以卓越工程師培養為目標的設計類課程教與學

高向玲++趙憲忠?í?

摘要：同濟大學土木工程專業自2010年以來結合 “卓越工程師教育培養計劃”制定了新的培養方案，更加注重提升學生的工程能力和創新能力。土木工程專業本身是一門實踐性非常強的學科，每個課群方向都有對應的實踐教學環節，針對實踐教學環節承上啟下的作用，提出了設計類課程中的幾個關鍵知識點。對于建筑工程課群方向，建筑混凝土結構課程設計是首次理論與實踐結合的教學環節，通過專業實踐課程培養學生結合相應的設計規范、圖集以及制圖規范獨立確定結構方案進行結構設計的能力，使學生從純理論的書本知識學習向工程師思維轉變，按行業標準培養學生從工程師角度提出問題、解決問題的能力，以及獨立進行結構設計的能力。

關鍵詞：土木工程專業；卓越工程師；教學方法；專業實踐；建筑混凝土結構設計

中圖分類號：G6423；TU318文獻標志碼：A文章編號：

10052909（2016）04009005

“卓越工程師教育培養計劃”是貫徹落實《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》和《國家中長期人才發展規劃綱要（2010—2020年）》的重大改革項目，也是促進我國由工程教育大國邁向工程教育強國的重大舉措，旨在培養造就一大批創新能力強，適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才，對促進高等教育面向社會需求培養人才，全面提高工程教育人才培養質量具有十分重要的示范和引導作用。同濟大學土木工程專業自1998年起，按照寬口徑人才培養模式進行了重組，實施知識體系改革與建設，自2001年起，更加注重學生工程素質和實踐能力的培養與提升。2005年，同濟大學土木工程專業的人才培養體系進一步向創新意識和國際視野這一更深層次發展。2010年以來結合國家首批“卓越工程師教育培養計劃”的土木學科專業要求，重新修訂了土木工程專業培養計劃，在人才培養模式上更加注重學生的工程實踐能力和創新能力。土木工程專業的學生不僅要具有深厚的科學和人文素養，掌握土木工程學科的原理和知識，基礎理論扎實，專業知識寬厚，實踐能力突出，能勝任一般土木工程的設計、施工和管理工作，而且要能從事投資與開發等工作，具有繼續學習能力、創新能力、組織協調能力、團隊精神和國際視野

。

一、課程設置的目的

針對目前土木工程專業的人才培養目標，該專業的學生在大學一、二年級接受的是專業基礎性教育。在大學三年級時開始進行課群方向的分流，課群方向主要包括地下工程、橋梁工程、巖土工程、道路工程、軌道交通工程、水利工程和建筑工程。針對卓越工程師的培養計劃，按照通用標準和行業標準培養工程人才，強化培養學生的工程能力和創新能力。從2014級本科生開始，改變以往課程設計隨課程進行的現狀，強化知識系統性、連貫性，培養學生的工程能力。學生在三年級第一學期和第二學期的前九周系統進行課群方向專業課基礎理論知識的學習，第二學期的后九周將進行相關專業課的課程設計學習。學習基本理論的最終目的是學以致用，而實踐課程正是基本原理與工程實踐之間的橋梁，經過這一環節的訓練，通過具體的結構設計，使學生形成一個系統、完整的結構概念，而不是支離的構件層次上的概念。在整個課程設計過程中，學生應按行業標準要求應用相關的結構設計規范，逐步具有工程師的思維方式。從整體上把握結構，強調結構整體性的受力分析，并結合結構所在地的實際情況進行材料的合理選擇，同時應加強有關設計規范和制圖標準的學習，注重有關的構造要求，最后進行結構施工圖的繪制和出圖。通過這一相對系統的土木工程師基本培養訓練，學生應初步具備從事其課群方向的結構設計能力。

土木工程專業建筑工程方向的學生為了獲得良好的工程師培訓，強化工程能力和創新能力，更好地勝任房屋工程的設計、施工與管理工作。該課群方向的學生在校期間應進行一系列的實踐課程培訓，學生將在九周的時間集中學習建筑混凝土結構與砌體結構設計、建筑鋼結構設計等課程。

