智能建造背景下結構設計原理教學創新與實踐

關鍵詞：智能建造；結構設計；課程體系；案例分析；教學改革中圖分類號：G642;TU-4 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2025）04-0159-08

智能建造[1]專業是面向國家戰略需求和建筑業升級轉型，以土木工程專業為基礎，融合計算機應用技術、機械自動化、工程管理等專業發展而成的新工科專業，代表了國家“互聯網 + 建筑業”的前沿發展2。截至2022年全國已有69所高校開設智能建造專業，但課程體系設置及教學框架依然是傳統土木學科模式。2017年2月，教育部[3明確提出了新工科的建設要求，強調學科的新興拓展、新型升級與新生交叉，尤其注重智能化、數字化、物網化等新技術與傳統工業技術的緊密結合。

在新工科及智能建造專業發展雙重驅動下，高等工程教育必須改革高校專業人才培養模式，將最新的行業發展成果及工程實踐應用于工程教育教學，與現有教學體系進行融合創新，注重內涵建設與質量提升，培養具有信息化素養、創新實踐精神、綜合管理能力的現代新型工科人才。

結構設計原理是土木工程專業的主干課程，教學內容涵蓋鋼筋混凝土結構、預應力混凝土結構、砌體結構、鋼結構和鋼-混凝土組合結構五種現代建筑結構設計的基本原理。課程不僅要促使學生明確現代結構的技術發展，掌握專業結構計算知識的基本目標，還要積極融合智能建造的發展趨勢，培養學生基于最新數字設計、增材建造技術信息，獨立開展空間結構設計分析的能力，提高學生對工程科學發展的適應能力，為其專業發展和建造實踐打下良好基礎。課程改革充滿了必要性和迫切性。

一、工程結構建造發展過程及其趨勢分析

（一）現代建筑工業建造技術發展過程

隨著工業技術的進步和計算機科學的發展，材料制造發展經歷了等材制造、減材制造、增材制造三個階段。其中增材制造[4]（Additive Manufacturing，AM）技術是伴隨著第三次工業革命浪潮發展起來的新型材料制造技術，采用逐漸累加的方法制造實體，相對于傳統的材料去除-切削加工技術，是一種“自下而上、積少成多\"的制造方法，被譽為“第三次工業革命最具標志性的生產工具”。作為數字化智能建造技術，3D打印憑借其機械化程度高、節約材料、提高生產效率等優勢，迅速成為一種全新制造方式，在航空航天、生物醫療、軌道交通、智能建造等戰略領域均展示出巨大的技術優勢和廣闊的應用前景，也推動土木工程基礎設施智能建造成為國家重要戰略方向。積極規劃和探索智慧基礎設施、智能建造等，推動綠色化建造的發展，不僅可以解決目前土木工程行業面臨的勞動力不足、機械程度低、模板支護費工費時等一系列困境和難題，還可以為現代工業化建造和建設工程藝術化建造提供有力的支撐。3D打印技術主要經歷了三個發展階段5，基本上每十年實現一個質的飛躍。

第一個階段是20世紀80年代后期至20世紀90年代初期，第一臺商用3D打印機問世，打印技術處于初級階段，只能使用塑料類材料，打印速度、精度和質量水平有限，僅適用于制造小型構件。因此，當時3D打印技術多出現在藝術、工業設計、服裝、建筑等領域，被用于制作設計原型或概念模型。和傳統工藝相比，3D打印的原型制作速度快，設計變更成本較低，設計師可以更輕松地測試不同的產品版本，根據客戶反饋及時修改方案，縮短設計時間。

第二個階段是20世紀90年代后半期，塑料不再是3D打印的唯一原材料，新型打印機的出現使金屬合金和耐高溫聚合物成為可選材料，大大豐富了3D打印原型制作的種類。更關鍵的是，3D打印可以制作金屬模具，用于取代傳統制造技術中所需的造價高昂、工藝復雜、耗時冗長的定制模具。3D打印技術不僅可以在幾個小時內完成之前數周的模具制造量，而且制作過程中的廢料量較之傳統工藝下降了 40% ，其中 95%～98% 的廢料都可以回收利用。由此節約了大量的時間成本和材料成本。

21世紀開始，3D打印技術邁入了第三個階段。隨著材料和設備的不斷改進，3D打印的成本逐漸降低，其速度、質量、精度和材料特性顯著提升，達到了可以直接制作成品的水平。3D打印不再是制造技術中的一個配角，而是有能力參與整個生產環節，實現全數字化的生產過程。資料表明[6]：2008—2021年3D打印產業規模年平均增長率高達 21.1% ，其中2021年3D打印市場規模高達152.44億美元?，F今的3D打印技術不再局限于實驗室和工廠，在人們日常生活中的普及度越來越高，商店、教室等場所都可以看到3D打印機的身影。未來這項技術必將完成從商用到民用的轉型，實現3D打印的家庭制造模式。隨著增材建造技術用于建筑工程等工業化領域，人類工業制造經歷了5個階段：機械化、電氣化、自動化、智能化、智慧化[7，即從工業1.0到工業5.0。

