鋼筋混凝土樓蓋課程設計教學探索與實踐

摘要：課程設計是培養學生理論聯系實踐、檢驗教學效果、實現卓越工程師培養目標的重要實踐教學環節。針對土木工程專業鋼筋混凝土樓蓋課程設計存在的問題，與現行國家規范緊密聯系，文章對RC樓蓋設計進行有益的教學探索與實踐，以夯實學生所學的理論知識，激發學生主動學習的興趣，強化學生的工程意識，培養學生獨立完成設計的能力。

關鍵詞：鋼筋混凝土結構；樓蓋；課程設計；教學研究

中圖分類號：G642.0；TU375-4 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2016）05-0141-04

實踐環節是培養學生創造性思維和實際工作能力的重要教學手段。課程設計是土木工程專業實踐性教學環節的重要組成部分。混凝土結構設計作為土木工程專業第一門直接面向工程技術應用的課程，是建立學生工程性思維和傳授工程科學方法的重要課程。該課程的實踐環節設置有“鋼筋混凝土樓蓋課程設計”和“單層工業廠房結構課程設計” 。鋼筋混凝土樓蓋課程設計是學生遇到的第一個專業課程的實踐性教學環節，是學生首次進行較為全面的房屋結構設計訓練。學生畢業后進入設計院工作，首先面對的工作常常是各種類型的板設計和樓梯的設計，因此，樓蓋課程設計是學生職業生涯的第一課。如何搞好樓蓋課程設計教學，如何通過該課程設計夯實學生所學的專業知識，培養學生獨立完成設計的能力，提高學生理論聯系實際和綜合分析問題、解決問題的能力，使課程設計真正成為畢業設計的預演，為學生今后走上工作崗位打下堅實的基礎，是值得討論和研究的重要問題。

一、鋼筋混凝土結構樓蓋課程設計存在的主要問題

從20世紀70年代后期到現在，盡管我國混凝土結構設計規范歷經74版規范、89版規范、2002版規范，以及目前現行的2010版規范，但混凝土結構課程設計的內容變化并不大。各高校鋼筋混凝土肋梁樓蓋課程設計任務，普遍是設計一個多層工業廠房樓蓋或民用建筑樓蓋（如車間倉庫、商場、圖書館書庫等） ，多采用四周為磚墻的內框架結構形式[1-3]。目前，鋼筋混凝土樓蓋課程設計往往通過調整柱網平面尺寸和荷載取值等方式形式上做到了每生一題，但設計過程過于格式化，即學生只要按照教材“照葫蘆畫瓢”，單純機械式模仿，就能完成相應的結構計算和設計。從教學效果看，這樣的設計過程無法讓學生真正掌握結構設計方法，也很難激發學生學習的主動性和積極性。

二、樓蓋課程設計教學改革與實踐

鋼筋混凝土樓蓋課程設計作為土木工程專業一門重要的實踐環節，教學中必須確立學生在設計中的主體地位，發揮教師的主導作用，與國家現行規范緊密聯系，以便于學生更好地理解所學內容和理論聯系實際，培養他們獨立分析、解決問題的能力，最大限度地激發學生主動學習的意識。

（一）課程設計任務書要具有真實性， 以任務驅動引領教學，按行動導向實施教學

課程設計任務書中以具體的工作任務驅動引領教學，按照“教、學、做”一體化模式組織教學，強調“為了項目工作而學習”和“通過項目工作來學習”，使工作過程與學習過程相統一，培養學生的工程意識，加強責任心和工作規范的教育。

課程設計任務書要引導學生用全局、專業的眼光去分析問題，不急于作具體構件的設計。課程設計任務書要求明確以下內容：

（1）明確所設計結構的安全等級和設計使用年限。混凝土結構的安全等級，與結構重要性系數有關。

《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）[4]第3.4.2條和第3.4.3條中對應的“使用年限”對混凝土強度等級的最小水泥用量、最大氯離子含量、最大堿含量等均作了嚴格的要求。

《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012）[5]（以下簡稱《荷載規范》）增加可變荷載設計使用年限調整系數γ：L，調整和完善可變荷載，適當提高安全度。由《荷載規范》第3.2.5-1條，設計使用年限為5年、50年和100年，γ：L分別為0.9、1.0和1.1。

（2）明確所設計結構屬工業建筑或民用建筑，并明確所設計建筑結構的功能。民用建筑和工業建筑樓面均布活荷載分別見《荷載規范》5.1和5.2，其標準值、組合值系數和準永久值系數的取值是設計的重要依據。《荷載規范》3.2.4-2條明確“對標準值大于4 kN/m2的工業房屋樓面結構的活荷載， 可變荷載的分項系數應取1.3；其它情況應取1.4”。