通過建筑混凝土結構與砌體結構設計課程的實踐學習，學生應掌握砌體結構房屋以及混凝土單層廠房的設計。與該課程緊密相關的理論基礎課程是混凝土結構基本原理[1-2]和砌體結構[3-4]，通過這兩門課程的課堂教學，學生應掌握建筑混凝土結構以及砌體結構的材料力學性能、各類受力構件的承載力計算、混凝土樓板及

樓梯等的受力分析和設計計算、混凝土結構和砌體結構房屋整體力學模型建立和內力計算方法。在此基礎上，學生進行兩個完整的結構體系設計，主要內容包括結構方案的確定、荷載的取值、廠房預制構件的選取、結構的內力分析、構件的設計，以及地基基礎設計，并熟悉有關規范，明確結構施工圖的表達內容和表達方式，從而初步達到按行業標準進行結構設計的工程能力，為畢業設計階段與企業結合，進行大型復雜工程項目的設計、管理、創新奠定基礎。

二、課程學習基本要求

建筑混凝土結構與砌體結構設計要求學生進行兩種類型房屋的設計，一類是砌體結構房屋，另一類是混凝土單層排架結構廠房，通過這兩個設計任務使所學的基本理論知識在實踐中得到綜合運用，并且按行業標準應用相關的規范、圖集，培養學生的工程能力。

（一）砌體結構房屋的設計

通過該項目的設計，初步掌握一般砌體結構房屋設計的方法，具體要求如下：

（1）掌握砌體結構房屋靜力計算方案的一般原則；

（2）掌握鋼筋混凝土樓蓋結構布置的一般原則；

（3）掌握鋼筋混凝土連續梁、板、樓梯的設計方法；

（4）掌握砌體墻體的設計方法；

（5）掌握墻下條形基礎的設計方法；

（6）熟悉相關的規范、規程以及圖集。

（二）單層工業廠房排架結構的設計

通過此工程的設計，初步掌握單層工業廠房排架結構的設計方法，具體要求如下：

（1）初步掌握鋼筋混凝土單層廠房結構布置和結構選型的原則；

（2）掌握單層廠房荷載效應組合的方法；

（3）掌握裝配式結構計算的特點及節點構造設計；

（4）熟悉裝配式鋼筋混凝土結構房屋施工圖的繪制方法；

（5）掌握墻下條形基礎及柱下獨立基礎的設計方法；

（6）熟悉相關的規范、規程以及圖集。

此次課程設計是兩個完整的結構體系訓練，嚴格按照結構設計流程進行把控，學生應掌握工程計算書所包含的信息，計算書務必條理清楚，書寫規范，便于校對；結構施工圖要求能準確表達設計意圖，圖面布置勻稱美觀、線條清晰、字體端正、尺寸詳細，符合施工圖要求，圖紙采用CAD繪制并打印出圖，為了訓練學生的繪圖基本功，要求應有1～2張的手繪圖紙。通過這兩個完整的房屋工程訓練，學生應初步學會從工程師的角度考慮問題：一是要全面，從結構整體出發，包括結構選型以及經濟性的比較；二是設計必須結合實際（地質情況、材料供應、施工難易程度等），從而設計出結構體系合理、傳力明確、便于施工、經濟合理的房屋。

三、課程學習中關鍵知識點的掌控與改進

在進行設計課程時，教師應明確卓越工程師的培養要點，按行業標準要求，強化學生的工程能力和創新能力。教師應采用實際案例，并且控制整個設計進度，最終使學生從實際工程入手進行結構設計。圍繞卓越工程師培養這一目標，在建筑混凝土結構與砌體結構設計過程中，關鍵知識點的講解應從工程師的角度出發。

（一）實踐案例的提出

在以往的課程設計中，通常教師會提供一份完整的課程設計任務書，任務書中將結構方案、結構設計的有關參數甚至計算的主要步驟等均逐一列出，學生基本上按照教師提供的參數進行計算即可，而對于參數“如何確定”以及“為什么這么取”這些關鍵問題則一帶而過，由此將“設計”變成了“計算練習”，學生缺少獨立解決實際工程問題的能力，沒有真正達到培養工程師的目的。

針對目前普遍存在的情況，在此特別強調實踐案例是學生進行實踐課程的前提條件，案例應具備合理性、可行性以及代表性，案例應根據實際工程提出，不應過多地給出結構設計的確定性參數，應由學生根據建筑方案確定結構方案，從而逐一確定相關的結構參數，進一步完成結構設計。這樣一個完整的訓練是土木工程專業建筑工程課群方向必不可少的實踐環節，也是學生第一次接受完整的結構設計，良好的職業習慣應在此階段逐漸形成。

