荷載與結構設計方法課程教學中工程事故案例的巧運用

姚剛峰，劉國建，孫岳陽，蔡新江，陳 鑫

（蘇州科技大學 土木工程學院，江蘇 蘇州 215011）

荷載與結構設計方法課程（以下簡稱“荷載課”）是土木工程專業的一門專業基礎課。該課程主要涵蓋兩大部分內容：講授工程結構可能承受的各類荷載及其量化計算方法；講授結構設計的基本概念、可靠度原理及基于可靠度的規范設計方法，見表1。其中，第一部分涉及各類不同荷載，內容繁雜，且部分知識點與其他課程存在一定的交叉重疊[1]。其優勢在于，相較第二部分更易為學生所接受。第二部分則理論性較強，涉及大量公式推導，對學生概率論、數理統計等高等數學課程的掌握程度要求高，學習難度大[2]。實際工程結構設計的一般流程為：將理想化荷載作用于由實際結構簡化而得的模型上，進行荷載效應計算和結構構件設計，使得結構或構件的抵抗能力R 大于荷載效應S（包括內力、變形、裂縫寬度等各類廣義效應）[3]。而荷載課作為一門介紹如何確定荷載的課程，其重要性可見一斑。

表1 課程主要內容

結合教學實踐及有關文獻，總結了本課程目前存在的一些問題，例如：①學生對本課程重要性的認識不足，缺乏學習動力，從而導致學習效果不理想[4-5]；②章節內容間跳躍性大，知識點碎片化，缺乏嚴密邏輯性[6-7]；③講課局限于教材知識點的介紹，缺乏對深層次科學問題的拓展延伸。筆者通過自身教學經驗發現，在授課過程中若能合理穿插適量工程事故案例，將有助于改善上述問題。下文首先結合具體教學實例，歸納了工程事故案例在“提升重視度、導入新內容、強化知識點、培養求知心”等四方面的積極作用并展開了詳細分析。其次，對在教學過程中如何選取和利用工程事故案例，分享筆者的幾點體會。

一 工程事故案例的用途

（一）提升重視度

利用由荷載確定不合理或荷載隨意改變引起的工程事故，使學生認識到本課程的重要性，提高其職業道德感和責任感，在“樹人”的同時促進“立德”[8]。以樓屋面活荷載為例，國內外各類房屋改建誘發的倒塌事故屢見不鮮。如2004 年8 月29 日當地時間凌晨，巴西瓜魯柳斯市一家夜總會樓面發生坍塌，造成6 人死亡，100 多人受傷。根據調查顯示，該夜總會由辦公樓改造而成，改造后的實際荷載明顯大于原設計荷載，又未充分進行重新評估，這是導致此次事故的主要原因。以我國荷載規范為準[9]，辦公樓的樓面設計荷載為2 kN/m2（約每平方米站立3～4 人），而對于人員相對集中的娛樂場所該值為3 kN/m2，即改建后實際荷載較設計值提高50%。就實際情況而言，事發時夜總會內共有1 000 多人，超載現象應更為嚴重。同樣的，國內也時有類似事故發生，如2022 年長沙“4·29”樓房坍塌事故、2021 年蘇州吳江“7·12”酒店坍塌事故等。通過此類案例的事故原因分析，讓學生認識到荷載大小確定不準確或隨意變化時，可能帶來巨大的生命財產損失，有助于提高對本課程學習的重視程度。

（二）導入新內容

通過工程事故案例視頻或圖片資料，使不同章節內容間的過渡相對順暢。以風荷載為例，其講課主線基本圍繞風荷載計算公式（wk=βzμsμzw0）中各參數如何確定展開：基本風壓w0→高度變化系數μz→體型系數μs→風振系數βz。簡言之，風荷載大小wk是在基本風壓基礎上，考慮高度變化、建筑物形狀及風振等因素影響得到的。根據生活經驗，學生通常對高度變化和建筑物形狀對風荷載大小的影響有感性認識。如山頂風大，山腳風?。ǜ叨扔绊懀?；流線型好的物體風阻力?。ㄐ螤钣绊懀┑?。這使得學生對相關知識的接受更為順暢。然而，學生對風振效應的認識基本是空白的。因此，在從體型系數向風振系數過渡時，若直接提出風振系數概念，則存在較大跳躍性。此時，可引入由風振效應導致的工程事故案例，如1940 年美國華盛頓州塔科馬橋垮塌事故（圖1），起到“緩沖”作用。一方面，通過視頻資料可吸引學生注意力，提高學習興趣。另一方面，可令學生對何謂風振及其不良后果產生感性認識。在此之后，再引出需要考慮風振影響及風振系數如何確定，就顯得更加順理成章。

