基于SRTP項目的大學生工匠精神培養實踐

張 明，劉楠楓，余志祥，尹紫紅

（西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031）

引言

關于工匠精神理念，2016年3月5日，時任總理李克強在《政府工作報告》中指出：鼓勵企業開展個性化定制、柔性化生產，培育精益求精的工匠精神，增品種、提品質、創品牌［1］。2017 年，黨的十九大報告提出要“建設知識型、技能型、創新型勞動者大軍，弘揚勞模精神和工匠精神，營造勞動光榮的社會風尚和精益求精的敬業風氣”［2］。工匠精神是指工匠對自己的產品精雕細琢、精益求精的精神理念，專業、專注、極致等都是其關鍵詞［3］。高校是培養社會各行各業卓越工程師的主戰場，而大學階段是培育工程師“工匠精神”的黃金時期。

“大學生科研訓練計劃（SRTP）”可以為本科生提供科研訓練平臺，使學生盡早進入專業科研領域，接觸學科前沿，掌握科研的基本方法，增強學生的創新意識，提高團隊合作精神［4］。從2006年開始，筆者所在的西南交通大學也開始了該類本科生科研訓練計劃，至今已開展到第15期。

本研究立足時代背景，以工匠精神的定義和內涵為指引，以SRTP項目——“重組竹材在建筑結構工程中的應用研究”為實踐平臺，深入挖掘本科專業基礎和專業課蘊含的“德育基因”，拓展其“育人”功能，使工匠精神潛移默化地內化于專業課的學習過程中。

一、科學問題的提出

為培養學生獨立自主的思考能力，在選題時，要求學生自主查閱國內外時政資料，根據工匠精神的內涵，結合實驗室條件選擇合適的科研題目開展SRTP項目科學訓練計劃。2016年，我國建筑能耗占總能耗的27%以上，而且還在以每年1個百分點的速度增加。住房和城鄉建設部統計數據顯示，我國每年城鄉建設新建房屋建筑面積近20億平方米，其中80%以上為高能耗建筑。據國家統計局統計，2018年建筑業煤消費總量約為8 685萬噸，比2017年增長約400萬噸。對現有建筑材料的調查發現，鋼材和混凝土不可再生，且在制造的過程中會污染環境［5］。竹子生長周期短、輕質高強，是環境友好型建筑材料。鑒于原竹本身存在幾何變異性大、易蟲蛀、質地不均勻、耐久性差等問題，人們常采用現代材料技術對原竹進行重組，形成工業化的材料并制成工程竹，這類工程竹能夠克服原竹諸多缺點，又保留了竹材本身的優良特性。為此，在四川省政府的大力推動下，近些年四川省涌現大量竹制品企業，已基本可生產加工不同規格和不同強度等級的結構用重組竹。與此同時，《結構用重組竹》［6］行業標準于2020年10月1日發布實施。但目前還缺少對重組竹材料在建筑結構體系設計中的相關理論的研究，特別是節點連接、構件截面初選等設計關鍵問題，現有的重組竹結構設計過程主要參考木結構相關理論和方法，合理性有待考證。

在調研資料的基礎上，SRTP 小組成員踐行工匠精神，針對重組竹材特殊的物理力學特性，通過理論分析和數值仿真分析挖掘構件截面尺寸與結構構造參數的關系，研究在構建重組竹框架結構房屋承重體系中的構件的截面初選方法，為該綠色材料在建筑結構領域中的應用做前沿基礎探索。

二、導師團隊組成及學生小組成員選拔

（一）導師團隊組建

組建導師團隊的過程中應有意識地從基礎理論知識、數值分析軟件操作、實驗操作及綠色材料等不同專業方向挑選相關專業教師，選擇10位學生對其進行多角度全方位培養。教師團隊由一批具有較高學歷的年輕碩士和博士組成，其中博士學歷占4/5，年齡主要在30～50歲之間；校內導師4名、校外導師1名；科研或教學方向有結構工程、建筑材料、軟件工程和實驗教學等。校內導師主要是線下對學生進行輔導，校外導師通過線上進行指導和答疑解惑。

（二）學生創新團隊組建

筆者擔任2019級工程造價1班班導師，此次試點工作從該班級30名學生中選擇。秉承學生自愿報名的原則，教師團隊在報名學生當中根據學生是否有較多課余時間、能否利用課余時間進行充分自主學習為主要原則對學生進行挑選，對于已經參加了校級或院級比賽項目的學生，原則上不再考慮進入團隊。初選學生10名，后期會根據學生科研情況進行動態調整。學習方法主要有導師宏觀指導、學生自主探索及小組內部討論等。

三、工匠精神過程培養

對于還未系統掌握結構設計理論和方法的本科生而言，工匠精神的培養主要體現在現有結構設計理論、計算分析軟件的深入學習，以及準確應用其探索重組竹結構體系構件截面初選這一科學問題。同時，還要分析現有結構設計理論對于重組竹新型結構的適用性及改進方案，挖掘重組竹結構與傳統鋼結構、混凝土結構等在力學性能方面的異同點。