（二）結構方案的選型及整體體系的概念

結構設計的第一步是根據建筑方案進行結構方案的選型，主要內容包括豎向結構體系、水平結構體系等。對于這兩個設計而言，結構豎向體系基本明確，但學生應進行承重墻體、柱的合理布置和基礎選型，現澆混凝土肋型樓蓋中主、次梁的合理布置，明確預制樓板的選型依據等，并在此基礎上初步確定構件的尺寸。

學生在前期的專業課程學習中，主要學習各類基本構件的受力分析和設計，因此結構整體的概念相對較弱，而結構的構件設計相對較強。在基礎理論學習階段，梁、板、柱以及砌體墻體等構件的內力是作為已知條件給定的，是在已知荷載或內力的情況下進行構件設計，但對于構件的內力是如何得到的，并沒有十分明確的認識。這一點正是課程設計需要強調并完善的知識點之一，培養學生從整體上把握結構體系，明確合理的結構選型比單純的計算正確更為重要。

（三）力學計算簡圖的確定

這一步驟是培養學生從工程師的角度出發全面考慮問題的重要一步，結構體系的計算模型是將空間的結構簡化為力學模型，從而明確結構的內力計算方法。此部分內容對于混合結構房屋應確定靜力計算方案，對于廠房應確定排架的計算簡圖，要求學生根據實際工程確定各種荷載的取值，然后進行各種荷載作用下的內力計算，進而進行內力組合，并根據控制截面的內力組合進行豎向構件的設計（墻體、排架柱）。在進行柱的正截面承載力計算時應注意柱的軸力和彎矩對應關系，在進行柱的斜截面承載力計算時應注意柱的剪力和軸力對應關系，合理選取柱的控制截面內力，進行柱的配筋設計。設計中未考慮地震作用時，應明確房屋不考慮地震作用的條件。

在混凝土肋梁樓蓋設計中，次梁、樓板按連續梁進行內力計算（按塑性理論計算內力），同樣主梁也是按照多跨連續梁設計（按彈性理論計算內力）。此時應明確兩個概念：一是主梁作為連續梁計算的條件，二是主梁下的支承簡化為鉸支座的條件。第二點學生通常不加考慮，參照書上例題按鉸支座進行分析，到畢業設計時，學生對框架結構的主梁也按多跨連續梁計算，所以應明確支承簡化的條件，從結構整體上分析結構。同時應注意屋面按彈性理論計算內力，主梁應進行變形和裂縫寬度的驗算。

（四）相關規范的合理應用

按照工程師的培養計劃和行業標準培養工程人才。此實踐課程是學生第一次進行房屋結構的設計，應通過此實踐課程的鍛煉，使學生學會應用規范，并逐步熟悉相關的規范，如《建筑結構荷載規范》[5]《混凝土結構設計規范》[6]《砌體結構設計規范》[7]和《建筑地基基礎設計規范》[8]等。通過對規范中相關條文的應用，達到初步進行工程師培訓的目的。通過這一環節，使學生初步形成獨立自主的學習能力。這一觀念的形成對學生后續專業課學習、設計能力提高以及分析和解決實際工程問題均十分有益。

（五）結構的構造措施以及選材

結構的構造措施因沒有具體的工程實踐，是學生掌握比較薄弱的一個環節。在此特別強調構造措施的重要性，構建措施是保證結構安全的必要措施，房屋所用建筑材料鋼筋、混凝土、塊體以及砂漿的選取既應滿足相關規范對材料強度等級的要求，又要符合房屋所在地的實際情況，合理選材。

同時應注意《砌體結構設計規范》[6]中第4.3.5條地面以下或防潮層以下的砌體墻所用材料的最低強度等級。一般構造要求中的第6.2.7條和第6.2.8條，當梁的跨度達到一定值時，應考慮設置墊塊、壁柱。同時關注第6.5條中防止或減輕墻體開裂的主要措施，以及構造柱、圈梁的合理設計。對于廠房應注意排架柱、吊車梁、抗風柱與預制構件的連接部位以及預埋件的設置。在進行牛腿設計時，應特別注意《混凝土結構設計規范》[5]對于牛腿的構造要求。讓學生意識到結構設計并不僅僅是承載力的計算和變形、裂縫寬度等，還需有必要的構造措施，才能設計出安全合理的結構體系。

