本科生橋梁概念設計課程教學探討

賈麗君+阮欣+肖汝誠

摘要：隨著行業發展，復合型卓越人才是工程人才培養的重要發展趨勢和方向。目前，國內各大高校開展的橋梁工程教學主要側重于各專業課程的設置，而缺乏對工程概念設計的整體性把握，為此，同濟大學橋梁工程系開設了橋梁概念設計課。文章介紹橋梁概念設計課程的教學思想和理念、教學具體設計方案以及教學內容，分析課程對提升學生能力素質的作用，為提高教學質量和教學效果提供借鑒。

關鍵詞：橋梁工程；設計理念；概念生成；課程改革

中圖分類號：G6423；TU997 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2017）04-0079-04

“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的重大改革項目，也是促進中國由工程教育大國邁進工程教育強國的重要舉措。其宗旨是強化大學本科教育階段學生實際工程能力的培養，提高學生工程意識、工程素質和工程實踐能力，培養創新能力強、適應企業發展的優秀工程師，以滿足科學技術和社會經濟快速發展對工程型人才的需求。

同濟大學從1998年開始實施寬口徑人才培養措施，土木工程專業本科生前兩年進行公共基礎課及專業基礎課的學習。第三學年根據個人意愿以及擇優錄取的原則，進入橋梁工程課群組進行更為專業的橋梁方向學習[1]。在前期的公共專業課中，更為強調的是具體學科知識的掌握與運用，缺乏對橋梁工程的宏觀把握。

工程中常因橋梁結構體系選擇不當導致結構缺陷，造成投資浪費或橋梁壽命縮短甚至倒塌等災難性后果；常因缺乏橋梁結構體系理論指導，缺少參數優化而不能實現更好的結構性能；常因創新不足，導致結構形式單一，或者為了標新立異，作畫蛇添足之舉[2]。而橋梁概念設計作為土木工程專業橋梁課群組的新設專業課，在前期專業知識積累的基礎上，旨在培養本科生的創新思維，運用創新技術的理念，增強整體認識，避免“只見樹木，不見森林”的弊端，培養本科生設計橋梁的綜合能力。

一、教學思想和教學理念

（一）國內現狀

在20世紀50至60 年代，工科教材大都使用從蘇聯翻譯過來的實用性教材，講授按規范進行設計的方法。改革開放后，開始按學科設系，逐漸向國際體制轉變，但行業的影響力依舊存在。新版《橋梁工程》教材，除按新頒布的規范

作了必要修改外，篇、章、節安排上基本還是沿襲老教材體系，并沒有本質上的改變，在教學理念和方法上也沒有完全擺脫蘇聯工科教學模式的影響。這種傳統的教學方法使學生易形成思維定式，限制了學生的創新思維[3]。

（二）國際先進理念

橋梁工程在學科上屬土木工程的分支，在功能上是交通工程的咽喉[4]。2006年，德國柏林工業大學土木系的M. Schlaich教授曾在國際橋協布達佩斯年會上作了題為《對教育的挑戰——概念和結構設計》的報告，介紹了柏林工業大學正在進行的土木工程教育改革，將傳統按材料劃分的“鋼結構”教研室和“混凝土”教研室合并更名為“概念和結構設計”教研室，不再分別講授鋼結構設計和混凝土結構設計的分析方法和設計方法，改為面對所有建筑材料按結構類型（橋梁、高層建筑和空間結構）講授概念設計和結構設計，并且加強對學生創新理念和能力的培養，不僅訓練結構設計的基本功，更重要的是培養學生進行概念設計的創造能力[5]。

（三） 課程理念改革與探索

近幾年來，對“錢學森之問——為什么我們的學校總是培養不出杰出人才”這一命題的熱議說明中國工程教育改革的緊迫性和必要性。同濟大學土木工程學院橋梁工程系配合“卓越工程師”培養計劃，為本科生開設了橋梁概念設計這一門全新的課程，以培養新一代橋梁工程師的概念設計能力，克服中國橋梁在創新理念、工程質量和美學考慮三方面的不足，為中國在21世紀通過自主創新，從橋梁大國走向橋梁強國貢獻一份力量。