在布置任務時，通過改變樓蓋建筑功能，要求每個學生根據下達的建筑結構的功能，自己動手從荷載規范中查得相應荷載樓面均布活荷載值。

（3）明確所設計結構的環境類別。《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）表8.2.1對混凝土保護層厚度給出了嚴格的限制，如當構件所處二類a環境類別時，混凝土強度等級C25～C45，板混凝土保護層的最小厚度為20 mm，梁、柱混凝土保護層的最小厚度為25 mm；當構件所處一類環境類別時，相應減小5 mm。當混凝土強度等級為C20、C25時，板、梁、柱混凝土保護層的最小厚度相應增加5 mm。

在布置任務時，要求每個學生根據下達的建筑結構環境類別，自己動手從混凝土規范中查得保護層厚度。

（4）明確建筑平、剖面尺寸、建筑標高和建筑面積。

盡管學生學過房屋建筑學課程，但大多數學生作樓蓋課程設計時，基本上沒有建筑標高與結構標高的概念。任務書中應不僅要求繪制結構平面布置圖，還需根據工程實際，提供相應建筑標高。讓學生明白，給出的建筑標高是指建筑物裝飾裝修層完成后的標高，而用于結構計算和結構平面布置圖中標注的標高應是結構標高，即裝飾裝修層完成前的標高。培養學生結構圖應標注結構標高，而非建筑標高的工程意識。

每個學生應根據任務下達的建筑平面柱網尺寸及層高，自己確定結構方案，即學生自己布置梁、板、柱，確定樓（屋）面面層的建筑做法，即樓（屋）面保溫材料、找坡層、防水材料等，并自己選定梁板所采用的混凝土、鋼筋強度等級等。

（二）結構方案采用框架結構體系

樓蓋課程設計采用內框架結構與現行規范和建筑業的發展趨勢明顯不符。《建筑結構抗震規范》（GBJ11-1989）刪去了“底部內框架磚房”的結構形式。《建筑結構抗震規范》（GB50011-2001）將“內框架磚房”的結構形式限制于多排柱內框架。考慮到“內框架磚房”已很少使用且抗震性能較低，《建筑結構抗震規范》（GB50011-2010）[6]取消了“內框架磚房”的相關內容，標志著“內框架磚房”結構形式已不復存在。因此，必須對鋼筋混凝土肋梁樓蓋課程設計內容進行調整，選擇更符合目前規范和工程實際的框架結構形式。

（三）樓蓋結構布置的問題

在設計初期，由于學生無設計經驗，對結構整體力學性能概念不甚清晰，較難作出合理的結構布置。其突出的問題主要表現在如下幾個方面：

學生在結構布置時，一般都是一個方向布置主梁，另外一個方向布置次梁（包括與柱相連的梁）。通常房屋橫向剛度比縱向剛度弱，采用橫向承重框架可以改善橫向與縱向剛度相差較大的缺點，為了提高建筑物的側向剛度，主梁宜沿建筑物的橫向布置。這種結構布置形成樓蓋兩個方向的剛度差別較大，結構整體性差，不利于學生建立整體的結構概念，并形成結構設計只要注意一個方向的錯誤觀點。《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）5.1.1條規定：一般情況下，應至少在建筑結構的兩個主軸方向分別計算水平地震作用，各方向的水平地震作用應由該方向抗側力構件承擔[3]。因此，對于要求計算抗震的結構而言也宜設計成雙向承重框架。

（四）單向板、雙向板劃分的問題

單向板（即梁式板）：彈性理論， l：2/l：1（長邊與短邊長度之比）≥2；塑性理論，l：2/l：1≥3。《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）第9.1.1條規定：“當長邊與短邊長度之比大于2.0，但小于3.0時，宜按雙向板計算；當按沿短邊方向受力的單向板計算時，應沿長邊方向布置構造鋼筋。”這樣，如果不能很好地學習理解規范，很可能在板的長邊與短邊之比大于2又小于3時，按單向板計算，其含鋼量達不到新規范的要求。

（五） 肋梁樓蓋梁柱體系中連續梁模型和框架模型適用范圍的辨析

確定框架梁、柱截面尺寸時，要考慮梁、柱線剛度比的限值，因此必須讓學生明白教材中主梁計算簡圖采用多跨連續梁，是有局限性的；工程設計實際情況是，為滿足“強柱弱梁”的抗震設計原則，在大多數情況下，主梁計算簡圖實為框架結構。當計算簡圖為框架結構時，主梁的內力計算方法與多跨連續梁就有了本質的不同。通常當梁、柱的線剛度比大于 3～5時，由于柱對梁的約束作用較小，而將柱作為梁的不動鉸支座，梁按鉸支于鋼筋混凝土柱上的連續梁模型計算。 當梁、柱的線剛度比小于 3～5 時，必須考慮柱對梁的約束作用，此時梁柱節點為剛性結點，梁與柱共同形成框架，簡化為框架模型計算，按框架進行結構分析[1]。值得注意的是，一般多層房屋中梁柱為剛接的框架結構，各層柱的計算長度l：0按《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）表6.2.20-2取用，現澆樓蓋，底層柱1.0H；其余各層柱，1.25H。