（二）智能建造技術及發展趨勢

隨著混凝土增材建造技術和設備的不斷發展，現階段已經能夠實現中小型民用建筑結構的智能建造。雖然D-shape工藝具有更豐富的空間造型能力，但需要循環處理砂石廢料，容易造成材料和工時的浪費。輪廓工藝免模施工，工序簡便，便于形成數字設計智能建造一體化管理系統，日益成為混凝土增材建造結構主流技術。中國工程建設標準T/CECS786-2020《混凝土3D打印技術規程》于2021年5月正式施行。增材智能建造混凝土結構建造技術集數字建模、新型建筑材料設計加工、智能機器人和機-電一體化裝備集成管理于一體，是一種按既定設計和建設目標構建預期建（構）筑物的自動化建造技術。

現有增材混凝土建造硬件系統包括控制主機、打印設備、攪拌設備、泵送設備和動力驅動設備。通過控制主機發送操作命令給攪拌設備，進行混凝土備料并泵送至打印設備，再通過信號轉換將命令發送給所屬的控制電機。打印硬件控制系統通過參數設置，實現打印頭三維方向位置調節、打印行走速度控制、打印設備移動控制。通過預設路徑和具體參數，可以打印不同尺寸、大小和高度的構件?，F有增材混凝土建造軟件系統包括數字模型輸入、切片設計、打印定位、路徑輸人、參數設定、路徑優化、圖形顯示、后臺監測等功能。用戶可以使用系統包含的繪圖軟件進行設計，并導入打印軟件完成打印。該系統也支持導人通用商業3D建模軟件的數字模型。打印軟件系統支持斷點打印，可以在打印過程中隨時暫停，便于解決打印過程中的突發狀況（如材料準備不足），滿足現場施工管理和布筋建造需求。同時，打印系統可以根據設定的打印流程進行打印頭運動軌跡動畫模擬，輔助開展打印工藝優化和智能建造管理?，F有增材混凝土建造的軟、硬件系統，如圖1所示。

智能建造以數字模型文件為基礎[7-8]，通過軟件與數控系統，將專用材料按照擠壓、燒結、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積，完成產品的制造。智能建造深度融合了信息技術和建造技術，是現代工程領域的新興發展方向，如圖2所示。智能建造也是工程建造的高級階段，其基于大數據進行數字設計、增材智能建造和結構智能管理維護，推動了建筑結構智能建造維管模式的根本性變革。

二、從平面到空間轉換探索結構設計原理教學改革

（一）結構設計原理課程的特點及難點

為了適應國家經濟社會發展的需求，培養具有扎實的自然科學、人文科學知識基礎，具備工程建設與規劃、結構設計、建造管理與控制等方面知識[10-1]及相關研究、開發能力的高級工程技術人才[12]，結構設計原理的授課內容包括材料性能、設計方法、各類構件的力學分析及設計方法。進入課程學習的本科生，已經掌握了彈性力學、材料力學、結構力學的基本知識和相關專業技能，受到了工程制圖、工程測量、結構計算、規劃與綜合分析等方面的基本訓練，如圖3所示。

1.內容繁雜

結構設計原理課程包含多種型式結構的設計原理，主要講解材料性能、結構設計基本原則。該課程的鋼結構穩定性理論部分，內容繁雜難懂，學生難以理解整體穩定和局部穩定的區別及含義。此外，如果教師未能抓住教學主線，掌握合適的教學方法，就易造成學生難以深入理解不同類型結構構件截面的應力、應變概念，從而在分析不同結構設計時存在困難。

2.公式晦澀

在學習鋼筋混凝土部分時，需要考慮材料的彈塑性，其受彎、受剪、受扭及受壓承載力公式基于較多假設及實驗數據，這對于學生而言較為復雜且抽象。同時，結構構件設計最終需要結合彎、剪、扭空間組合受力開展計算，僅僅在簡化和假設的基礎上進行公式講解，不利于理解和掌握結構設計空間力學原理。

3.實踐性較強

結構設計原理課程最大的特點是課程理論需與工程結構設計實踐相結合。通過課程設計，將課程理論學習與結構空間建模及演示軟件操作相融合，能夠最大程度地加深學生對設計理論的理解，提升其學習獲得感。

因此，現階段亟待面向新工科建設深入開展土木工程結構設計原理課程的教學改革，加強教學過程中的創新與實踐，提升現代教學的數字化、智能化水平，幫助學生理解多種結構設計之間的共性和關鍵技術原理，掌握空間結構基本受力分析流程，靈活運用設計計算公式，最終實現學以致用，成長為應用型工程設計人才。

