大學生結構設計競賽在土木工程專業畢設上的應用

摘要：本文介紹了目前土木工程專業傳統畢業設計開展方式，分析了畢業設計存在的問題及原因，通過新設“結構設計+模型制作組”，依據開題報告、方案分析、計算書、模型制作、答辯與模型加載等方面，闡述了新設組別的畢業設計考查內容，探索結構設計競賽在土木工程畢業設計應用模式，為新時代土木工程畢業設計教學改革提供參考。

關鍵詞：結構競賽；結構模型；實踐能力

中圖分類號：TB"""""""文獻標識碼：A""""""doi：10.19311/j.cnki.16723198.2025.07.084

0"引言

2017年教育部提出了“新工科”建設計劃[1]，以應對新一輪科技革命和產業變革的挑戰，面對"“一帶一路”倡議[2]、“中國制造2025”[3]“互聯網+”等國家重大發展戰略，加快工程教育改革創新，培養造就一大批多樣化、創新型卓越工程科技人才顯得尤為重要。近期，新工科計劃提出了由1.0向2.0升級，這對高校工科專業教育提出了更高的要求和新的挑戰[4]。

土木工程學科作為傳統工科專業重要組成部分，在過去30年中，為國家的基礎建設作出了巨大貢獻。現階段建筑工程朝著綠色、智能、數字化和可持續化的方向發展，土木工程本科教育也應作出相應的轉變，培養出的畢業生才能滿足社會的要求。畢業設計是學生在校的最后一門專業核心課程[5]，是學生四年所學專業知識的一個綜合應用，多維度考查學生的專業素質，是土木工程專業人員由學校向社會、由學生向工程技術人員轉變的重要過渡。為應對社會對土木工程人才的全新素質能力要求，本科畢業設計需做出適當改革。

全國大學生結構設計競賽是教育部主辦的全國大學生A類競賽之一[6]，目前已構建出良好的校、省、全國三級大學生結構設計競賽體系，競賽以校賽為基礎，普及擴大影響面；以省賽為選拔，做到強中擇優；以國賽為決賽，做到優中選精，每年已實現“百所高校、千支隊伍、萬人參數”龐大競賽規模，在學生中形成了廣泛影響力。競賽考查學生對土木工程學科知識的綜合應用，多方面培養大學生實踐創新能力，實現“以賽促學”培養目標，極大地提升了高校實踐教育教學和創新人才培養質量。

考慮到大學生結構設計競賽與土木工程專業畢業設計在人才培養方面有較多的契合點，本文以高校土木工程專業本科畢業設計和大學生結構設計競賽兩者對比，剖析兩者在人才培養、能力提升方面作用，探索新工科背景下創新、應用型土木工程專業人才培養模式，提高學生畢業設計的主動性和積極性，提升高校土木工程學科的教育質量，最終培養出社會建設發展需要及建筑行業轉型的應用型人才。

本科畢業設計

目前高校土木工程畢業設計方向大致分為兩大類，分別是建筑+結構設計方向和結構+施工設計方向。本文以建筑+結構設計方向為對象進行探討。設計流程包括開題、方案設計、計算書整理、施工圖整理、答辯。設計成果包括開題報告、建筑施工圖一套、結構施工圖一套、結構（一榀框架）計算書一份。

1.開題

開題為畢業設計的第一個階段，時間一般為本科第七學期末，要求學生根據自己興趣，從預先給定的幾個設計方向中，選擇一項作為設計目標。設計方向包括：教學樓、醫院、文化活動中心、住宅樓、商業寫字樓等。學生選定設計方向后，指導老師安排學生完成原始設計資料收集、查閱，利用寒假時間指導學生完成開題報告。

1.方案設計

在此階段，指導教師為學生講授規范重點條文，規范包括《民用建筑設計統一標準》《建筑防火設計規范》等，其次對歷年優秀畢業設計進行賞析，帶領學生參觀本地同類建筑分析其設計思路。學生按照設計任務書要求完成建筑設計方案初稿，交指導老師審查，針對老師提出的設計不合理的地方，按照修改意見進行修改完善，直至完成建筑設計方案定稿。根據建筑方案選擇合理的結構形式，進行房屋結構構件布置，完成結構方案布置。

