木結構暑期境外教學實踐與探索

黃浩宇 姚振瑀 張紋韶

摘要：中國木結構發展迅速，但木結構教學相較國外仍有較大差距，中國土木工程專業學生在木結構設計和分析能力方面亟待提高。與國外高校合作、組織中國學生赴境外接受木結構學習，可借助國外先進的木結構教學體系，為學生提供豐富的實踐資源與學習體驗。文章首先介紹木結構境外教學的主要內容和教學手段，通過境外學習學生反饋表明，學生木結構設計能力顯著提高，專業實踐能力得到拓展，學術英語表達能力得以提升，總之，學生學習效果良好。其次，從英文教學、實踐教學、前后期教學等方面進行思考，提出相應的改革措施，為探索未來木結構境外教學模式指明方向。

關鍵詞：木結構;境外教學;實踐教學

中圖分類號：G642 ? 文獻標志碼：A ? 文章編號：1005-2909（2020）04-0122-09

中國近現代以鋼材和混凝土為主導的建筑業消耗了大量能源，并排放了大量的二氧化碳，對生態環境造成不可估量的損失，因此，近年來，節能、生態環保、高性能、低成本的綠色木質建材和木結構建筑逐漸受到行業的關注。木材是一種可再生、可多次循環利用的天然資源，具有保溫、隔熱和節能等特性，可有效降低建筑施工中碳的排放。同時，木材還具有良好的韌性、耐久性、靈活性和舒適性等特點。隨著國際現代木結構建筑技術快速發展，利用現代技術處理后的木材可以為人類提供理想的生活、工作和居住環境，并為可持續發展貢獻力量[1， 2]。現代木材深加工技術已成功應用于木材加工業，在歐洲與北美，正交膠合木材（Cross Laminated Timer， CLT）發展迅速，強度可替代傳統建筑材料，有利于多、高層木結構建筑的開發;2009年，英國建筑工程師Andrew Waugh采用CLT 板在倫敦建造了一棟9層高木結構建筑Stadthaus Building[3];2015年加拿大UBC大學組織建造了一棟18層CLT木結構學生公寓樓;英國、美國、加拿大、瑞士等國家正在研發設計30 層及以上的CLT高層建筑[3];美國Perkin Will事務所正在設計38層的CLT建筑。木材作為多、高層建筑的主要材料之一，可實現環保、低碳、宜居等綠色生態城市建設目標。

中國倡導使用環保、節能、經濟和綠色建筑建材， 2014年城鄉和住房建設部發布了《綠色建筑評價標準（GB-T50378-2014）》，旨在大力推動低能耗建材的使用;2015年8月，工信部與住建部發布《促進綠色建材生產和應用行動方案》，要求大力發展生物質建材、木結構和竹結構建筑;2016年2月，《中共中央國務院關于進一步加強城市規劃建設管理工作的若干意見》指出：在具備條件的地方倡導發展現代木結構建筑。中國相關木結構規范正在逐漸完善，木結構建設工程開始逐步推進，為多、高層現代木結構建筑的發展與復蘇創造了有利條件。

中國木結構建筑發展前景良好，對木結構人才需求旺盛，然而，木結構建筑教學較國外差距較大。在課程設置、課時量和教學人員等方面存在不足[4]，不利于木結構發展所需的人才供給。Richard Harris和Wen-Shao Chang報道了英國巴斯大學的木結構教學體系[5]，木結構課程約占巴斯大學土木工程本科生課程的15%，理論學習涵蓋了木材材料特性、構件設計、節點設計、工程木材和壽命設計等關鍵知識點。學生除課堂知識學習外，還須參加課程設計、網絡學習、業界實習、工地參觀等環節，完成課程學習后，可全面掌握木結構設計相關技能，并且擁有較強實踐操作能力。而中國目前開設木結構課程的高校較少，主要有哈爾濱工業大學、同濟大學、南京工業大學和南京林業大學，且一般為選修課，約20課時。這種課程設置無法使學生深入掌握木結構設計和分析方法，將導致學生木結構設計能力薄弱[4]。同時，高校從事木結構專業研究人員較少，如由其他研究方向教師主講木結構課程，將導致學生掌握的理論知識較少。