（一）建筑結構設計基礎理論

建筑結構設計的內容包括建筑結構布置和各個局部的具體構造、內力計算分析。本項目中的板、梁和柱承重的框架結構體系，連接均為剛接，柱與基礎之間采用鋼套筒加強力膠的連接方式。設計過程中參考了《工程結構通用規范》［7］，分別進行持久設計狀況、短暫設計狀況和地震設計狀況分析，綜合考慮結構承載能力極限狀態和正常使用極限狀態。進行承載能力極限狀態設計時，持久設計狀況和短暫設計狀況應采用作用的基本組合；地震設計狀況應采用作用的地震組合；進行正常使用極限狀態設計時，應采用作用效應的標準組合，如下式所示。

對于板和梁，主要通過強度指標和撓度變形程度判定是否為失效；對于柱，通過層間位移角不超過規范規定的層間位移角限值界定是否為失效。

（二）結構分析與計算

根據結構實際受荷情況，確定荷載標準值及分項系數，如表1 所示，又根據已確定的結構方案、結構布置和材料屬性等，確定合理的有限元模型和分析方法，平面尺寸為21×18 m，柱高為3.5 m，柱間距采用3 m及3.5 m。重組竹的順紋抗壓強度小于抗拉強，為簡化分析，取材料順紋抗壓應力—應變關系代替該各向異性材料的本構關系。抗壓彈性模量Ec=37 730 Mpa，割線模量Et=15 730 MPa，順紋抗壓強度fc=129.17 MPa，比例極限強度fe=111.66 MPa，密度ρ=1150 kg/m3。梁和柱采用C3D8R單元，初選截面為200 mm×200 mm，板采用C3D8R單元模擬，初選板厚為120 mm。采用綁定約束（tie constraint）模擬梁、柱、板之間的剛性連接。底層柱與基礎固接，網格尺寸取50 mm。對結構進行承載能力極限狀態和正常使用極限狀態驗算，分別開展內力和變形分析，如圖1所示。

圖1 豎向靜力荷載作用下結構內力分析

表1 取用荷載標準值及分項系數

為探究構件截面尺寸的控制因素，在上下兩板面上逐級進行加載，最小均布荷載為2 kN/m2，最大荷載為20 kN/m2，共分10 級，根據荷載—位移曲線及應力分布云圖研究發現：當撓度最大值超過允許撓度值的兩倍70 mm 時（允許撓度為7 000/200=35 mm），結構的最大應力僅118.8 MPa（比例極限強度fe=111.66 MPa），仍未達到順紋抗壓強度。導師團隊和學生創新團隊一致認為，正常使用極限狀態為該類材料組成空間結構構件截面設計的主要參考依據。

為探索該類材料組成空間結構柱構件截面設計依據，學生創新團隊采用底部剪力法還開展了地震作用下該類結構的抗震分析。在水平向地震作用下，該類結構材料應力較小，相對而言結構位移較大。當最大應力為61.11 MPa時（小于該類材料的比例極限強度111.66 Mpa），層間位移角為1/240，已超過了允許的層間位移角限值（1/250），進而判斷柱截面尺寸仍由正常使用極限狀態決定。

（三）小結

針對基于abaqus計算出的數據，學生創新團隊成員分別建立一元線性回歸擬合。不同長寬比下板厚度和跨度、板的長寬比為3時，不同寬度下梁高度和板跨度、板跨和矩形柱截面尺寸的數學模型分別如下式所示，其中，d為板的厚度，l0為板或梁的計算跨度，lx/ly為長寬比，b為梁或柱的寬度，h為梁高度。

通過上述練習，使工匠精神內化于專業課學習過程中，培養了學生穩定而優異的精神品質與道德標準；與此同時，SRTP 小組成員不但系統地掌握了結構設計理論和軟件使用、了解了重組竹結構與傳統結構的異同點，還培養了自己對待科研工作精雕細琢、精益求精的精神理念。

四、新培養模式討論

從基礎理論知識深入理解到有限元軟件的準確掌握，再到重組竹結構體系設計、內力分析、截面優化，教師和學生均花費了大量的精力和時間。在這一過程中，學生反復研究基礎理論和軟件操作等環節，使學生體會到知識點理解的準確性、工程設計的復雜性及知識體系和設計方法建立的不易。同時，通過上述練習，學生掌握了一門較為復雜的有限元軟件，并且收獲了自主學習的興趣和信心。

在深入理解設計理論和方法的基礎上，本研究針對重組竹材特殊的物理力學特性，通過理論和數值仿真分析挖掘構件截面尺寸與結構構造參數的關系，為該類型結構早期設計提供參考。該種新型人才培養模式能夠在潛移默化中全方面提高學生的專業技能，培養學生的創新意識和工匠精神。另外，導師團隊建議新式人才培養模式要與傳統課堂教學相互配合、取長補短、整合資源優勢，共同為培養具有工匠精神的全面復合型創新人才服務，為培養知識型、技能型、創新型的勞動者，營造勞動光榮的社會風尚和精益求精的敬業風氣做準備。