1.3"計算書整理

針對完成的結構方案，選取其中橫向一榀框架為手算對象，完成一榀框架內力計算及配筋設計。具體步驟如下：

（1）工程概況。主要介紹工程名稱、建設地點、建筑等級、工程地質條件、氣象條件、設計依據等。

（2）建筑抗震設計一般檢查。參照《建筑抗震設計規范》進行平面不規則檢查和豎向不規則檢查。

（3）結構平面布置。依據房屋施工做法進行結構荷載清理，依據房屋開間及進深確定結構構件尺寸，包括樓面板屋面板厚度、框架梁寬高、框架柱邊長等。

（4）彈性變形驗算。首先確定各樓層重力荷載代表值，查閱《抗規》《高規》等確定抗震設計參數，計算梁的線剛度與柱抗側剛度，由此確定結構的自振周期，計算小震和風荷載作用下的彈性變形。

（5）一榀框架的內力計算。確定各桿件的截面抗彎剛度和線剛度，清理框架豎向荷載和水平荷載，計算恒載、活載、重力代表值、風荷載、水平地震作用下的框架內力。

（6）內力組合。按照內力組合分項系數確定最不利內力組合，計算得到內力組合表。

（7）一榀框架的構件截面設計。針對框架梁、柱驗算其正截面、斜截面等承載力，針對節點核芯區進行抗震驗算。

（8）基礎設計。明確基本參數，確定基礎尺寸，完成抗沖切驗收和底板配筋計算。

（9）鋼筋混凝土構件設計。確定單向板、雙向板、次梁、樓梯構件內力，進行配筋驗收。

1.4"施工圖整理

施工圖部分大體包括兩部分，建筑施工圖和結構施工圖。首先建筑施工圖根據前期確定的建筑設計方案定稿，按照畫法幾何及工程制圖、房屋建筑學等課程要求，完成建筑設計總說明、建筑各層平面圖、各立面圖、剖面圖、大樣圖繪制，可采取Auto"CAD及天正計算機與手工繪圖相結合的方式完成，考查學生對相應制圖規范標準的掌握程度。其次結構施工圖則需要學生利用結構設計軟件如YJK、PKPM等按照網格繪制→構件布置→荷載布置→參數設置→計算→施工圖繪制的步驟完成，繪制的結構施工圖包括結構設計總說明、基礎平面布置圖、柱配筋平面圖、梁配筋平面圖、板配筋平面圖、一榀框架配筋圖、樓梯配筋詳圖等。

1.5"答辯

根據完成的開題報告、施工圖紙、計算書準備畢業答辯。畢業答辯學生先介紹建筑設計思路和結構構件布置原則，答辯委員會老師根據設計成果提問。最后學生根據老師提出的問題完善畢業設計成果。

畢業設計存在的問題

2.設計選題重復

畢業設計題目與往年重復，各校之間土木工程畢業設計任務書也較為相似，學生在網絡中可尋找到大量模板，建筑設計方案規矩，毫無新意，體現不出建筑的時代特征或地方特征，結構布置方案單一，結構選型皆為鋼筋混凝土框架結構。學生按照網絡資源，機械式的開展設計工作，畢業設計成果乏善可陳，無法體現現階段建筑工程數字化、裝配化、綠色節能的特點。畢業設計過程重理論輕實踐，形成慣性思維，未達到學生能力的提升的目的。

2.設計時間不足

受畢業生離校時間限制，畢業設計完成時間基本為第八學期的3月和4月，共8周時間。按照開題報告畢業設計進度計劃，每周都安排有對應的設計任務，但在此階段，學生還有求職、應聘、考研復試、公務員備考考試面試等需求，種種事由，造成畢業設計時間無法保障。面對設計工作量大、設計難度高和理論計算工作繁瑣，各個學生的設計進度不盡相同，但為保證每個學生能夠按時完成畢業設計，指導教師有區別地降低設計要求，進而影響畢業設計質量。

2.3"指導教師師資不足

面對每年的畢業設計指導任務，一名專業教師通常分到8～10名學生，除此之外，還要完成部分專業課程教學和科研工作以及學生管理工作，面對眾多工作任務，指導教師很難做到面面俱到。指導教師往往學術研究較為深入，工程實踐經驗較為匱乏，指導畢業設計時也是重理論輕實踐，這也會造成畢業設計實踐性不高。