學生缺乏相關木結構知識，對工程木材如CLT、LVL等所知較少，對木材的力學特性、防火特性和環保特性的理解存在誤區。木結構人才短板對木結構發展產生較大影響。

英國木結構建筑發展較快，英國建筑工程師Andrew Waugh設計了全球第一棟高層木結構Stadthaus Building，隨后建成CURTAIN PLACE、6 ORSMAN ROAD等大型現代木結構建筑。英國已形成較成熟的木結構產業，且木結構研究位居世界先進水平。英國高校的木結構教育較完善，理論與實踐相結合，培養了大量木結構專業人才。中國高校與國外高校合作是提升木結構教學的有效途徑，可使中國學生更快速地接觸國外優勢課程資源[6]。文章介紹木結構教學的一次新嘗試：由北京工業大學與英國謝菲爾德大學合作，組織國內學生暑期到英國參加木結構課程學習。北京工業大學土木工程專業本科學生在暑假期間前往英國學習木結構理論知識、參加木結構課程設計、參加建筑事務所座談、參觀木結構建筑，提升學生木結構認知水平，培養學生木結構專業興趣，開拓學生專業視野，彌補木結構理論前沿知識的不足。

一、課程設置內容

為開拓國內學生對木結構建筑的認知，圖1 學生境外學習前木結構知識掌握水平調查提升學生木結構設計與分析能力，北京工業大學與英國謝菲爾德大學合作，在英國舉辦為期10天的暑期交流學習項目，授課對象為18名北京工業大學土木工程專業茅以升實驗班本科大二學生。學生處于專業課學習的前期，對開拓學生國際化視野、加深專業認知、提高專業學習興趣、激發創新發展理念等具有積極的作用。茅以升班為北京工業大學土木工程特色實驗班，國際化與前沿科技教學是茅以升班的教學特色，學生的英文能力較強，可適應英文教學模式。從實驗班開始推動木結構教學，嘗試境外教學模式，再整體上推廣木結構教學，對改善中國木結構教學現狀具有示范意義。對參加項目的11名學生進行問卷調查，結果如圖1所示，在參加境外學習前，學生的木結構知識掌握水平較低，81.81%的學生擁有少或較少的木結構知識，學生木結構知識的欠缺將對中國木結構的發展造成巨大的阻礙，國內高校迫切需要開展木結構教學。項目的教學目的是提升學生木結構的認知水平，培養學生木結構設計和分析基本能力，使學生了解木結構工程與科研的最新進展。此次境外學習項目設置木結構設計理論授課、木結構課程設計、設計事務所座談及木結構建筑參觀等環節，涵蓋了從木材特性到建筑成型的完整鏈條。使學生能在短時間內接觸木結構教學的整個關鍵環節，理論與實踐相結合，充分利用了英國當地資源帶給學生豐富的學習體驗，是木結構教學的探索性嘗試。

（一）理論授課環節

理論授課環節由Richard Harris教授與Wen-Shao Chang教授講授（圖2），他們將英國大二學生的木結構設計課程進行了壓縮與刪減，形成了兩天的精華課程。Richard Harris教授與Wen-Shao Chang教授團隊的木結構研究全球領先。同時，兩位教授擔任英國木結構規范標準委員會委員，擁有豐富的木結構設計工程實踐經驗，其授課帶給學生多層次的學習體驗。理論授課環節分為兩大部分，第一部分為認知概論課程，教師以通俗的語言講授木結構的發展歷史、環保優勢、力學特性以及結構工程應用前景，旨在使學生掌握木結構基本概念，向學生傳遞木結構的建造優勢。第二部分為木結構設計教學，見表1，教學內容涵蓋了木結構設計基礎、木構件設計、木節點設計與長壽命設計。因中國與英國木結構設計規范存在差異，教師增加了中英規范對比授課環節，同時，講授如何使用中國規范（GB50005-2003）和歐洲規范（Eurocode-5）進行木結構設計。現今，木材深加工工藝發展迅速，大量工程木材料在木結構中應用，授課教師講解了膠合層積材（Glulam）、膠合板（Plywood）、單板層積材（Laminated Veneer Lumber）、定向刨花板（Oriented Strand Board）、正交膠合木（Cross Laminated Timber）的性質，并結合英國已建項目，對比不同工程木的應用特點，使學生能夠緊跟前沿，掌握最新的行業訊息。木構件設計中有大量的數學計算，授課教師結合不同的工程算例一一講解計算公式，并隨堂練習，使學生能夠熟練掌握木結構構件的基本設計方法。

