土木工程專業結構抗火課程建設探索與實踐

摘要：火災是威脅建筑結構安全的主要災害之一，結構抗火設計是鋼結構和組合結構設計中非常關鍵的一個環節。隨著《建筑鋼結構防火技術規范》（GB 51249—2017）的應用和推廣，結構抗火設計方法也從傳統的基于試驗的結構抗火設計方法過渡到基于計算的結構抗火設計方法。為了開闊學生專業視野，提高專業技能，掌握結構抗火設計的基本理論和基本方法，培養結構抗火設計的能力，提升專業核心競爭力，重慶大學從2011年開始開設研究生選修課高等工程防火理論，從2020年開始開設本科生特色專業選修課結構抗火設計基本原理。本文概述了作者對本科生課程的建設探索與實踐，介紹了課程培養層次、目的和目標，通過多個教學內容片段重點討論了科研成果支撐教學的嘗試，課程教學中有機融入思政的方法，為土木工程同類特色專業選修課的建設提供參考。

關鍵詞：土木工程；結構抗火設計；課程建設；思政；考核方式

中圖分類號：TU392 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2024）06-0091-09

土木工程專業面向國家建設需要，適應行業未來的發展方向，培養德智體美勞全面發展，具備家國情懷、良好的人文素養、職業道德和社會責任感，掌握相關自然科學基礎知識、土木工程學科專業基礎和專業知識，勝任與土木工程相關的設計、施工、運維、管理、科教等工作，能夠解決土木工程領域復雜工程問題，并具有較強的實踐和創新創業能力的行業精英和國家棟梁［1］。結構抗火是結構防災減災的重要分支，與結構抗震和結構抗風并列為結構防災減災的三大方向。結構抗火設計是土木工程專業人員需要掌握的一項重要技能，在土木工程專業的本科生和研究生中開設相關課程十分必要。開展一流課程建設，提高課程教學質量，是高等學校的重中之重［2］，目前多數高校的土木工程專業未開設結構抗火相關課程，僅有部分高校在研究生課程中開設了結構抗火專題。為了提升土木工程專業學生工程抗火設計能力等核心競爭力［3］，重慶大學從2011年開始開設研究生選修課高等工程防火理論，從2020年開始開設本科生特色專業選修課結構抗火設計基本原理。本文概述了本科生課程的建設思路，重點介紹了科研成果支撐教學的嘗試，課程教學中有機融入思政的方法，課程考核方式的改革及建設效果，為相關院校同類課程建設提供參考。

一、課程概況

（一） 培養層次和課程目的

課程的培養層次是大學本科，課程名稱為結構抗火設計基本原理，24學時，1.5學分。開課目的，一是開闊本科生專業視野，提高專業技能；二是讓本科生掌握結構抗火設計的基本方法，培養結構抗火設計的能力。側重介紹結構抗火的基礎知識、基本原理和實用方法等內容，結合《建筑鋼結構防火技術規范》（GB 51249—2017），講述結構抗火設計中的參數取值和方法選擇。

（二） 課程目標

（1）熟悉火災的升溫過程，掌握結構抗火的基本知識；熟悉結構火災下的受力特點；掌握結構構件抗火的基本方法；能夠對基本結構構件在火災下的溫度和受力進行分析和計算，并能建立相應的力學模型并求解；（2）能應用相關知識，綜合分析影響構件抗火性能的各種因素，對復雜工程問題的解決方案加以比較和綜合，具備優選結構體系，防火保護方案、材料、施工工業的能力；并能通過恰當的工程語言加以表述；（3）能根據結構抗火性能的特點，在具有特定需求的結構體系中加以利用和創新，設計火災下安全可靠的體系或構件。為實現上述課程目標，根據教學內容制定的課程教學計劃如表1所示。

二、科研支撐課程建設的方法和途徑

結合作者20余年從事主要針對高強鋼結構、冷彎薄壁鋼結構、鋼管約束混凝土結構、鋼-混凝土組合梁、鋁合金結構等開展的材料和結構試驗、有限元模擬分析和設計理論研究經驗。開展研究過程和產出的科研成果都為課堂教學提供了良好的支撐。結合四個具體案例介紹科研對教學的支撐方法。

