高層建筑結構設計教學改革探索

□王 敏

近年來，隨著我國經濟的高速發展，城市化水平逐年提高，城市人口快速增多，高層建筑的建設在民用建筑建設量中占相當大的比重。土木工程專業本科生畢業后，其中很多人在其職業生涯中會不同程度地介入高層建筑建設的策劃、設計、施工或監理等領域的工作，這就要求他們對高層建筑結構設計有一個系統而深入的認識。為此，各高校土木工程專業都將《高層建筑結構設計》設為主干課程，甚至是核心課程。在學校，該課程為土木工程專業的專業技術必修課程，是結構設計類系列課程的主要課程，開設在第6學期，前導課程有《結構力學》《鋼筋混凝土結構設計原理》和《鋼筋混凝土結構與砌體結構設計》等，同學期開設的有《建筑結構抗震設計》等，后續課程有《PKPM輔助設計》等。該課程共32學時，其中理論課24學時，實踐課8學時，共2學分。

一、課程特點和存在的問題

高等學校土木工程專業指導委員會規定[1]，本課程的任務是使學生掌握高層建筑結構的結構體系布置、結構內力計算、抗震設計基本概念和構造措施等內容，并能運用相關結構設計規范進行結構設計和分析。由此可知，本課程具有以下幾個特點。

(一)理論性強。本課程中有關框架、剪力墻、框架-剪力墻結構的近似計算方法以及風荷載的計算等內容的理論性很強，學生學習過程中會覺得有難度且枯燥。因此，教師上課難度較大，為了確保教學效果，一方面要帶著學生努力梳理知識脈絡，另一方面也要積極調動學生的聽課積極性。

(二)綜合性強。在學生學習《鋼筋混凝土結構與砌體結構設計》這門課程之前，學生對于土木工程專業的知識學習都處于構件層次，其理論相對簡單。從《鋼筋混凝土結構與砌體結構設計》開始，學生的專業知識學習從原來的構件層次上升為結構層次，而本課程則在該課程的基礎上進一步提升層次，涉及幾種結構體系，知識體系跨度大，概念繁多，計算公式也多，要求學生將課程內容吸收后內化為對各種結構體系的感性認識。但是，這種感性認識形成需要訓練。

(三)個別知識點與其他課程重復。本課程與其他課程重復的知識點主要包括兩個方面。一方面，本課程中涉及框架的內力計算方法，包括豎向荷載作用下的計算方法(分層力矩分配法)、水平荷載作用下的水平荷載作用下的計算方法(D值法和反彎點法)，都在《鋼筋混凝土結構與砌體結構設計》這門課程進行了詳細地講解。另一方面，本課程中地震作用的計算也是《建筑結構抗震設計》課程中的重點內容。

(四)課程內容與規范深入相關。本課程旨在教授學生高層建筑結構設計，而結構設計除了要準確計算結構內力，還要符合相關規范[2～5]的規定。因此，本課程的很多內容涉及到規范條文，如房屋建筑的最大適用高度和高寬比、規則性、樓層最小地震剪力系數、樓層地震剪力調整、結構變形驗算、抗震等級和構造措施等[6]。眾所周知，規范內容相對枯燥，如果教師單就規范內容進行講解，學生很難理解這些規范條文的應用情況和深意。如此一來，規范條文對于學生來說，僅僅就只是紙上的、空洞的文字或符號，考試結束后即會忘記，難以在其今后的職業生涯中發揮專業指導作用。

(五)學時偏少。鑒于本課程的上述理論性強、綜合性強和與規范深入相關等特點，可想而知，若要學生較好地掌握本課程的教學內容，32學時相對偏少，學生的學習強度和難度較大。

二、改革后的教學模式

本課程是土木工程專業本科生在畢業前的最后一個環節——畢業設計的重要理論基礎。因此，學生對本課程教學內容的掌握情況關乎學生畢業設計的質量。為了確保畢業設計的順利進行，應積極促進學生對本課程的學習積極性和應用水平，建議采取如下幾項措施。

(一)精簡課程內容，突出重點。在開課前，做好授課計劃的整體設計。在滿足教學大綱的前提下，篩分出本課程中一些在先修課程中系統學習過的知識點，如分層力矩分配法、D值法和反彎點法、地震作用的計算等，在授課計劃中對這些重復內容進行淡化。同時，梳理出本課程中的重點內容，如風荷載的計算、延性設計概念及其實現方式等。在授課過程中，由于新舊知識的銜接和邏輯性需要，不可避免地要提及上述重復知識，此時需把握好分寸，時刻關注根據學生的課堂表現，只要學生對已學的先修知識掌握程度足夠，就不再對那些知識過多講解，并及時過渡到本課程的新內容，以便突出本課程的重點內容。

(二)案例教學。設計案例，通過案例教學，訓練學生的感性認識，培養學生的綜合工程能力。例如，概念設計是本課程的重點內容，由于其自身的抽象性和高度概括性，如果不結合工程實例而僅就教材和規范條文進行講解，學生很難理解概念設計的重要性和實際應用價值，那么就很難達成該內容的教學目標。但是，如果將這些概念設計的抽象內容融入具體的工程實例，讓這些工程實例成為概念設計植根的“土壤”，那么概念設計就會在這些“土壤”中生根、發芽、生長，學生就可以獲得關于概念設計的感性認識，從而形成綜合性的實際工程能力。