大部分學生對木結構的抗火與耐久性存在著較大誤解，木結構長壽命設計是授課教師重點講授內容。

事實上，木結構具有較高的耐火極限，當周圍溫度達到300 ℃時，木材會在表面形成碳化層，可有效保護木結構;并且，可根據木材的碳化時間預估木材的耐火極限，以此保證木結構的安全性[4]。授課教師通過照片和錄像向學生展示木材燃燒情況，激發學生的求知欲，建立木結構抗火與耐久性知識體系。通過授課環節學習，學生對木結構建筑有了新的理解，對土木工程專業的最新進展有更深刻體會，加深了對木結構建造方法的學習興趣。

（二）課程設計環節

項目共有兩項課程設計任務。

（1）第一項課程設計為“華夫格結構課程設計”。要求學生應用RHINO- Grasshopper軟件設計并搭建華夫格結構，通過以結構載荷能力作為考核要求。此課程設計的教學目的：①學習RHINO- Grasshopper軟件、計算機輔助軟件進行木結構設計;②培養學生的結構分析能力，確保最大結構承載能力。學生們分3個小組進行作業，通過RHINO- Grasshopper軟件建模（圖3（a）），并進行激光切割（圖3（b）），最終組裝成華夫格結構（圖3（c））。隨后，教師對3個華夫格模型進行加載，評選出承載力最大的華夫格結構，并向獲勝組同學頒獎（圖3（d））。

（2）第二項課程設計為“木質橋梁結構課程設計”。教師向學生提供有限的等粗木棍和必要的木工工具，要求學生使用木棍設計并搭建橋梁結構，不允許使用任何連接件，僅靠木棍之間搭接進行結構支撐，以達到規定的橋梁跨度和高度，并以此作為考核要求。課程設計的教學目的：①培養學生的結構分析能力，包括結構的整體布置、構件尺寸選取、受力分析與穩定性計算。②鍛煉學生對于木節點的認知和應用能力，允許學生查閱相關文獻資料選取合適的木節點，節點選取過程可加深學生對木結構節點設計的理解。③陪養學生基本的木工加工能力，課程設計過程中，學生需要使用木工鋸、羊角錘、扳手等工具進行切割木材以及加工構件和節點。④通過團隊合作，培養木結構設計興趣。圖4（a）為屏南木拱廊橋，學生通過查閱資料，從屏南木拱廊橋的搭接方法中獲得靈感。圖4（b）為學生搭建的木質橋梁模型，學生木棍的端部進行切割，使之呈扁平狀，增加了搭接的穩定性。

設計完成后，小組代表對設計進行英文匯報，以多媒體幻燈片的形式報告設計思路、設計方法、設計成果和思考（圖5（a））。教師對學生設計的作品進行點評，并提出改進方法（圖5（b））。最后，教師做出總結性評價。在課程設計環節中，學生動手參與木結構設計、計算機建模、結構分析、切割加工與組裝等環節，理論知識與實際操作相結合，對木結構建筑有更深刻的理解，對木材建筑材料的使用有了新的概念。

（三）建筑事務所座談環節

為讓學生能夠更快地把握行業前沿和理解學科應用，除課堂內授課外，還組織學生參與建筑事務所座談。

學生前往倫敦Waugh Thistleton建筑設計事務所與事務所創始人、全球第一棟高層木結構Stadthaus Building設計者Andrew Waugh進行座談。首先，Andrew Waugh介紹事務所的基本情況，隨后為座談學生做了關于高層木結構設計與建造的報告。報告主要內容包括：全球氣候變暖與建筑低碳設計、全球第一棟高層木結構Stadthaus Building的基本概況與設計思路、Waugh Thistleton建筑設計事務所已建高層木結構項目縱覽及未來木結構建筑的思考等。通過建筑事務所座談，學生對木結構建筑的設計、施工以及管理有了深刻理解。在與建筑工程師研討環節中，學生可以了解英國建筑設計流程，比較國外行業規范與國內的異同，通過與英國工程師密切交流，開拓專業視野，培養了專業能力，并與英國工程專業領域專家建立了聯系。

