提高畢業生實踐能力的《地下建筑結構設計》教學內容改革

孫金山　左昌群　陳建平

摘要：隨著地下工程行業的發展及其對專業人才實踐水平需求的提高，高等院校《地下建筑結構設計》課程內容亟需根據專業和行業的發展進行適當的調整。論文分析了當前出版的《地下建筑結構設計》方面的教材在實際教學應用過程中存在的問題與缺陷，在此基礎上以畢業生實踐能力提高和行業發展需求為核心目標，依托最新的設計研究成果構建了新的《地下建筑結構設計》課程內容體系。

關鍵詞：地下建筑專業；地下建筑結構；教學內容；教材

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）48-0089-02

一、引言

隨著我國經濟的不斷發展，城市房地產、交通、市政、礦業、水利水電和國防等行業的基礎設施建設規模也不斷擴大，地下工程行業也迎來了前所未有的發展機遇。大量的地鐵隧道、公路隧道、地下礦山、地下電站和地下洞庫及城市地下空間亟待修建，因此，行業的發展也亟需大量的專業人才。如何培養一大批合格的能適應行業發展要求的專業人才成為高等學校面臨的重要挑戰。

作為土木工程行業的重要分支，地下建筑專業雖然具有很長的發展歷史，但由于其所處地質環境的復雜性，其基本理論相對于其他學科發展較為緩慢。近年來，隨著其他相關行業新理論、新材料、新工藝和新技術的發展，地下建筑專業理論也有新的發展。然而，高等學校本科教學的相關教材卻難以滿足行業發展的要求，導致出現了教材內容與工程實踐脫節、畢業生實踐能力差等突出問題。為此，通過對比研究國內高校地下建筑、隧道工程等專業開設的《隧道工程》、《地下建筑結構》和《地下工程》等專業教材，對適應行業發展的《地下建筑結構設計》教學內容進行了研究。

二、目前《地下建筑結構設計》課程內容存在的問題

隨著地下建筑工程方面人才需求量的日益增大，國內開設土木工程類專業的許多高校均開設了地下建筑或隧道方面的必修或選修課程[1-5]，采用的教材大致有十余個版本，且許多版本的教學內容體系相似，隨著行業的發展，教材中的相關理論稍顯陳舊，部分內容與工程實踐脫節，已難以滿足學生的工程實踐需要。

（一）地下建筑結構的新材料

隨著新奧法的發展和建筑材料的發展，地下建筑結構的材料逐漸由傳統的鋼筋和混凝土向新型材料發展。如傳統的整體式襯砌逐漸被復合式襯砌所代替，而復合式襯砌的材料演變發展迅速，如隧道支護結構可包括：素噴混凝土、鋼纖維噴射混凝土、樹脂纖維噴射混凝土、鋼錨桿、樹脂錨桿、機械錨桿、超前管棚、超前小導管、模筑混凝土、預制混凝土管片、鋼管片、各類防水卷材、內裝材料和注漿材料等。而傳統地下建筑結構課程內容中涉及的新型建筑材料方面的內容較少。

（二）地下建筑結構計算的新方法

地下建筑結構不同于地面建筑，其結構與地層緊密聯系，傳統的地下建筑體系計算方法是以結構力學為基本理論的荷載結構法，但該方法一方面力學簡化不科學，另一方面計算過程較為復雜。隨著計算機科學的發展，傳統的荷載結構法與有限元理論相互結合已經形成了新的結構計算方法。另外，地層結構法也隨著巖土力學的發展得到廣泛的應用，已經成為復雜地下結構的首先計算方法。目前國內發行的大學教材中，仍以介紹傳統的計算方法為主，新的方法的基本思路、原理和方法，學生難以接觸和掌握。

（三）地下建筑結構的新形式

隨著地下建筑結構專業的發展，許多新型地下建筑結構形式逐漸發展起來。傳統常見的地下建筑結構主要是隧道，而近年來其他形式的地下建筑結構也日趨增多，如沉管隧道、管幕法隧道、TBM法隧道、頂管法隧道、沉箱結構、大型地下廠房、地下貯藏庫等。目前交通類的大專院校主要學習的是隧道工程，其他地下建筑結構涉及較少，而講授地下建筑結構的院校則對各種結構的涉及面也較窄，且關于隧道結構方面的內容也不全面。

三、《地下建筑結構設計》課程內容改革

隨著地下工程專業人才需求量的增加和新技術的不斷發展，面向工程實踐，以培養實際工作水平和能力為核心，適時的調整《地下建筑結構設計》的課程內容設置十分必要，是以“教學”為主高校相關專業的重要工作內容。

地下建筑結構形式多樣，同時地下建筑結構設計與工程地質、結構力學、巖體力學、土力學、鋼筋混凝土學、現代土木工程數值模擬技術等專業課程密切相關，如何將其獨立同時又不割裂與其他課程間的密切關系是教學內容和教學方法改革中的難點。因此，考慮該課程與其他課程的關聯性和地下建筑形式的多樣性，可將內容分為以下三部分。