3"結構設計大賽應用探討

3.基于結構設計競賽的畢業設計改革實施方案

（1）增加設計組別。保留傳統的畢業設計組別，新增“結構設計+模型加載組”。

（2）編寫新增組別的畢業設計任務書。新增組別的任務書參照本年度全國大學生結構設計競賽賽題內容設置。大體包括：設計任務分析、結構方案布置、構件形式選擇、模型有限元分析及優化、模型制作與加載共五大環節。根據各環節難易程度編制對應的畢業設計進度計劃。提交畢業設計成果包括：模型計算書一份及實體模型一個。

（3）指定學生選拔方案。相比傳統設計組別，新增組別除了考查學生結構方案布置，構件選型、有限元分析，重點突出動手實踐能力考查。相比于大學生結構設計競賽3人一組完成模型制作，新增組別要求學生一人完成模型制作并完成加載，對學生提出更高要求。學生選拔以計算機輔助結構設計課程成績為主要依據，擇優選拔“有結構設計競賽經驗”的學生進行新增組別畢業設計。

3.方案設計

首先參照新增結構設計+模型加載組的設計任務書，正確理解模型制作基本要求、荷載加載方式，分析理解結構設計難點，初步完成結構方案布置。其次，與指導教師探討結構方案的合理性與可行性，根據修改意見，完善結構方案。再次，依據結構受力特點，考慮結構力學、材料力學、鋼結構設計等課程知識，完成構件形式確定。力求做到結構傳力清晰，布置合理。

3.3"計算書整理

參照全國大學結構設計競賽計算書，設置計算書由實訓過程總結和軟件分析計算兩部分組成。第一部分實訓過程總結包括：

（1）結構方案構思。主要介紹設計任務書理解及結構方案比選。

（2）試驗測試方面。主要介紹材料測試、構件測試、結構測試及模型細部構造處理方法。

（3）計算方面。使用手工和結構力學小軟件計算結構構件內力。

第二部分軟件技術分析包括：

（1）結構建模。在YJK結構設計軟件中采用空間建模的方式完成結構建模，在前處理及計算模塊中完成結構計算參數設置。（2）受力分析。通過軟件計算模塊完成結構模型強度、剛度、穩定、振動分析。

（3）結構優化。利用軟件Y-GAMA模塊，針對結構各桿件進行截面形式及尺寸進行優化。

（4）結構模型圖。詳細介紹優化后的結構各桿件信息。通過實訓與電算，達到理論與實踐相結合，提高學生主動探索結構優化的積極性，并通過軟件模擬進行驗證，增加畢業設計的深度。

3.4"模型制作

根據結構優化后的模型信息，完成各桿件的制作。相同桿件如何達到統一的質量標準，長度較長的工字型、槽型、L型桿件粘接完如何保證其平直，圓形空心桿件及方形格構式桿件如何制作，節點的連接方式與加固，柱腳的制作，以及桿件制作完畢后進行結構模型的拼裝及底板固定，這些對學生的動手實踐能力提出更高要求。通過模型制作，學生可以更直觀地理解結構模型的細節，耐心探索桿件制作工藝，磨礪學生細致的工作心態。

3.5"現場答辯與加載試驗

相比于傳統畢業設計答辯，新增結構設計+模型加載組增加了模型加載環節。通過實際加載表現，檢驗結構設計的合理性及可靠性，增強畢業設計創新性、綜合性和實用性。

依據新增結構設計+模型加載組各步驟工作量，對其畢業設計進度作如下計劃：開題報告1周；方案設計1周；計算書整理"3周；模型制作"2周；答辯與模型加載"1周，共計8周。答辯與模型加載可分開進行，答辯過程可與普通組一同進行，模型加載可安排在校級結構設計競賽加載環節。

綜上，與傳統畢業設計組相比，通過引入結構設計+模型加載組，豐富了畢業設計選題方向，提高了學生參與畢業設計的積極性，增加了畢業設計的實踐性，磨礪了學生耐心細致的動手能力，"激發了學生創新思維，一定程度改善了畢業設計面臨的問題。

4"結語

為應對新時代對土木工程畢業生提出的更高要求，需要高校在人才培養方面根據時代需求作出相應改變。應用型人才培養的方向是多方面的，本文探討了大學生結構設計大賽作為畢業設計應用，豐富了畢業設計選題，增加了課程實踐性，專業知識通過結構模型設計與制作得以體現，作品同時參加校級結構設計競賽，大大提高學生畢業設計的積極性。以賽促學，提升了高校土木工程學科的教育質量，對培養出社會建設發展需要及建筑行業轉型的應用型人才起到了很好的借鑒作用。

參考文獻

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