二、教學具體設計方案

（一）知識講授

改變以往“教師講，學生聽”的單向教學模式，推行探究式、討論式、案例式、參與式、小班制等教學方式。保留部分課堂講授內容，作為專業基礎知識的介紹與引導，結合小組討論

深入講解。整個課程中，結合概念設計習題，將專業知識應用于實際工程，并鼓勵技術創新，使學生獲得更為真實的工程實踐體驗，對專業知識理解更為透徹。

（1）課堂講授。橋梁概念設計的概念、創新設計構思和總體布置方法以及結構安全性驗證。

（2）小組討論。分組討論，加深對概念設計的理解，探討給定建橋條件和功能情況下的方案構思與比選。

（3）習題練習。根據具體建橋的條件和功能要求，開展設計構思和總體布置，力求技術創新。

（二） 能力培養

在課程中，通過習題練習等，精心設計訓練環節，著重培養學生的綜合能力，如學習能力、動手能力、表達能力、交流能力、溝通能力等。通過學生完成作業或習題等提高對知識的掌握程度。在學習中發現問題，并應用知識解決問題。在課堂教學中引入系統思維和創造性思維的概念，培養學生的創新意識，通過科學的思維方式，引導學生解決抽象和復雜問題。

（三）人格養成

面對現在規模日益龐大的工程項目，除了扎實的專業知識外，工程倫理、團隊配合及工程管理日益成為工程能否順利實施的重要影響因素。在課程中，授課教師以專業的知識、精彩的授課內容感染學生、影響學生的同時，以理論知識和經驗結合構建專業知識框架，組成實踐訓練體系，讓學生體驗更為真實的工程環境，培養學生的團隊合作精神與責任心。

（四）考核方式

在考核方式上，改變了以往以試卷評價為主的單一形式，將綜合能力和人格養成作為評價的重要內容，建立多元化評價制度。采用平時訓練、專題設計結合的形式進行綜合評價，注重學生知識、能力、人格等方面的協調發展。

三、 教學內容與學時分配endprint

（一） 教學內容

教學內容包括概論、建橋的自然條件和功能要求、設計構思和總體設計、結構安全性驗證、橋梁概念設計實例以及習題練習6個方面。

（1）概論部分首先從橋梁的基本組成和分類，發展動態，概念設計目的、意義、基本原則以及創新理念的建立等角度進行綜合闡述。在學習開始之初即引導學生形成整體且較為全面的認識。

（2）建橋的自然條件和功能要求部分著重介紹河勢、水文、氣候氣象、地形地貌、地質水質等自然條件，并通過工程實例闡述如何分析、運用這些資料，使概念設計適合、滿足這些基礎條件。

概念設計階段，一方面，在理解、消化這些資料的基礎上抓住其核心控制要素和控制性條件，從而有助于學生形成整體的構思。另一方面，可以用于總體和關鍵構件的計算和分析，驗證和調整先前的構思和布置。

（3）設計構思和總體布置主要包括以下幾個方面：各種橋型的適用范圍和極限，橋式創新構思和分孔布局，橋梁平、縱、橫斷面設計，各種基礎形式的特點和適用條件，影響經濟指標的技術因素，橋梁美學設計以及橋梁設計方案的比選。

這部分內容中，各種橋型的基礎知識，無論適用范圍和極限，還是平、縱、橫斷面設計，都是整個課程的基礎。各種橋型有其發展歷史、受力特點以及適用性等，只有通過不斷學習、積累，才能保證學生對各類橋型有正確認識，在此基礎上進行創新。概念設計必須符合經濟性要求，經濟合理的創新才是真正有意義的創新。在之前了解各種橋型發展歷史、受力特點等基礎知識，學會用經濟的觀點進行概念設計和選擇。在上述基礎上，綜合考慮美學設計等方面，從而達到橋梁設計各方面的統一。

（4）結構安全性驗證包含從設計到施工直至管養全過程的安全性驗證。在設計階段，要求對橋梁承受的荷載種類、大小以及相應的重要力學驗算手段有較為宏觀全面的把握。

隨著社會經濟的高速發展，橋梁工程規模越來越大，系統功能也相應越來越復雜，因此，除了常規的荷載外，強風、地震、海嘯以及恐怖襲擊等對橋梁結構的影響成為必須重點關注的因素。

本部分的學習通過介紹各種災害對橋梁結構可能造成的損傷和破壞以及耐久性問題，使學生掌握橋梁結構抵抗各種災害設計和耐久性設計的基本原則、基本方法和有效手段，在概念設計階段預先準備結構防災和耐久性方案與措施。