（一） 高溫下結構材料特性

高溫下結構材料特性是結構抗火課程的基礎和重要內容，主要介紹鋼材和混凝土在高溫下強度、彈性模量、應力-應變關系模型等與溫度的關系。材料高溫力學性能參數的取值是結構抗火設計的基礎，在講述高溫下結構材料特性這章內容時，重點介紹結構材料的物理性能和力學性能指標的取值，物理性能指標包含比熱、熱傳導系數、熱膨脹系數等，力學性能指標包含強度、彈性模量、應力-應變關系、蠕變等。獲得材料高溫特性的方法主要是試驗，有熱工參數測量試驗，高溫拉伸試驗，高溫蠕變試驗等。為了提升學生對科研的興趣，課堂上穿插講述高溫拉伸試驗如何確定拉伸速率、如何精確測量試驗中的溫度和應變，測量應變時常常出現高溫引伸計滑移或達到了量程而試件尚未破壞，如何進行調整和數據處理等，并把相應的試驗照片和試驗結果展示出來，這些內容的設計可為學生繼續深造奠定基礎。

（二） 鋼構件在火災下的升溫計算

在講述高溫下結構構件的升溫計算時，介紹了計算鋼構件升溫的六種計算模型：（1）無防火保護的均勻升溫；（2）有輕質防火保護的均勻升溫；（3）有非輕質保護層的均勻升溫；（4）無防火保護的非均勻升溫；（5）有輕質防火保護的非均勻升溫；（6）有非輕質保護層的非均勻升溫。圖1為無防火保護的均勻升溫和無防火保護的非均勻升溫兩種典型情況的升溫曲線。課堂教學主要介紹前兩種模型的計算原理和公式，即集中熱容法和溫度增量公式。針對計算非均勻升溫情況，結合抗火試驗中測量的溫度曲線，介紹有限元熱分析及如何對得到的結果進行判斷，通過試驗結果和有限元模擬分析的對比，考察參數取值，例如比熱對結果的影響程度，并對分析結果的關鍵特征進行探索，由于鋼材在700℃附左右時比熱迅速增加，因而分析鋼構件升溫時，如果溫度達到700℃，升溫曲線會呈現出明顯的平緩升溫段（圖1b）。

此外，介紹鋼構件升溫時會引入一個重要的概念，即截面形狀系數F/V，指構件單位長度的表面積F 與體積V 的比值，單位為m-1，截面形狀系數越大，溫度升高越快。為了便于理解，以紅湯火鍋時選擇葉子菜和萵筍頭為例進行形象介紹，吃紅湯火鍋時選擇葉子菜很少，因為葉子菜截面形狀系數太大，吸油太多，從而太辣而難以下咽，而萵筍頭的截面形狀系數較小，更適合紅湯火鍋。通過該案例，讓學生明白專業詞匯也不一定枯燥乏味，也可以生動有趣。

（三） 鋼構件抗火設計方法

對于軸心受壓構件和受彎構件的抗火驗算和設計這章內容，著重介紹承載力法和臨界溫度法的原理和公式，講述時側重規范條文的介紹和引入背景知識。為了增加內容趣味性，也會講述科研發現的過程及現有方法存在的不足和可能改進的方面。例如規范GB 51249—2017中軸心受壓構件高溫下臨界應力的計算公式是在常溫下臨界應力的計算公式（式1）的基礎上，考慮溫度對鋼材力學性能指標的影響，直接把與溫度有關的屈服強度fy和彈性模量E 換成高溫下對應的指標fy，T和ET（式2），而忽略了殘余應力變化的影響。高溫下殘余應力明顯降低，因為高溫下材料屈服強度降低并產生蠕變應變，在殘余應力較大的位置會產生塑性變形從而釋放一些殘余應力。通過展示研究團隊完成的大量焊接殘余應力高溫下和高溫后變化趨勢，證實試件溫度達到800℃時殘余應力下降到常溫下的20%左右（圖2）。通過該案例講述，讓學生明白和理解目前規范中的方法并不完善，還有較大的提升空間，從而激發學生的學習和科研動力，鼓勵學生投身科研事業。

常溫下軸心受壓構件的穩定臨界應力：

式中，σE 為歐拉臨界應力，fy為屈服強度，E 為彈性模量，e0為等效初彎曲率，取值如下：a類截面e0 =0.152λˉ - 0.014，b 類截面e0 = 0.300λˉ - 0.035；c 類截面e0 = 0.595λˉ - 0.094λˉ ≤ 1.05，e0 = 0.302λˉ +0.216λˉ gt; 1.05；d類截面e0 = 0.915λˉ - 0.132λˉ ≤ 1.05，e0 = 0.432λˉ + 0.375λˉ gt; 1.05。