（六）預制構件的選型

對于鋼筋混凝土單層工業廠房排架結構需進行屋面板、屋架、天窗架、天溝、吊車梁、基礎梁等混凝土預制構件的選型。在此應著重培養學生搜集相關資料以及根據資料選取有關構件的工程能力，同時亦應結合當地的實際情況，考慮預制構件的承載力、使用范圍、運輸以及安裝等成本。應從工程師的角度全面考慮問題，而不是單純受力分析和計算。此階段相對應的圖集主要包括：

（1）04 G410—1 1.5 m×6.0 m預應力混凝土屋面板（預應力混凝土部分）；

（2）04 G410—2 1.5 m×6.0 m預應力混凝土屋面板（鋼筋混凝土部分） ；

（3）04 G415—1 預應力混凝土折線形屋架（預應力鋼筋為鋼絞線，跨度18～30 m）；

（4）95 G316 標準圖 П型鋼筋混凝土天窗架；

（5）04 G323—1 鋼筋混凝土吊車梁（工作級別A6）；

（6）04 G323—2 鋼筋混凝土吊車梁（工作級別A4、A5） ；

（7）04 G320 鋼筋混凝土基礎梁；

（8）05 G336柱間支撐 ；

（9）起重機產品樣本（2004年），機械工業出版社。

（七）基礎的布置以及設計計算

建筑工程專業學生對地基基礎部分相對比較陌生，從實際工程角度出發，應提供給學生一份完整的地質勘察報告，而不是僅給出持力層的地基承載力。學生應通過查閱地質勘察報告，進行持力層的選取，確定基礎埋深等，進行基礎尺寸的確定。通過此次課程設計實踐，使學生熟悉兩類基礎形式以及《建筑地基基礎設計規范》[8]。對于混合結構房屋砌體墻體采用墻下條形基礎形式，對于單層排架混凝土結構廠房建議采用柱下獨立基礎形式。應特別注意在確定基底面積時根據地基承載力以及基底的總反力確定，而在進行基礎本身的承載力設計時應采用地基的凈反力。學生根據實際地質情況和結構體系進行持力層的選取和基礎選型設計。

（八）結構施工圖的繪制

圖紙是結構工程師的語言，圖紙表達應清晰、簡明，能夠準確反映設計意圖，符合設計、施工、存檔的要求，適應工程建設的需要。圖紙應符合《房屋建筑制圖統一標準》[9]《建筑結構制圖標準》[10]等制圖規范的要求，保證圖紙質量。線條粗細適當，文字大小合適，同時應完成一定量的CAD制圖和手繪制圖。學生還應熟悉國家建筑標準設計圖集[11]，通過完整的結構施工圖繪制以及出圖，學生能全面掌握施工圖的表達方式。

四、結語

卓越工程師的培養要求是按行業標準培養工程人才，強化學生的工程能力和創新能力。實踐課程是理論課程與實際工程相結合的橋梁，通過實踐環節的教學，學生可進一步鞏固所學的基本理論知識，同時加強理論知識的應用，解決實際工程問題，做到學以致用。培養學生從工程師的角度在結構整體上把握結構，確定結構方案、荷載、計算模型、構件選型等，并應具有經濟意識，注重結合地方的實際情況。通過這一階段的強化訓練，全面提高學生的工程能力和創新能力。參考文獻：

[1]顧祥林.混凝土結構基本原理[M].上海：同濟大學出版社，2012.

[2]顧祥林.建筑混凝土結構設計[M].上海：同濟大學出版社， 2012.

[3]蘇小卒.砌體結構設計[M].上海：同濟大學出版社，2013.

[4]高向玲.砌體結構[M].北京：中國建筑工業出版社， 2013.

[5] GB 50009—2012 建筑結構荷載規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[6] GB 50010—2010混凝土結構設計規范[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2010.

[7] GB 50003—2011砌體結構設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[8] GB 50007—2011建筑地基基礎設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[9] GB/T 50001—2001房屋建筑制圖統一標準[S].北京：人民出版社，2001.

[10] GB/T 50105—2001建筑結構制圖標準[S].北京：中國建筑工業出版社，2001.

[11] 11G101—1，2，3混凝土結構施工圖平面整體表示方法制圖規則和構造詳圖[S].北京：中國計劃出版社，2011.