（四）木結構建筑參觀環節

英國有大量木結構建筑案例，學生在英國可以近距離觀察木結構的結構形式、結構布置方法和細部構造處理方法，實地考察可幫助學生高效率領會理論知識。組織學生參觀謝菲爾德的Winter Garden、The Moor Market，以及倫敦的Stadthaus Building、Timber Building on Whitmore Road、6 Orsman Road等代表性木結構建筑。Winter Garden由75 m長的膠合層積材框架建造，是使用現代工程木材料建造的大跨度穹頂結構代表作（圖7）。Stadthaus Building和Timber Building on Whitmore Road（圖8）是典型的正交膠合木（CLT）結構建筑代表作。通過教師現場講解CLT結構的性能、優勢和發展前景，學生能夠深刻體會CLT材料所能發揮的力學性能和CLT未來應用前景。學生實地考察現代木結構建筑是境外教學的優勢之一，英國擁有大量的木結構建筑，可充分拓展學生視野，增強學生學習興趣。

二、境外木結構教學的成果與思考

暑期境外教學是木結構教學的一次探索，為學生提供了豐富的木結構學習資源。境外學習后，對參加項目的11位同學進行調查問卷，如圖9所示，對學生回國后木結構知識掌握水平進行評定，評定方式為學生自評，評價標準為：木材材料特性的理解程度、木結構構件與節點設計方法的掌握程度、木結構防火與耐久性設計的了解程度;木結構施工方法的了解程度及RHINO- Grasshopper軟件的掌握程度。學生結合自評標準按照“較多”、“多”、“中等”、“少”、“較少”對木結構知識掌握水平進行自評。

知識掌握水平調查調查結果表明，45%的學生木結構知識掌握達到多或者較多水平，55%學生木結構知識達到中等水平，對木結構知識了解較少的學生數量已降為0%，較出國前學生木結構知識水平有了顯著提升。經收集學生對境外學習評價（見表2），可以發現，學生通過境外學習掌握大量木結構知識，對木結構建筑有了新的認識，達到基本教學目的;同時，學生對英文教學和實踐教學做出積極評價，可以看出，英文教學和理論與實踐相結合的教學方式是項目的特色，但英文教學也帶來了教學上的挑戰，需要深入思考。表2中，一部分學生認為課時過短，課程過密，這是境外學習局限性，在未來的課程設置中需要進一步思考與改進。

（一）英文教學

在境外教學中，課件、資料、授課與座談均使用英語，英文教學是境外教學的特色之一。英文教學有助于學生提升專業英語能力，方便學生與外國專家學者交流，也有助于學生查閱英文資料和文獻。學生可借助理論授課與課程設計的機會，提高英文表達能力，也可提高使用英文進行學術報告、學術寫作和學術探討能力。

英文教學也是項目遇到的挑戰之一，據現場調查顯示，大部分學生在境外學習時因專業英語知識不足遇到一定困難，如“buckling”、“creeping”等較難專業詞匯，學生無法理解，需要中方教師進行實時翻譯。在境外教學中，如中方教師需要跟班授課，對課程的有序進行帶來困難。在今后的境外學習項目中，中方教師應提前半年布置專業英語學習任務，并列出必要的專業英語詞匯表，方便學生在出國前完成專業英語學習，有助于學生快速適應英文教學。學生學習專業英語不僅有益于出境學習項目，還有助于學生出國深造繼續學業和未來就業。

（二）理論與實踐相結合

國內木結構教學往往僅有理論授課環節，較少有課程設計、設計事務所座談與建筑參觀等環節。國內現代木結構建筑較少，缺乏可參觀案例。境外教學可為學生提供較多且形式各異的木結構建筑作為參觀學習素材。英國的建筑設計事務所有著豐富的木結構設計經驗，通過與英國建筑工程師一起座談，學生能夠了解木結構設計與建造實踐知識。課程設計環節為開放式學習模式，學生可根據題目自由發揮，在課程設計中，教師以“seminar”小組研討會的形式進行定期輔導，學生可針對關鍵問題與教師深入探討。境外教學為學生提供木結構理論與實踐結合的機會，可深化木結構教學效果，加深學生對木結構知識的理解。11名學生參加了問卷調查，單選題“木結構教學中最有用的環節是什么”，結果如圖10所示。其中，90%的學生認為課程設計環節對木結構學習更加有用，9%的學生認為設計事務所座談更有用，結果表明，實踐教學在短期境外教學中更能吸引學生的學習興趣，能夠更有效率地實現教學效果。在未來的教學中，教師需要根據英國特有的資源提供更多的實踐教學環節，并注重理論教學與實踐教學的融會貫通。

