建筑結構概念設計課程教學案例庫建設與案例教學實踐

胡波

摘要：針對建筑結構概念設計課程教學過程中存在的知識點之間缺少聯系、學生結構概念運用能力不足、忽視建筑結構技術創新等問題，通過教學案例庫建設與案例教學實踐，對建筑結構概念設計課程教學改革作了一些有益的嘗試。教學案例庫中的工程設計案例和工程事故案例與各章節中提煉的知識重點和難點相對應。在理論教學過程中穿插案例教學，建立了教學內容之間形象的聯系，建立了理論教學與工程實踐之間的聯系，把握了新型建筑結構發展的動態。

關鍵詞：建筑結構概念設計；教學案例庫；案例教學

中圖分類號：G6420；TU318文獻標志碼：A文章編號：10052909（2018）03008204建筑結構概念設計作為一門土木工程專業課程，其課程任務是通過介紹建筑結構概念設計的概念、原則和思路，使學生對建筑結構設計的基本知識、基本理論和基本實踐有所掌握，熟悉結構設計方案中的基本力學概念、簡化分析計算方法、建筑空間形式與結構性能協調關系。為更好完成課程教學任務，有必要研究合適的建筑結構概念設計課程教學方法。

案例教學是在教師指導下，學生對案例分析、研究和討論，對問題做出判斷和決策，從而提高思考問題、分析問題和解決問題能力的一種教學活動程[1]。案例教學因具備生動性、趣味性和應用性等特點深受學生喜愛，學生通過案例分析可以很好地理解和消化所學理論。授課教師在課堂教學中適當地引入案例教學可形象高效地完成教學目標和課程任務。目前，案例教學已在鋼結構、建筑施工和地基與基礎工程等土木工程專業課程教學中得到應用[2-4]。文章從建筑結構概念設計課程教學中存在的問題出發，通過教學案例庫建設與案例教學實踐，對建筑結構概念設計課程教學改革進行研究。

一、建筑結構概念設計課程教學中存在的問題

筆者所在的合肥工業大學土木與水利工程學院于2014年開設建筑結構概念設計課程。在課程教學初期，發現建筑結構概念設計課程在教學過程中存在以下問題。

（一）教學內容涵蓋面廣，知識點之間缺少形象的聯系

建筑結構概念設計課程涉及結構力學、高層建筑結構設計、工程結構抗震、鋼結構基本原理、混凝土結構基本原理等相關專業課知識，教學內容涵蓋面較大，各章節中的知識點較多，經常需要通過對比教學的方式使學生理解和掌握知識要點。如，講解結構體系選擇原則時，需要對比框架結構、剪力墻結構和框架-剪力墻結構等結構體系在水平地震作用下的受力特點與破壞模式來說明各結構體系的優缺點。如果知識點之間的對比僅限于理論講解，而缺少相應的震害案例分析，則不夠形象具體，學生對教學內容的理解和掌握程度也會大打折扣。

（二）學生結構概念掌握較好，但創造性運用能力不足

在建筑結構概念設計課程講授之前，土木工程專業學生通常已對結構力學、鋼結構基本原理、混凝土結構基本原理等專業課程進行了專門系統的學習。學生普遍對均布荷載下簡支梁受力分析、鋼結構鉸接節點與剛接節點的受力特征、混凝土柱在偏壓下的破壞模式等結構概念掌握較好。然而，當課堂上針對某一實際工程結構作力學分析時，學生卻往往難以入手。他們不能確定該結構的邊界約束屬于理論教學中的哪種約束，需要考慮哪些學過的荷載作用。這一方面說明學生理論聯系實際的能力還有待提高，另一方面也說明理論教學過程中引入工程案例分析的必要性。

（三）忽視新型建筑結構的技術創新引領作用

建筑結構歷經從單一材料結構到多種材料組合結構、從單一結構體系到混合結構體系的發展過程。每一次的發展，都伴隨著技術與理念的創新。新型建筑結構，往往體現了當代最新的工程技術與設計理念。如，2015年建成的上海中心采用了框架-核心筒-伸臂桁架結構體系，正在修建的港珠澳大橋采用了“大型化、工廠化、標準化、裝配化”的設計理念。建筑結構概念設計課程教學既需要傳承經典建筑結構對未來設計的啟示，也需要講授新型建筑結構的技術革新。通過新型建筑結構的案例解析，可讓學生開拓視野，更好地把握建筑結構發展的脈搏。

