總結(jié)出了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計“結(jié)合——分析——聯(lián)系”的六字教學(xué)方法，實踐證明該教學(xué)方法對激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、改善課程教學(xué)效果起到了很好的推動作用。

1 教學(xué)方法簡介

1.1結(jié)合

“結(jié)合”即與專業(yè)規(guī)范相結(jié)合。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計課程的主要教學(xué)內(nèi)容是高層建筑結(jié)構(gòu)的特點和結(jié)構(gòu)體系、高層建筑的平面布置和豎向布置、高層建筑上作用的荷載與作用、框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架——剪力墻結(jié)構(gòu)和筒體結(jié)構(gòu)設(shè)計等，共涉及到《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》等一系列規(guī)范規(guī)程。事實上我們在教學(xué)過程采用的各種版本的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計教材，從內(nèi)容上都是對上述規(guī)范條款的分析和講解。因此在教學(xué)中除了注重講解教學(xué)大綱規(guī)定的內(nèi)容之外，一定要注意與當(dāng)前使用的規(guī)范相結(jié)合，尤其是在一些實驗研究背景資料方面，規(guī)范規(guī)程在其條文說明中闡述得比較系統(tǒng)清楚。在考核方式上，采用國家注冊結(jié)構(gòu)工程的考試模式，開卷考試，考試過程中可以攜帶相關(guān)教材和規(guī)范，重點考核學(xué)生運用所學(xué)理論知識解決實際工程問題的能力，這樣學(xué)生對知識點的理解更深刻、掌握更扎實，能夠達到“卓越工程師”的人才培養(yǎng)目標(biāo)。

1.2分析

“分析”即準(zhǔn)確的力學(xué)分析。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計是土木工程專業(yè)的一門傳統(tǒng)的專業(yè)課程，該課程的特點是知識點多、實踐性和綜合性強，幾乎囊括了本科4年學(xué)過的所有的主要專業(yè)課和專業(yè)基礎(chǔ)課，包括鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計、荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、土力學(xué)等。

我們在對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中各個知識點進行講解時，盡量找到一個既合理又簡單的力學(xué)模型，運用學(xué)生熟悉又信服的力學(xué)知識進行分析，讓學(xué)生扎實掌握且不容易忘記。因此，在講解的過程中，教師要把握好尺度，既要溫故更要知新，而且要鞏固提高，達到教學(xué)目的。為了能更好地溫故，就要及時提醒學(xué)生做好充分的預(yù)習(xí)工作。

1.3聯(lián)系

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計類課程在教學(xué)過程中一定要緊密聯(lián)系工程實例，這里的工程實例包括一些典型的高層建筑結(jié)構(gòu)實例，也包括新聞媒體中報道的與高層建筑有關(guān)的事件，還有在每年的生產(chǎn)實習(xí)環(huán)節(jié)，我們有針對性地安排學(xué)生到高層建筑結(jié)構(gòu)的施工現(xiàn)場，增加學(xué)生對高層建筑結(jié)構(gòu)的感性認識，積累第一手工程資料。增添課堂教學(xué)的新鮮感，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知的積極性。

2 教學(xué)實例分析

2.1結(jié)合規(guī)范

我國的《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》對高層建筑有明確的規(guī)定：層數(shù)在10層及10層以上或房屋高度大于28m的住宅建筑和房屋高度大于24m的其他高層民用建筑，同時《高規(guī)》對不同結(jié)構(gòu)體系的高層建筑結(jié)構(gòu)的高度進行了限制，如表1所示。

2.2力學(xué)分析

為了讓學(xué)生能夠更好地了解高層建筑結(jié)構(gòu)的含義，理解房屋高度與結(jié)構(gòu)受力之間的關(guān)系，進而掌握高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計特點，在課程講解時采用基本概念講解加受力分析，以最簡單的矩形塔樓為例，分析其在豎向荷載和水平荷載下的受力特點，如圖1。