4類截面中，λˉ取值為：

式中：λ為構件長細比。

高溫下軸心受壓構件的穩定臨界應力：

式中：σET為高溫下歐拉臨界應力；fyT為高溫下屈服強度；ET為高溫下彈性模量。

（四） 鋼-混凝土組合梁抗火設計

在講述組合梁抗火驗算和設計章節內容時，重點強調組合梁的抗火設計是采用高溫下塑性極限承載力作為承載力的極限狀態，因此，如何計算組合梁不均勻溫度分布下的塑性極限承載力是組合梁抗火設計的關鍵。通過大量的數值計算，發現組合梁的臨界溫度主要與組合梁樓板的厚度、耐火極限和荷載比三個參數有關。課堂主要講述溫度分布的確定方法，不均勻溫度分布下組合梁塑性極限承載力的計算理論。為增加內容深度和趣味性，課堂上介紹組合梁的抗火性能試驗，部分抗剪組合梁的撓度和剪切滑移計算方法，以及研究生如何通過研究組合梁抗火性能申請軟件著作權登記、發表高水平學術論文。通過具體案例，大大激發了學生的學習興趣和熱情，同時也提升了學習效果。

三、教材建設

該課程的教材一直參考中國建筑工業出版社2006年出版的李國強教授等編著的《鋼結構和鋼-混凝土組合結構抗火設計》［4］。該專著對CECS 200建筑鋼結構防火技術規范［5］有明確的解釋和說明，主要介紹了同濟大學和清華大學在鋼結構和組合結構抗火方面的科研成果。2017年頒布的國家標準GB 51249建筑鋼結構防火技術規范［6］，雖然名稱和CECS200建筑鋼結構防火技術規范完全一樣，但內容有較多的變化，例如設計指標由采用屈服強度改為了采用設計強度，增加了組合梁的臨界溫度法，增加了等效熱阻的測定和應用等。為了把最新的規范內容融入教材，重慶大學聯合同濟大學、天津大學正在編寫《結構抗火設計基本原理》，已經與中國建筑工業出版社簽訂出版協議。該教材2022年作為新編教材已經入選中華人民共和國住房和城鄉建設部“十四五”規劃教材，預計2024年出版發行。2022年9月，該教材獲得2022年重慶大學土木工程特色選修課課程建設項目資助。此外，由杜詠等編寫的《結構工程防火》［7］也可以供教學參考和使用。

四、思政建設及案例

高校之根本在于“立德”與“樹人”，思政教育是立德的有效手段之一［8-9］。專業課程與思政教育的深度融合是當前大思政背景下對高等教育提出的必然要求［10］。為深入貫徹落實習近平總書記關于教育的重要論述和2018年全國教育大會精神，貫徹落實中共中央、國務院《關于深化新時代學校思想政治理論課改革創新的若干意見》，把思想政治教育貫穿人才培養體系，提高高校人才培養質量，教育部2020年5月印發實施了《高等學校課程思政建設指導綱要》，旨在把思想政治教育貫穿人才培養體系和全面推進高校課程思政建設，發揮好每門課程的育人作用，提高高校人才培養質量［11］。課程在專業內容講述中融入了一些思政元素和素材，結合具體講授內容介紹思政元素的融入過程和方法。

（一） 家國情懷

介紹結構抗火學科的發展歷程時，重點介紹中國在結構抗火領域取得的巨大成就，我國從20世紀80年代末開始從事結構抗火研究，比國外晚了30余年。雖然起步較晚，但通過對比國內和國外的研究，以及作者在國外大學的研究經歷，目前國內結構抗火研究接近國際先進水平，在鋼結構抗火方面已經達到國際先進水平，以此增強學生的愛國主義情懷和社會責任感。隨著中國科研經費的大力投入及科研設備的更新換代，科研成果取得了長足的進步，以SciVol數據庫統計的結構抗火高水平論文數量和質量為基礎，列舉了近5年發表的論文數量，中國以486篇位居世界第一，美國以188篇位居第二，英國以171篇位居第三，以此增強學生的文化自信和制度自信。

（二） 工程倫理和工匠精神

介紹火災的巨大社會危害時，介紹近些年中國重大火災傷亡人數的統計數據，如表2所示。結合一些典型火災案例介紹火災造成的重大財產損失，例如2004年12月21日，湖南省常德市鼎城區橋南市場發生特大火災，燒毀3 220個門面、30個倉庫，過火面積8 3276 m2，直接財產損失1.876億元；2006年5月4日，比利時布魯塞爾國際機場飛機維修庫發生大火，損失數十億歐元；2015年8月12日，天津市濱海新區瑞海公司危險品倉庫發生火災和爆炸，損失68.66億元。以此強化結構火災安全的保障措施和工程師的責任和義務，引導學生弘揚職業道德、發揚工匠精神，為國家安全生產和安全制造提供技術支撐。