二、建筑結構概念設計課程教學案例庫建設

針對上述課程教學過程中存在的問題，將建筑結構概念設計課程4個章節中的知識重點和難點提煉出來，以服務教學和培養學生應用能力為原則，查找了相應的工程設計案例和工程事故案例，建立了如表1所示的教學案例庫，為開展案例教學實踐提供了案例支撐。表1建筑結構概念設計課程教學案例示例課程章節知識重點知識難點工程案例示例多高層建筑結構概念設計結構體系選擇原則各結構體系特點與破壞模式上海中心結構體系與受力分析結構平面布置原則結構平面剛度不均勻及雙向剛度相差較大引起的震害后果尼加拉瓜馬拉瓜地震下中央銀行與美洲銀行的兩極表現結構豎向布置原則結構豎向剛度不均勻及頂部剛度突變引起的震害后果美國圣菲南多地震中橄欖景醫院破壞機理建筑鋼結構概念設計鋼結構材料選用鋼材分類及選用時應考慮的因素某工業廠房生產車間鋼材沖擊韌性指標設計鋼結構設計荷載風荷載下結構內力變化及不均勻雪荷載對內力分布的影響某雙坡門式剛架結構抗風雪荷載設計鋼結構節點設計計算單元、制作單元、運輸單元及安裝單元的劃分某鋼框架結構柱現場拼接點布設方案大跨度房屋結構概念設計拱式結構拱結構的受力特點黑山塔拉河谷大橋爆破網殼結構支座類型對溫度應力的影響某周邊支承空間網殼結構底邊鋼圈梁溫度應力比超限的解決方案懸索結構拉索水平力傳遞方式與穩定性廣州國際會展中心張弦立體桁架屋蓋結構設計膜結構施工中膜與鋼索的內力控制某膜結構施工全過程演示建筑結構抗火與抗爆概念設計高溫下建筑材料表現高溫下材料強度退化紐約世貿中心倒塌機理結構構件耐火極限耐火極限的判別準則湖南省衡陽市衡州大廈特大火災坍塌事故分析材料應變率效應沖擊荷載下材料的強度變化泰坦尼克號撞冰沉沒原因結構魯棒性結構傳力途徑的多樣選擇英國羅蘭角公寓樓坍塌事故分析三、建筑結構概念設計課程案例教學實踐

將教學案例庫中的工程設計案例和工程事故案例穿插到各章節的理論教學中，從以下3個方面入手，開展建筑結構概念設計課程案例分析教學實踐。

（一）通過案例對比分析，建立教學內容之間形象的聯系

對建筑結構概念設計課程教學內容中相關聯的知識點，通過案例對比教學，讓學生形象地理解和掌握教學內容。例如：通過對比尼加拉瓜馬拉瓜地震下中央銀行與美洲銀行的兩極表現，可以讓學生更好地理解結構平面剛度均勻布置的重要性以及不均勻布置引發的嚴重震害后果。通過對比某鋼框架結構柱現場拼接點兩種不同的布設方案，讓學生深刻認識到鋼結構計算單元和安裝單元的劃分在實際工程中需要考慮內力分布和焊接質量等因素的共同影響。

（二）理論教學結合案例分析，建立理論教學與工程實踐之間的聯系

將工程案例分析引入建筑結構概念設計課程理論教學環節中，在理論教學的同時培養學生創造性運用專業知識的能力。例如：在講解拱結構受力特點時，以黑山塔拉河谷大橋一個橋墩爆破致連續拱橋坍塌為例，說明拱結構對支座的水平推力不可忽視，進而介紹實際工程中解決水平推力的幾種方法。在分析爆炸荷載下結構的魯棒性時，以英國羅蘭角公寓燃氣爆炸致局部坍塌為例，說明構件之間可靠的連接可使受災結構的傳力途徑多樣化，導致結構局部失效不致造成大范圍破壞。

（三）引入新型建筑結構案例分析，及時把握建筑結構發展動態

通過分析新型建筑結構所采用的工程技術與設計理念，使學生及時把握建筑結構發展的最新動態。例如：對上海中心巨型框架-核心筒-伸臂桁架結構體系的講解，讓學生了解這一新型結構體系的受力特點，結合之前對各傳統結構體系的介紹，讓學生清楚勾勒出高層建筑結構體系的發展脈絡。對廣州國際會展中心張弦立體桁架屋蓋結構的受力分析，讓學生認識到這一新型張弦梁結構在自平衡索的拉力和增加結構跨度方面的技術優勢。

在案例教學過程中，首先對案例中的實際工程背景作簡要介紹，激發學生的學習興趣，再將案例中涉及課程知識點的關鍵問題提出來，引發學生對問題的思考，調動學生學習的主動性和積極性，然后通過課堂討論等形式讓學生發表自己對問題的看法。在互動討論過程中，引導學生根據所學的專業知識尋找解決實際問題的方法。通過對案例中問題的分析與講解，加深學生對課程知識點的理解和掌握。對學生而言，整個案例教學過程不僅是專業理論知識的學習過程，更是應用能力和工程視野培養和提升的過程。同時，針對案例教學過程中教學效果的反饋，教師可及時對教學課件和教學實踐進行反思和完善，有助于教學水平的不斷提高，教師和學生在教學實踐中相互促進，教學相長。

四、結語

文章針對建筑結構概念設計課程教學中存在的問題，通過教學案例庫建設與案例教學實踐，對建筑結構概念設計課程教學改革作了一些有益的嘗試，使學生形象地理解和掌握課程教學內容，培養學生創造性運用建筑結構專業知識的能力，使學生及時了解建筑結構發展的最新動態。

參考文獻：

[1]郭俊輝， 曹旭華，王富忠. 案例教學效果的最優模型探索[J]. 高等工程教育研究，2010（3）： 140-144.

[2]宋高麗.以案例為主線的鋼結構課程一體化教學改革研究與實踐[J]. 高等建筑教育，2016， 25（3）： 68-71.

[3]王文靜， 郭樹榮. 基于案例的建筑施工課程教材改革研究[J]. 高等建筑教育，2016， 25（1）： 124-126.

[4]王博， 劉志強， 梁恒昌. 地基與基礎工程課程案例式教學改革探討[J]. 高等建筑教育，2016， 25（4）： 86-89.