（5）橋梁概念設計實例部分不同于上述的基礎知識介紹，采用課堂講授結合小組討論的方式。在對橋梁結構基礎知識初步了解的基礎上，結合具體的橋梁工程項目討論分析，從而更為直觀、深入地理解理論知識。

（6）習題練習與討論部分實現了整個學習環節的全過程閉合——從學習了解基礎知識到討論分析已有工程，最終完成設計工作。這一過程既是學習過程，在實際操作中發現知識掌握薄弱環節，在查漏補缺中完善對橋梁結構的認識，也是考核過程，通過在設計過程中展示實際方案，考量學生對課程的掌握程度和理解水平，相較于單純的考試，更能反映學生真實情況和水平。

（二）學時分配

針對大多數課程偏重理論學習、忽略設計訓練的弊端，課程將兩部分結合，學時分配如表1所示。

四、 教學實例與分析

概念設計習題：某橋由于不能滿足日益增長的交通功能需求，需拆除老橋，建新橋。原橋為飛鳥式拱橋，橋面為兩車道，要求新建橋梁與兩側道路同寬，雙向六車道，并設置人行道。新建橋除滿足通航要求外，還需具有優美造型，滿足城市景觀要求，是一座集交通與景觀功能于一體的城市景觀橋梁。

題目依據真實工程狀況設定，并提供了該橋梁的基本資料，包括項目概況、設計規范、規程和標準、主要技術標準、建設條件以及橋位信息等（圖1）。在給定上述實際條件的基礎上，要求學生完成概念設計。通過真實的橋梁建設實例進行模擬，有助于增強學生對工程實際的把握，對課程學習和未來職業生涯的開展都能提供較大幫助。

概念設計主要分為兩大階段，從不同方面檢驗了學生對概念設計全過程的理解。

1.概念設計比選階段

通過對技術指標和建設條件分析，運用基礎知識進行概念生成或方案構思，形成多種設計方案。在此基礎上，綜合“3E準則”——功效（Efficiency）、經濟（Economy）、美觀（Elegance），結合創新要求，進行概念選擇或方案比選，并形成推薦方案。

2.推薦方案介紹階段

推薦方案部分包括所設計方案的特點、施工方法、關鍵技術問題以及安全性認定四方面。要求學生從上述四方面入手，綜合闡述所選擇方案的整體特點和情況，完成概念設計。此外，要注重和先修主干課相聯系，學生根據所選橋型結構，結合專業基礎課程，如混凝土結構基本原理、鋼結構基本原理等，對所選橋型結構初步分析，并利用橋梁結構計算軟件，如橋梁博士、Midas Civil等進行初步模擬計算，驗證方案可行性和合理性，鍛煉學生的思辨能力，使其全面把握橋梁結構。

五、 結語

橋梁概念設計課程目的在于使學生了解橋梁概念設計的創新設計構思和總體布置方法，形成對橋梁結構宏觀、整體的把握。在概念設計中了解建橋條件和功能要求，開展設計構思和總體布置，將創新技術的認識提前到概念設計。加強對創新的激勵，使中國橋梁設計盡快克服不足，走出誤區，也使中國高校的橋梁工程教育盡早擺脫傳統教材和方法的束縛，跟上國際工程教育改革的步伐，培養專業技術過硬的卓越工程師。

參考文獻：

[1]孫斌，許駿，肖汝誠.本科生《橋梁結構計算》的教與學[J].教育教學論壇，2013（18）：65-67.

[2]肖汝誠.橋梁結構體系[M].北京：人民交通出版社，2013.

[3]肖汝誠，楊名冠.本科生《橋梁概念設計基礎》的教與學[J].教育教學論壇，2012（34）：147-151.

[4]邵旭東.橋梁工程[M].4版.北京：人民交通出版社，2016.

[5]項海帆.橋梁概念設計[M].北京：人民交通出版社，2011.

Abstract：With the development of civil engineering industry， cultivating excellent engineers with comprehensive abilities is an important trend and direction. Currently， universities mostly focus on specialized curriculum， but lack overall grasp of design concept. For this purpose， Tongji University offers bridge conceptual design course for undergraduate students. This paper introduced the teaching characteristics and ideas of bridge conceptual design. Teaching strategy and content are also illustrated. Moreover， analysis of professional quality improvement for the students provides a reference for teaching effect.

Keywords： bridge engineering； design concept； concept generalization； curriculum reform

（編輯 周 沫）endprint