案例教學可以拆分成以下步驟，逐步實現。第一步，由授課教師結合工程實例講解概念設計的相關內容。注意，此時已經引入工程實例，并不是教材或規范條文的枯燥講授。第二步，由授課教師設計工程案例，由學生分組討論，用概念設計的知識對該工程案例的整體工作性能進行預判，并以組為單位陳述各組的看法。這一過程就是學生自主學習的過程，將第一步中教師的教學內容消化、吸收，內化為自己的工程能力。第三步，各組對其他各組的預判結果進行點評，提出肯定或質疑。該步驟的主要目的是希望各組之間互相啟發，并補充認識。第四步，如果各組認為有必要修正本組看法，可以對本組的看法提出修正，重新發布本組看法。這一主動修正認識的過程，就是學生自主學習的深化過程。第五步，由授課教師對各組的看法分別進行點評，并根據概念設計的各知識點評價該工程案例的工作性能。

顯然，傳統的“填鴨式”教學模式只能完成上述五個步驟中的第一步，而這一“案例式”教學模式則讓學生在上述五個步驟中不斷修正、深化自己的認識，逐步形成感性認識，最終形成綜合工程能力。而且，“案例式”教學過程中，課程氣氛活躍，學生的課堂參與程度高，不難預見其教學效果會明顯提高。

(三)以PKPM程序為平臺進行實踐教學。通過上一步的案例教學，學生已經可以較好地掌握結構布置的基本原則，但仍止步于紙上談兵。另外，對于一些其他設計要求、設計參數或知識點，如抗震設防類別、抗震等級、重力二階效應、變形驗算等設計要求或設計參數，又如不同結構體系的性能特點和對風荷載或地震作用的敏感程度等知識點，學生只有通過親身實踐才能獲得相對深刻的感性認識。為此，以PKPM程序為平臺，讓學生在該平臺進行實踐教學。

例如，可設計如下實踐教學。第一步，由教師引導學生在PKPM程序中建立框架結構、剪力墻結構和框架-剪力墻結構各一個，并分別進行結構的內力分析。學生在進行結構布置時，必然將再次用到案例教學中結構布置的相關知識。結構布置完成后，學生需要選定設計參數，如抗震設防烈度、抗震等級、風荷載等，在此過程中可將這些本來僅存在于教材或規范上的、枯燥的規范條文在實踐教學中具體化，讓學生在實際操作中體會到這些規范條文的具體用途。第二步，結構內力分析結束后，引導學生在內力分析結果中查看有關變形驗算、重力二級效應、樓層最小地震剪力系數、軸壓比等參數的計算結果，讓學生在實際算例中理解并強化這些規范條文的實際用途和意義。第三步，可以讓學生就三種不同結構體系的受力特性進行對比，分析不同結構體系受力特征的差異以及它們對風荷載或地震作用的敏感性的差異。規范對這三種結構體系的最大適用高度的規定有明顯差異，學生在上述案例教學中已經了解這一點，但并不能深刻理解其中的內在原因。在本實踐教學環節中，教師可引導學生根據內力分析結果顯示的三種結構體系受力特征的差異，理解該規范條文的內在原因，深化學生的認識。

通過這一實踐教學環節，可以促使學生進一步掌握不同結構體系的結構布置原則，加強學生對不同結構體系受力特征和抗震性能的感性認識，從而深化學生對規范的理解，并將其內化為學生的綜合工程能力。另外，該實踐教學環節可為畢業設計的順利、高質完成打下堅實的基礎。

(四)協同備課，合理安排學時，必要時增加學時。從上面的實踐教學可知，要實現該實踐教學，要在PKPM程序里花費不少學時。本課程總共32學時，其中理論24學時，實踐8學時。顯然，8學時的實踐教學學時無法滿足上述案例教學和實踐教學的需要。而本課程是土木工程專業的高階課程，課程內容的理論性和綜合性強，壓縮僅有24學時的理論學時的可能性很小。為了不顯著增加學時，建議將本課程和PKPM課程協同備課，將本課程的一部分實踐教學植入PKPM課程中。具體而言，就是要求學生在PKPM課程中完成本課程的實踐教學中結構模型的建立和內力分析，而在本課程中對模型的內力分析結果進行判斷。

可想而知，要實現這一想法，需要滿足以下條件。第一，這兩門課程需開設在同一學期。第二，這兩門課程教學內容的銜接需經過精妙設計。本課程實踐教學開始時，PKPM的基本操作流程應該已經在該課程中講授和初步操作完畢，接下來完整系統性地建模分析可直接借用本課程的實踐教學內容。也就是說，將本課程以PKPM為平臺的實踐教學在PKPM課程中完成，同時作為PKPM課程的軟件實際操作教學內容。第三，在兩門課程最終考核時可按不同權重分別考慮學生在這一實踐教學中的表現。

(五)調整考核方式，優化考核效果。顯然，從上述改革后的教學模式來看，其更加注重學生對于知識的應用能力。這種應用能力就體現在每個學生在案例教學和實踐教學中表現。每個學生表現的差異就體現了其對于知識掌握程度的差異。學以致用是教學的最大目的，因此在本課程的綜合性考核中應考慮學生在案例教學和實踐教學中的表現，且比重宜適當，不宜過小。

三、結語

《高層建筑結構設計》是土木工程專業本科階段的高階課程，有著較強的理論性和綜合性。一方面，該課程對學生的畢業設計起著重要作用；另一方面，該課程對學生今后可能從事高層建筑建設的策劃、設計、施工或監理等領域的工作時有著重要指導作用。為了讓學生較好地掌握該課程的內容，可在教學內容、教學方式和考核方式做出一系列探索性改革，培養學生的綜合工程能力，實現應用型人才的培養目標。