圖1 風振效應下塔科馬橋垮塌

（三）強化知識點

利用特定條件下發生的工程事故，對學生就某一具體知識點的認識或記憶進行強化。以側向土壓力為例，為強調其大小與土體容重之間的關系，可引入2004 年廣州市華南快速干線廣園站東輔道擋土墻塌方事故進行說明，圖2（a）所示為事故現場照片。該事故中，土體應已達到主動土壓力臨界狀態，擋土墻在該土壓力作用下發生破壞。誘發此次事故的一個重要原因是當地發生連日暴雨，路基中泥土吸收水分后容重增大。而以黏性土為例，其主動土壓力計算理論中側向土壓應力σa隨容重的增大而增大（σa=，γ 為土容重，z 為深度，Ka為主動土壓力系數，c 為土體黏聚力，如圖2（b）所示）。當土體充分吸水致側向土壓應力的合力超出擋土墻所能承受的荷載時，即發生塌方。該案例有助于學生加深對“土體容重越大，側向土壓力越大”的理解。又如，在確定屋面雪荷載時，需要考慮不均勻分布的影響，局部某些位置系數值需提高，這與雪的漂積作用及屋面形狀有關。以高低跨鋼結構廠房為例，高低屋面鄰接處雪更易堆積，其荷載值約為其他位置的2倍。若忽視該作用，可能發生由局部荷載過大引起的失穩倒塌事故（圖3）。再如，在采用底部剪力法確定地震作用時，對于突出建筑物屋面的附屬構件需乘以放大系數3。這是由于附屬構件重量和剛度突然變小，高階振型的影響增大，導致結構端部的地震作用放大，即所謂鞭端效應?？赏ㄟ^實際震害調查中電梯房、女兒墻、煙囪等附屬構件嚴重損毀的案例，對該知識點進行強化。類似案例可將理論與實際有機結合。相關理論可用于解釋事故發生的原因。反過來，相應事故又可驗證理論的合理性。

圖2 廣州擋土墻坍塌事故分析

圖3 雪荷載下某輕鋼廠房倒塌

（四）培養求知心

土木工程領域的眾多研究均源自于實際工程事故。如針對建筑結構連續性倒塌的研究，起源于1968 年英國Ronan Point 公寓燃氣爆炸誘發的局部連續倒塌事故。而在2001 年美國“9·11”事件紐約世貿中心雙子塔遭飛機撞擊倒塌后的近20 年內，這一課題更是持續受到國內外專家學者的廣泛關注和研究。在講解爆炸作用時，引入了這兩個由爆炸引發的連續倒塌事故（圖4），并請學生課后自主查閱有關鋼筋混凝土結構連續倒塌方面的研究文獻。由課堂反饋可知，學生對混凝土結構發生連續倒塌時的壓拱效應及懸鏈效應等基本受力機制已具備初步的認識[10]。又如，在介紹臺風或颶風等極端風荷載災害時，要求學生課后查找有關臺風的形成原因等。類似工程事故的引入及課后延伸作業的布置，有助于提高學生的自主學習能力，培養學生對深層次學問的一種求知心。這種求知心是目前很多普通高校本科生所缺乏的，而它又是未來工作或進一步深造過程中不可或缺的一種素養。因此，對學生相關素質的培養是十分必要的。

圖4 結構連續倒塌事故案例

以上四點作用中，“提升重視度”是重中之重。只有調動起學生的主觀能動性，才能從根本上提升教學質量和效果。而借助工程事故案例去發揮其在“導入新內容、強化知識點、培養求知心”等方面的作用，則是從技巧層面促進教學質量的提高。當然，除上述四點外，工程事故案例還具備更多有待歸納和總結的積極作用，值得在后續教學中深入挖掘。