矩形塔樓n層，房屋高度H，各層層高均相同為h1，塔樓同時承受豎向荷載和水平荷載，水平荷載簡化為均布荷載qH，各樓層的豎向荷載基本相同，簡化為作用在樓板單位面積上的q1。

（1）豎向荷載q1

由于各標(biāo)準(zhǔn)層的層高和樓層荷載基本相同，故結(jié)構(gòu)底部軸力最大值：

式中：q1-包括墻體自重在內(nèi)的樓層折算均布荷載

A-計算單元的樓層面積

n-樓層數(shù)，當(dāng)各層層高相同時，n=h/h1，h1為建筑物總高，為每層層高

從上式可以看出，在豎向荷載作用下結(jié)構(gòu)的軸力與計算截面以上的樓層數(shù)成正比，也可以說是與結(jié)構(gòu)的總高度成正比。

（2）結(jié)構(gòu)的水平剪力V

在均布水平荷載qH作用下，結(jié)構(gòu)的水平剪力V與計算截面以上高度成正比，底部最大剪力：

（3）結(jié)構(gòu)的總彎矩M

結(jié)構(gòu)截面彎矩與計算截面以上高度的平方成正比，底部最大彎矩為

（4）房屋的頂部位移△

由結(jié)構(gòu)力學(xué)知識，若假定各層結(jié)構(gòu)截面不變，則承受均布荷載的懸臂柱的頂端位移如公式（4）所示，可以看出結(jié)構(gòu)頂端的最大位移與房屋高度的四次方成正比關(guān)系。

綜合以上豎向荷載下的軸力，水平荷載下的剪力、彎矩和位移與房屋高度之間的關(guān)系，能夠看出隨著房屋高度的增加，與豎向荷載相比，水平荷載產(chǎn)生的內(nèi)力變化更為顯著，成為主要的控制荷載，位移隨房屋高度的變化最明顯，因此側(cè)移控制問題成為高層建筑設(shè)計的主要矛盾。

如在公式（4）中位移取限值[△]，則公式為_________________，房屋高度與結(jié)構(gòu)自身的剛度成正比，剛度越大，房屋高度越高，這也就不難理解不同結(jié)構(gòu)體系的高層建筑為什么最大適用高度不同，主要原因就是結(jié)構(gòu)的剛度不同。

從本例中學(xué)生至少可以得到兩種信息，高層建筑與普通多層建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計時的區(qū)別，還有就是高層建筑結(jié)構(gòu)為什么要限制房屋的高度，簡單的案例加上適當(dāng)?shù)牧W(xué)分析可以幫助學(xué)生在高層建筑結(jié)構(gòu)入門時答疑解惑，收到很好的教學(xué)效果。

2.3聯(lián)系工程實踐

在聯(lián)系工程實際方面，一是通過PPT的形式讓學(xué)生了解目前世界上高層建筑達到的高度，如美國的希爾斯大廈、帝國大廈，中國的金茂大廈、環(huán)球金融中心，阿聯(lián)酋的迪拜塔等，并分析其結(jié)構(gòu)體系的特點；二是參觀校園內(nèi)的建筑，10層的教學(xué)主樓、30層的高層住宅，進一步明確房屋高度與其采用的結(jié)構(gòu)體系之間的關(guān)系。

3 教學(xué)效果

在“高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計”的教學(xué)活動中，采用“結(jié)合——分析——聯(lián)系”的教學(xué)方法，使學(xué)生對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的各個知識點有了更深刻的理解，從而激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。土木工程專業(yè)的畢業(yè)設(shè)計可以直接檢驗高層建筑結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)效果，大多數(shù)學(xué)生能夠在畢業(yè)設(shè)計初期進行合理的結(jié)構(gòu)選型和結(jié)構(gòu)布置，在結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算和結(jié)構(gòu)分析中可以運用合理的計算方法和設(shè)計方法進行準(zhǔn)確的計算，畢業(yè)設(shè)計的質(zhì)量也得到很大的提高。

編輯∕岳 鳳