（一）基本理論與基本概念

地下建筑結構基本理論與基本概念的講授是培養工程師專業素養的關鍵環節，主要講授內容應包括：地下建筑結構的基本概念、地下建筑結構設計的基本方法、地下工程的圍巖分級方法以及地下工程與圍巖的相互關系、地下建筑結構的荷載、地下建筑結構的材料和地下建筑結構的計算理論等內容。這部分內容充分考慮了該課程與其他課程的交叉融合，可讓學生清晰認識到課程與其他課程的區別和聯系，同時在整體上把握復雜多樣的地下建筑結構形式的共性以及結構設計的核心原則和思想，同時應向學生介紹最新的地下建筑結構設計思維和技術。

隨著建筑材料學科的發展，地下建筑結構支護所采用的新材料越來越多，因此認識了解新材料的類型、應用范圍和性能等是提高學生實踐水平的重要方面，因此地下建筑結構基本理論與基本概念應介紹常用和新型的建筑材料，如素噴混凝土、鋼纖維噴射混凝土、樹脂纖維噴射混凝土、鋼錨桿、樹脂錨桿、機械錨桿、超前管棚、超前小導管、預制混凝土管片、各類防水卷材、內裝材料和注漿材料等。

由于地下結構與地層關系密切，理解結構與地層的相互作用是后續內容的重要前提，因此，應獨立重點闡述，這部分內容也是與傳統教材差別較大的部分。同時，新的地下建筑設計理論更側重于“圍巖控制”，因此該核心原則和思想也是重點教授的內容，因而教材內容還應涵蓋地下工程圍巖分級方法以及地下建筑工程地質分析方法等方面的內容。

（二）隧道結構設計

隧道是地下建筑結構的最常見的形式，也是畢業生工作后主要的工作對象，因此這部分是課程的核心內容。同時，隧道結構形式多樣，其結構形式差別較大，設計方法也有所不同，因此課程內容設置應以隧道結構形式進行安排，該部分內容應包括：隧道工程的勘察、隧道結構的總體設計、洞門與明洞設計、新奧法隧道支護結構設計、盾構法/TBM法隧道管片式襯砌結構設計、沉管法隧道結構設計和其他隧道結構形式等內容。在課程講授過程中，應重點介紹結構的特征、工作原理、結構構造和設計計算方法，同時也應介紹實踐中工程師常要面對的隧道設計的基礎工作。其中，在隧道結構設計計算方法內容中，傳統教材中主要介紹的是結構力學的計算方法，而在實際生產中用于彈性地基理論和有限元技術的發展目前基于“荷載—結構”模式的有限元計算方法已成為主流的計算方法，因此在此內容中應介紹傳統的計算方法，并掌握新的計算理論。

（三）其他地下建筑結構

除了隧道以外，還有多種地下建筑結構形式，而隨著土木建筑專業各領域的交叉滲透，畢業生面向的工作對象往往不只局限于隧道結構，因此學生掌握和了解其他地下建筑結構形式的設計也是十分必要的。該部分內容包括：基坑支護結構、地下商業街、停車場和附建式地下結構、沉井和沉箱結構、大型地下洞庫和其他地下建筑結構形式。此類地下結構形式結構復雜，形式各異，主要應以介紹結構構造為主。在計算理論方面，目前復雜結構的設計主要以“荷載—結構”計算模式的有限元計算方法為主，對于大型地下洞庫和地層條件復雜的地下結構則應介紹目前流行的“地層—結構”計算模式的有限元計算方法。

四、結語

隨著地下工程行業的發展和人才水平需求的提高，《地下建筑結構設計》課程內容亟需根據專業和行業的發展進行適當的調整，同時隨著土木建筑專業各領域的交叉滲透，畢業生面向的工作對象多種多樣，因此讓學生掌握結構設計的核心思維和最新的方法和技術，認識和熟悉常見的地下建筑結構形式，掌握其設計方法是十分重要的。以面向工程實踐需求和畢業生實踐能力提高為核心教學目標，對《地下建筑結構設計》課程內容進行了探討，構建了面向工程實踐的新的地下建筑結構課程內容體系，希望對地下建筑學科的發展具有積極的意義。

參考文獻：

[1]陳建平，吳立，閆天俊，許文峰.地下建筑結構[M].北京：人民交通出版社，2008.

[2]劉增容.地下建筑結構[M].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[3]朱合華，張子新，廖少明.地下建筑結構[M].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[4]王樹理，王樹仁，孫世國，楊萬斌，朱建明.地下建筑結構設計[M].北京：清華大學出版社，2009.

[5]覃仁輝，王成.隧道工程[M].重慶大學出版社，2011.