二 具體實踐策略

（一）案例選擇與搜集

在利用工程事故案例展開教學時，需有選擇性地去搜集相關案例。筆者認為在選擇案例時可遵循三條原則：準確性、典型性、時效性。其中，準確性應包含兩個層面。其一，指所選案例的相關信息是準確真實的，應以官方調查報告或報道為依據。其二，案例應可準確反映所需闡明問題的本質。例如，將塔科馬橋事故用于說明建筑物形狀對風荷載作用的影響是不恰當的。失真的案例可能導致學生對知識點理解的偏差，也不利于培養學生嚴謹的職業素養。典型性指所選案例應具有一定代表性和國際性。以前文中塔科馬橋事故和Ronan Point 公寓事故為例，兩者均是國際上具有代表性的經典案例。它們分別引起人們對結構風振效應和連續倒塌的關注，從而大大推動有關領域研究的進步。借助典型案例進行授課，可使學生對相關知識脈絡的把握更為全面，且有利于其國際視野的拓寬。在滿足前兩條原則的基礎上，盡可能選擇近期發生的熱點事件，可使學生更具代入感，即所謂時效性。以1976 年唐山大地震與2008 年汶川地震為例，兩者均為新中國成立以來發生的重大地震災難事故。然而，相比于唐山地震，汶川地震明顯對當前的學生更具時效性。大家對汶川地震或多或少是有所見聞的，對于四川地區的同學尤甚。選擇合適的工程事故案例加以利用，可獲得事半功倍的教學效果。

（二）案例剖析

結合實際教學，上文給出了工程事故案例在授課過程中潛在的四種用途。對此，有必要先從教學用途角度對所選案例進行仔細分析，明確其一般性與特殊性。理論上，絕大多數與荷載確定有誤相關的工程事故皆可用于說明本課程的重要性，提高學生重視程度，即為一般性。而就特殊性來說，某一案例可能具備除“提升重視度”外的一種或多種用途。同樣以塔科馬橋事故為例，其一般性為可用于說明忽視某種荷載效應可能引發工程事故，突出掌握本課程內容的重要性；而其特殊性在于，該工程事故所忽略的具體效應是風振效應，故可用于引出風振效應的相關內容。簡言之，某一案例往往具備多種用途，需從一般性和特殊性兩方面綜合考慮，找出合適的落腳點，做到“例盡其用”。一般而言，具有一般性的案例比比皆是，而能體現特殊性的案例則需要悉心搜集。物以稀為貴，應盡量發揮案例的“特殊性”作用。顯然，將塔科馬橋事故用于引出風振效應比突出課程重要性更具價值。

（三）案例融合

確定具體用何案例及用于何處后，需要將案例自然地融入到教案設計和課件制作中。教案設計上，應考慮一定的邏輯性。在實際授課時，需悉心組織語言，使學生的思維緊跟老師的引導。呈現形式方面，PPT 課件中應盡量減少對工程事故案例的文字表述，多采用視頻或圖片方式，更利于學生理解和加深印象。

根據上文內容，圖5 中歸納了將工程事故案例用于教學時的具體策略，主要包括3 個步驟。首先，根據“準確性、典型性、時效性”原則選擇并搜集與課程相關的“好案例”；其次，剖析案例的一般性與特殊性，將其用于“刀刃上”；最后，通過邏輯嚴謹的教案設計和優良的課件制作，將案例融入教學，充分發揮其作用。

圖5 工程事故案例運用策略

三 結束語

針對荷載與結構設計方法課程教學中學生重視程度不夠、章節內容跳躍性大、深層次學問延伸不足等問題，筆者在教學過程中進行了一些思考和實踐，發現以實際工程事故案例為載體開展教學，在改善上述問題方面具有積極作用。選取恰當的工程事故案例穿插于課程教學中，將有助于提高學生對本課程的重視程度、促進各章節內容間的順暢過渡、強化學生對關鍵知識點的認識、鼓勵學生對深層次科學問題的探索。此外，筆者就具體應如何在荷載課教學中運用事故案例的策略，給出了自身的幾點認識。最終，希望能夠通過教學過程中的不斷實踐與探索，提高課程教學質量，為新時代“大土木”背景下的專業人才打下堅實的理論基礎。