“地下建筑结构”课程教学改革的思考和分析

摘要：“地下建筑结构”是岩土与地下工程专业本科教学中的重要专业课程之一，该课程具有很强的工程实践性，因此在教学中应该充分地给予重视。根据“地下建筑结构”课程的特点，分析了该课程在教学中存在的主要问题，如教材较少、内容较多、理论较难等，根据该课程教学中存在的问题提出了一些有针对性的思考和应对措施。

关键词：地下建筑结构；多媒体；引导式教学

作者简介：邓祥辉（1976-），男，四川德阳人，西安工业大学建筑工程学院，讲师。（陕西?西安?710032）

中图分类号：G642.0?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）20-0074-02

一、开设地下建筑结构课程的必要性

21世纪是地下空间快速发展的时代，各国对地下空间利用和开发的规模和速度前所未有。近些年，我国在高速公路、水利水电工程、城市地铁、铁路工程、矿山工程、城市地下空间利用等方面发展很快，各种大型的地下建筑结构越来越多。这些地下工程的建设，使地下建筑结构的设计和施工水平取得了很大的提高。“地下建筑结构”是岩土工程、地下工程、隧道工程、道路与桥梁等专业的主干课程之一，普遍来讲，很多院校开设“地下建筑结构”课程的时间都比较短，不可避免的存在一些问题。因此，该课程应该在教学模式上，教学方法上适应地下工程快速发展的形势需要，进行必要的教学改革和探索。

二、“地下建筑结构”课程特点

“地下建筑结构”课程一般在大四上学期或者大三下学期开设。虽然在之前已经开设了“土力学”、“ 结构力学”、“ 水力学”、“ 工程地质”等课程，但由于“地下建筑结构”课程的特点与很多课程相差较大，学生学习常常不知所措，感到困难。概括地讲，地下建筑结构有三个显著特点：第一，地下建筑是在地层中修建的，结构和岩土体会相互作用和制约对方的变形；第二，地下建筑的介质——岩土体，是非均质、非线性的，其本身的物理、力学性质会因时而变，因空间不同而各异，这种不确定性给地下建筑结构的设计和施工带来了很大的困扰；第三，降雨、地下水位的变化，对地下建筑结构的安全性影响也很大，考虑水荷载的变化是一个重要问题。因此，相对于地上建筑，地下建筑结构的这些特点会给设计和施工带来很大的困难，在讲授本课程时，必须强调地下建筑结构和周围介质的相互作用的特点和环境的不确定性，对学生掌握地下工程的基本概念、计算方法和设计程序是非常重要的。[1]

三、目前教学中存在的问题

1.教材的问题

选择一本好的教材可以使教学达到事半功倍的效果，然而在实践过程中，地下建筑结构的教材只有寥寥几本，使用较多的一本是同济大学朱合华教授主编的《地下建筑结构》，另外一本是中国地质大学陈建平教授等编写的《地下建筑结构》。[2]相对来说，前者是在老教材《岩石地下建筑结构》和《土层地下建筑结构》基础上编写而成的，体系完整、内容很全面。[3，4]而后者主要侧重于岩石地下建筑结构，内容范围比较狭窄。教材的种类相对于全国188个土木工程专业，几十个学校开设地下建筑结构课程来说，明显偏少。而且由于开设本课程的学校学生水平参差不齐，所以教材是否合适不同层次和水平的高等院校也是一个大的问题。

2.课程内容较难，学生不容易掌握

地下建筑结构研究内容涉及土力学、岩石力学、结构力学、工程数学、水力学、水文地质、工程地质、工程实验学等多门学科，需要学生具有扎实的基础和专业知识。根据地下建筑结构所处的介质不同，可以分为土层地下建筑结构和岩石地下建筑结构。而不管是土层还是岩石地下建筑结构，对于荷载、计算模型、计算方法、可靠度理论等则属于共同的理论和方法，涉及很多具体形式的地下结构，如土层的沉井、地下连续墙、盾构隧道、基坑支护、沉管等。岩石地下建筑结构则主要是隧道、地下洞室、斜井、竖井等结构形式。每种结构形式的计算、设计方法不尽相同，这对学生理解和掌握有一定的难度。但对学生而言这不是最难和最重要的，最难和最重要的是教师如何把这些不同结构形式中带有共性的理论深入浅出的讲透彻，便于学生理解和掌握。