（三）境外教學的前期準備與后續跟進

境外教學的局限性在于教學課時較短，無法長期細致教學，因此，有效利用出國前和出國后的學習時間對實現教學目標非常重要。在出境學習前的一個月，項目組教師已安排學生學習RHINO- Grasshopper軟件，并在謝菲爾德大學網站上傳軟件學習視頻。學生利用課余時間學習軟件，為境外學習提供便利。同時，教師也上傳謝菲爾德大學木結構課程的相關講座視頻供學生觀看學習，目的是讓學生提前掌握木結構的相關知識，同時鍛煉學生的英語聽力和對專業英語的理解能力。

回國后，中方教師應做好學生后期學習的跟進工作，主要包括幫助學生深化木結構知識，輔導學生利用木結構知識參與學科競賽、科研項目和設計實踐。對木結構的理論學習，中方教師應整理境外相關學習資料并為學生推薦相關資料和教材進行后續學習，對遇到問題的學生給予一定的幫助。在科研項目方面，教師應積極培養學生，幫助學生利用境外所學申請學生科研項目。學生可以參與教師科研項目，有效把握木結構前沿發展，并鍛煉自身探索能力。同時，中方教師也是學生與英方專家學者溝通的橋梁，學生可通過中方教師持續關注英國專家的相關研究進展，為后續的溝通與合作提供平臺。隨著木結構建筑在中國推廣，教師可幫助學生聯系相關木結構工程實習，在實踐中繼續深化木結構理論知識。總體來說，暑期境外學習不是木結構學習的全部，而是了解木結構、探索木結構、掌握木結構相關知識的開始。

三、結語

近年來，中國木結構發展快速，相關專業人才匱乏，木結構教學逐漸受到重視，境外教學是一種新的嘗試與探索，可高效地借助境外較先進的木結構教學體系，為學生提供豐富的實踐教學資源和現代木結構學習體驗。北京工業大學與英國謝菲爾德大學合作的暑期境外木結構學習項目有效提高了學生掌握木結構知識的水平，為學生建立全新的木結構知識體系，并且使學生掌握基本的木結構設計、計算和分析能力。其中，實踐教學環節增強了學生對木結構的學習興趣，新的視角了解木結構設計基本知識，鍛煉了學生木結構設計和分析的實操能力，同時，增強了專業英語表達能力和團隊合作能力。在未來的教學中，教師需要深入融合境內外教學，督促學生完成境外學習任務，對后續學習進行指導，使學生能夠持續性地了解、學習并探索木結構。

參考文獻：

[1]任海青， 江澤慧， 費本華， 等. 中國現代木結構住宅未來發展之路[J]. 木材工業， 2006，20（2）： 45-47.

[2]陳恩靈， 費本華， 王曉歡. 我國現代木結構建筑研究現狀[J]. 林產工業， 2008， 35（4）： 8-12， 17.

[3]張婷婷， 孫巧， 孫雪敏， 等. 正交膠合木的研究現狀及國產化展望[J]. 林業機械與木工設備， 2017， 45（1）： 4-7.

[4]凌志彬，楊會峰，孫國華. 中國木結構教學實踐與探索[J]. 高等建筑教育，2018. 27（6）： 82-86.

[5] HARRIS R， CHANG WS. Teaching timber engineering[C].World Conference on Timber Engineering， Quebec City， 2014.

[6]張晉， 馮健， 范圣剛， 等. 聯合加拿大不列顛哥倫比亞大學的木結構課程教學[J]. 高等建筑教育， 2014， 23（4）： 63-67.

[7]邱麗娟，葉伏國. 5分鐘搭座“木拱廊橋” 世界首用該方式展現廊橋神韻[N/OL]. 東南網. http：//nd.fjsen.com/2015-09/13/content_16622513_all.htm#content_2. 2015.

[8] HENNESSY R，HARRIS R. The Winter Gardens， Sheffield， UK[C]. World Conference of Timber Engineering. 2004.

Abstract： Timber structure in China is developing rapidly but the gap in teaching timber structure at university is large between China and other countries. Chinese civil engineering students design and analysis capacities of timber structure should be improved. Various practice resources and studying experiences can be obtained to students under the advanced timber structure teaching system by collaborating with foreign universities and sending Chinese students abroad for summer school in the area of timber structures. This paper introduces the course content and teaching methods of the summer school in timber structure. The students feedback of the summer school shows that the students design ability got improved， the students practice experience got increased and the students academic English got enhanced. This paper discusses the English teaching practice teaching and pre- & post- teaching and raised related improvement measures. It also explores the development of the future summer school in timber structure.

Key words： timber structure; teaching abroad; practice teaching

（責任編輯 鄧 云）