（二）現有傳統平面教學模式的總結與反思

空間彈性體的力學分析是結構設計原理的基礎內容，如圖4所示。三維微元體力學解析共有15個變量，需滿足3個平衡方程、6個本構關系、6個幾何方程，以及6個不完全獨立的應變協調方程，可以通過“平衡 + 本構 + 幾何或者平衡 + 本構 + 協調\"構成彈性問題的基本方程組，轉換成微分方程在某些邊界條件下進行求解。

在人工進行力學計算和分析的時代，通過設定平面應力與平面應變問題進行空間簡化，成為工程力學等課程的學習難點。在計算機數值仿真分析算法成為空間結構分析的主流技術之后，空間結構的精確分析從人工手算進入計算機電算的時代，結構設計開始針對大跨度、高聳、空間結構開展精準有效的空間數值模擬分析計算。然而，根植于經典力學理論和方法的結構設計原理教學，還是以平面應力和平面應變的簡化分析理論作為教學設計的基本依據，難以適應智能建造的發展趨勢。

現有的結構設計原理，基于材料科學和工程結構開展教學，其課程設計、計算分析和圖紙構造，均建立在2D思維框架中，與實際的3D結構建造產品存在較大的維度差異，如圖5所示。平面的原理設計和分析模式，難以滿足數字時代的空間結構設計需求，也無法與計算機信息技術相融合，發展成為新型智能結構設計體系。如何在智能建造的時代發展背景下，從現有的2D結構設計原理教學中，基于對空間力學問題和現代材料性能解析，開展智能空間結構設計原理教學，是當前建筑結構工程學科面臨的巨大挑戰。

（三）智能建造和數字技術發展下的教學改革設計

當前，計算輔助設計和有限元數值模擬已經成為結構設計原理的教學基礎。利用計算機空間輔助分析將課程設計與教學工作相結合，有助于形成整體性良好的課程理論體系。將數值模擬與空間模型的動畫演示相結合，有利于學生理解晦澀理論和復雜公式。此外，將設計基本理論與課程設計實際結構的整體驗算相結合，是集中深入的理論與實踐融合教育。

在智能建造背景下開展結構設計原理的教學改革時，首先，在例題講授過程中需要突出空間問題在結構設計中的必要性和顯著性，結合工程結構設計要點和基本原理計算，利用新型三維數字模型軟件開展仿真動態演示和空間結構優化設計。對于橋梁結構專業的學生，某些橋梁的空間穩定問題和組合受力問題均具有顯著的空間結構分析特征，可作為日常例題、思考題。

其次，課程設計的題目和選擇需要考慮工程智能建造技術和空間受力特征，既要確保有助于學生掌握課程體系中的關鍵技術，又要保障課程設計與工程實際的相似性，具有一定的應用借鑒價值。例如，對于結構工程專業的學生，可設置空間鋼結構的穩定性分析和高聳結構的抗風設計問題。教師結合課程設計和智能建造技術的進行講解，并依托實際工程案例，幫助學生深人理解空間設計要點，切實掌握智能建造結構的設計方法。

最后，在智能建造背景下，任何一種傳統結構的設計原理都會隨著建造技術的革新而進行設計方法的改進。在課程教學過程中，需要結合智能建造技術最新發展，對傳統結構教學進行升級和更新。例如，傳統砌體結構采用人工砌筑的方式建造，然而隨著智能建造機器人的發明和應用，現代砌體結構在砌筑質量、結構驗算和失效模式分析方面均得到了較大改善，需要結合新型砌體材料、建造工藝進行詳細的對比分析和原理教學，以提升結構設計原理教學的工程適用性。

三、案例分析

面向新工科建設與智能建造雙重驅動下的工程專業人才的市場需求，明晰結構工程專業創新型人才培養模式的構成要素，依托浙江大學新工科教育基金項目，主要從重塑專業空間結構設計理念、重構專業課程體系、強化創新教育、增強理論聯系實際等方面進行教學改革。通過提煉建筑材料、建筑力學、建筑結構中共有的知識點，整合多種教學資源，按照\"總體規劃 $$ 結構模塊 $$ 知識要點 $$ 拼裝組合\"的思路，開展從2D到3D的結構設計原理教學改革。