（三） 使命擔當

講述組合梁抗火設計的臨界溫度法的來源和發展過程時，結合作者自身科研經歷介紹方法的推導過程，寫入國家標準的經歷，激發學生的科研熱情，鼓勵學生勇于創新，培養敬業精神。講述防火涂料的質量和品牌時，對比分析國外先進的防火涂料產品和中國制造的防火涂料產品，指出國外材料的防火性能優良，耐久性好，但價格昂貴；中國制造的防火涂料產品質量有大幅度提升，而且物美價廉。以此增強學生的民族自豪感和自信心，同時激勵學生不甘落后，敢為人先，為提升我國產品的性能和質量貢獻自己的智慧和力量。

（四） 道德法制

講述建筑消防措施時，強調暢通消防通道對及時滅火的重要性，而現實中消防通道經常被占用。以2020年1月重慶市渝北區加州花園A4幢發生火災為例，消防通道被堵，延誤消防車通行，以此引入道德法制的思政元素，警醒大家遵紀守法。在講述防火涂料的檢驗和驗收時，指出實際工程中經常出現送檢產品和工程中實際應用的產品質量不一致的情況，一方面是目前的驗收方法存在一定的漏洞，另一方面是部分涂料生產廠家或施工單位存在不誠信行為，以此告誡學生發揚工程師職業道德精神，誠實守信，嚴把質量關，將建筑火災的安全隱患降到最低。

五、課程評價方式

課程評價方式主要是課程考核，傳統考核方式側重于考查理論知識，難以反映出學生對課程的掌握程度，尤其是實踐能力的培養［12］，為提高學生主動參與課程學習的積極性，體現學生在學習過程中的“學習主體”作用，運用研討式教學法提高學生在教學過程中的參與度，加強學生與教師之間的互動，加深學生對教學內容的理解和應用［13］。而研討的考核方式可擺脫傳統的固化思維，能夠較好地發揮學生的主觀能動性，有利于培養學生解決復雜工程問題的綜合能力。

本課程的考核方式是考試，期末考試成績占70%，平時表現占30%。平時表現中，作業完成質量占10%和課堂參與討論情況占20%，課程考試方式與課程目標的對應關系如表3所示。為了啟發獨立思考和鼓勵學生積極參與，開展多樣式課堂研討，例如教師提出問題，學生舉手發言，表達自己對該問題的理解和看法，或者教師提出一個觀點，請學生評判正確與否，并組織小組進行辯論，以平時成績作為激勵，鼓勵學生積極參與討論和發表個人觀點。

六、課程建設效果

從選課人數和評教角度分析課程建設的效果，學生網上評教以方便性、及時性、民主性的特點被國內多數高校采用［14］。為豐富數據，也將研究生課程數據納入進來，研究生開課12年以來，選課人數和學生評教分數如圖3 所示，其中，2014 年因主講教師王衛永出國訪學，由其他教師代課。2017年開始，學院規定選課人數小于10人停止開課，造成2017—2019三年未能正常開展。本科生課程第一年開設時11人選課，第二年人數增至65人，達到選課人數上限。從學生評教分數看，每年分數均在95分以上。從排序百分比看，研究生課程最好的是2021年，為3.6%，最差的是2013年，為44.8%，本科生兩年分別為6.3%和23.4%（排序百分比是全院教師根據分數進行的逆向排序，即分數越高，排序百分比越小）。

七、結語

人才培養是高等學校的核心任務，高校教師開展科學研究可以更好地提升人才培養的質量，在授課中采用最新的科研成果作為支撐，可以促進創新型人才的培養。思政內容的有機融入需要深入挖掘思政元素，通過設計思政案例起到潤物無聲的育人效果。課程建設工作任重道遠，需要多方面完善。基于作者多年的教學經歷和課程建設實踐，對土木工程專業的結構抗火課程建設進行了一些探討，本文介紹的課程建設思路，尤其是關于科研成果支撐教學的嘗試，課程教學中思政元素融合的方法，能為同類課程建設提供參考。

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（責任編輯 鄧云）

基金項目：重慶大學教材建設項目（2022JC11）