（六）基本組合的荷載分項系數問題

通常參考教材中僅考慮“1.2×永久荷載標準值+1.4×可變荷載標準值”作為樓板荷載組合設計值，因此必須讓學生明白基本組合的荷載分項系數問題，引導學生研讀規范條文。

《荷載規范》3.2.3條：荷載基本組合的效應設計值應從可變荷載控制的效應設計值與永久荷載控制的效應設計值中，取用最不利的效應設計值。

《荷載規范》3.2.4-1條：當永久荷載效應對結構不利時，對由可變荷載效應控制的組合，永久荷載的分項系數應取1.2，對由永久荷載效應控制的組合，永久荷載的分項系數應取1.35；當永久荷載效應對結構有利時，永久荷載的分項系數不應大于1.0。

《荷載規范》3.2.4-2條：對標準值大于4kN/m2時的工業房屋樓面結構的活荷載，荷載分項系數應取1.3。

（七）改進樓蓋配筋方式

目前教材、參考書中，為了節省鋼筋，樓蓋配筋方式仍多采用以前倡導的彎起式。《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）第9.1.4條規定：“采用分離式配筋的多跨板，板底鋼筋宜全部伸入支座；支座負彎矩鋼筋向跨內延伸的長度應根據負彎矩圖確定，并滿足鋼筋錨固的要求。”分離式配筋施工方便，已成為工程中鋼筋混凝土板的主要配筋方式。在主梁配筋計算時，建議不要考慮主梁上、下部鋼筋的聯系，不使用彎起鋼筋，主梁斜截面抗剪由箍筋承擔。

（八）應進行結構構件裂縫寬度驗算

目前教材、參考書中，樓蓋課程設計示例一般未進行裂縫寬度和撓度驗算。若板的跨厚比鋼筋混凝土單向板不大于30，雙向板不大于40；次梁、主梁截面尺寸滿足高跨比要求，撓度驗算可忽略；但對板、梁必須進行裂縫寬度驗算，是不應忽略的，否則不能保證結構構件正常使用極限狀態要求。

（九）應重視構造鋼筋

構造問題是結構和構件承載受力的基本條件。若不能滿足，則結構分析和截面設計中的基本假定和計算簡圖就根本不能成立，設計出來的結構安全度就會大有問題。譬如，當按簡支邊或非受力邊設計的現澆混凝土板，當與混凝土梁整體澆筑時，板面構造鋼筋從混凝土梁邊、柱邊伸入板內的長度不宜小于l：0/4；當整體澆筑嵌固在砌體墻內時，鋼筋伸入板內的長度不宜小于l：0/7。若是框架結構，板面構造鋼筋從混凝土梁邊、柱邊伸入板內的長度不宜小于l：0/4，不是教材中的l：0/7[7]。

（十）積極推進手算、電算的結合

課程設計教學內容若仍采用手算體系的教學框架，將明顯與當今信息化社會脫節[8]。引入PKPM系列軟件中PMCAD的教學內容，對結構布置和結構計算部分，采用“先手算、后電算”，對結構施工圖的繪制采用PMCAD與AUTOCAD相結合，加強電算與手算相結合，以及結構構造措施環節的建設，培養學生手算、電算和概念分析等能力，激發學生自主學習的興趣。

三、 結語

針對鋼筋混凝土樓蓋課程設計中存在的突出問題，圍繞提高教學質量，培養學生工程實踐能力的主線，充分發揮教師的主導作用，確立學生的主體地位，使學生通過課程設計對建筑結構設計有較全面的理解和認識，逐步建立工程思維方式，提高學生發現問題、分析問題和解決工程實際問題的技能，為畢業設計和今后從事結構設計工作奠定堅實的基礎。

參考文獻：

[1]白國良. 混凝土結構設計[M].新一版.武漢：武漢理工大學出版社，2011.

[2]侯治國. 混凝土結構[M].第4版·修訂版.武漢：武漢理工大學出版社，2011.

[3]沈蒲生.混凝土結構設計[M].北京：高等教育出版社，2010.

[4]東南大學，同濟大學，天津大學.混凝土結構（中冊）[M].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[5]中華人民共和國住建部.建筑結構荷載規范GB50009 - 2012[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[6]中華人民共和國住建部.建筑抗震設計規范GB50011 - 2010[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[7]中華人民共和國住建部.混凝土結構設計規范GB50010 - 2010[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[8]李永梅. RC樓蓋課程設計引入PKPM軟件的教學實踐[C].第十三屆混凝土結構教學研討會論文集，昆明理工大學學報：社科版 ，2014，26卷，40-43.