（一）典型教學案例與教學效果

在結構設計原理教學中，抓住結構空間穩定性驗算這個結構設計的關鍵技術要點，結合江蘇無錫312國道獨柱箱梁橋傾覆的工程案例，利用數值仿真開展重載車輛空間布置，進行動態傾覆模擬分析，如圖6所示，并針對該特定橋型結構空間尺寸信息和重載車輛交通統計資料開展多工況空間布置的結構受力驗算、穩定性驗算。結合教學和微課視頻，分析空間布載位置的變化與安全性關聯機制，給出該類空間結構的失效預警設計理論基礎。學生在課程學習的過程中結合工程實況開展結構計算，形成了空間結構設計及運維管理理念，取得了良好的教學效果。通過課程案例的空間解析和數字演示，激發了學生的深人學習興趣。結合該課程案例，學生小組獨立完成了橋梁結構抗傾覆分析設計，分析了各種空間超載重車車隊在不同車道布置下對橋梁支座拓空和傾覆風險的影響，并利用計算機建模方法建立了數字模型，分析了空間結構穩定性，分析流程如圖7所示。該方法可結合工程實踐分析橋梁失效風險，實現交通基礎設施的安全預警，立項省級大學生SRTP項目1項，表明教學改革有助于學生深刻掌握結構設計原理，靈活利用設計理論開展智能工程管理。

（二）課程設計題自與智能建造教學案例

在課程設計環節中，以浙江大學紫金港校區東、西教學區湖上交通人行景觀橋作為設計題目，針對小型拱橋空間體型優化展開設計流程的講解，分析現有結構設計建造方法與數字設計、增材建造技術的對比，鼓勵學生利用有限元數值仿真對比各設計結構體型的受力與變形，提出空間最優異型拱橋設計方案。學生基于結構基本原理建立的空間體型設計及安全驗算流程如圖8所示。

在優秀課程作業“騰飛橋\"中，學生以生長中的藤樹和類神經元樹突的外觀造型為靈感，設計了一座總長96.8米的異型剛架橋。該橋采用計算機拓撲優化技術生成橋梁雛形和完成結構外形的優化，省去了傳統設計中多種橋梁方案的比選和手算工作。藤樹根蔓纏繞，向上生長，寓意“團結協作，積極發展”；枝干的結合處類神經元樹突造型，寓意“智慧與生命力”，傳達“生命即創新”（crea-ture is creative）的理念。在結構建造中采用增材智能建造3D打印和現澆裝配相結合的施工技術，可以無模成型，增材自制，實現賦力與形，最大化利用材料，符合低碳環保的要求。學生結合結構設計原理課程畢業設計展開了空間異型橋梁結構的靜力和動力分析，并積極修改課程設計作業，參加智能建造相關設計比賽“藤飛橋\"在全國混凝土3D打印設計大賽上，經過結構設計、實體打印、報告演示和答辯講解環節，得到領域專家的一致認可，獲得二等獎。該教學案例表明，在結構設計原理教學過程中，將現有的智能建造技術與傳統的結構設計原理相融合，有助于學生清晰地掌握空間結構設計方法，形成創新型結構設計理念，具有良好的可行性和卓越的教學效果。

四、結語

建造業從粗放式人工建造向數字化智能建造轉型已經成為不可逆轉的趨勢，結構工程專業是偏應用型的專業，實踐性也較強，必須根據時代要求進行教學改革。然而傳統課堂教學模式均建立在平面力學分析方法與設計模式之上，難以適應智能建造3D化、數字化、工業化的發展形勢。因此，本文從教學理念、課堂形式、組織方法、教學內容等方面對結構設計原理課程進行全方位的改革，構建全新的課堂教學體系，極大程度地提高結構工程專業學生的空間分析能力。經過積極探索，工程空間穩定性動態演示和混凝土拱橋的拓撲優化課程設計取得了良好的教學效果，表明傳統建筑專業課程結構設計原理的教學可以與最新智能建造的技術融合，形成新工科專業教育教學模式。

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Teaching innovation and practice of structural design principle under the background of intelligent construction： taking Zhejiang University as an example

SUNXiaoyan，WANGHailong，YANGYingnan （College of Civil Engineering and Architecture， Zhejiang University，Hangzhou 31Oo58，P.R. China）

Abstract： With the gradual integration of traditional construction and modern information technology，the constructionindustry isgradually transforming towards intelligent construction featuringvisualization， industrialization，and informatization.Ithas becomeanimportant development directionof collegesand universities to carry out professional construction and teaching reform. The traditional structural design principle course hassome problems，such asplanarization of space structure，single teaching method， insufcient digitization， informatization，and inteligence in the structural analysis process，and inadequate utilization of information and software resources.This paper systematically analyzes the development process of intelligentconstruction technology.Taking Zhejiang Universityas an example，basedon the technical standards of the construction of new engineering specialty，a new teaching scheme of structural design principle course is put forward from the perspective of curriculum system， teaching method，teaching platform and case analysis. A new educational path of inteligent construction specialty is explored，providing reference for the construction of intelligent construction specialty in other universities.

Key words： inteligent construction; structural design; curriculum system; case analysis; reform in education

（責任編輯 代小進）