（1）确定地下建筑结构的荷载比较复杂。对土体这种孔隙介质而言，经常由于地下水的存在，要明确什么情况下采用水土合算还是水土分算的问题。如果是岩体，在地下水的影响下，水荷载的确定还跟岩体本身是孔隙介质还是裂隙介质有关系，这就很复杂了。另外，对于地下洞室还会涉及深埋与浅埋的问题，由于深埋结构和浅埋结构对应的荷载差别很大，所以讲透深埋隧道和浅埋隧道的判断标准，可能比简单讲计算公式和应用公式更为重要。

（2）计算方法的选择。地下建筑结构的计算方法主要两种，一是荷载-结构法，二是地层-结构法。荷载-结构法与一般地上结构计算方法相同，学生比较容易理解。而地层-结构法要考虑地下结构与周围介质的相互作用和共同变形，采用的方法很多比如有限元法、有限差分法等，这些方法学生不容易理解和掌握。

（3）地下结构可靠度理论分析是结构计算与数学结合的一种结构可靠度分析理论。由于理论本身以及涉及的验算点法、JC法以及蒙特卡洛法等非常抽象、学生理解难度较大。加上现有的本科相关教学内容中，这部分基本上是大篇幅的理论介绍和理论推导，学生很难理解，更不要说应用了。

（4）对于具体的结构形式如隧道、盾构隧道、地下连续墙等结构的计算，结合工程实例讲解太少，有些则过程过于简略，不利于本科学生学习。

3.课程学时较少，内容太多

地下建筑结构既包括土层地下建筑结构，也包括岩石地下建筑结构，以同济大学的《地下建筑结构》为例，课程总共有16章内容，内容几乎涵盖了地下建筑结构的绝大部分内容。这么难的一门课程，如此多的内容，在各院校的实际教学中不可能全部讲授。西安工业大学（以下简称“我校”）开设课时只有40学时，教学工作时间紧，任务重，难度大。因此，对很多章节就只能粗略地介绍。有些经典力学问题的推导过程只能点到为止，仅要求学生掌握其假设条件和使用条件，能正确使用其公式即可。

四、课程教学实践中的几点思考

1.优选教学内容

针对教材较少，而且教材主要是根据同济大学和中国地质大学的学生实际情况编写的，与很多院校学生情况差异很大的情况，我校在实际教学中主要是根据本科教学大纲和课时安排，科学地编辑教学内容，有意识地将目前国内外的地下工程重大研究进展和工程实践介绍给学生。例如对比较抽象的可靠度理论，主要结合例子讲解中心点法、验算点法以及JC法在例子中的应用，这样讲学生学习效果比单纯的理论推导效果更好。同时，根据学生情况，结合多年的教学实践，逐步采用自编讲义，取得了一定的效果。在地下连续墙设计中，采用某基坑工程进行实例讲解，从力学计算，支撑的设计，到与施工开挖的结合进行完整的计算，使学生更直观地掌握整个设计、计算过程。

2.板书与多媒体教学相结合

传统板书的优点是条理清晰、推导过程学生可以同步，理论推导学生理解更容易。而缺点是板书占用了大量的课堂时间，传授的知识量、信息量相对较少，特别对于那些不能生动地用言语描述的内容，例如图片、声音和动作等效果较差。而多媒体的优势是信息量大、可以运用图片、声音等生动体现讲解内容。因此，对于理论推导部分，如弹性地基梁、可靠度理论等采用板书方式，而对于地下建筑结构的形式、施工过程、设计布置等则采用多媒体，让学生更直观和生动的学习，效果更好。另一方面，地下建筑结构重大技术的视频播放可以给学生以震撼的视觉效果，激发他们的学习热情。

3.引导式教学培养学生的创新能力

传统的教育方式中，教师更注重传授知识本身，这就产生了一个问题，很多时候学生都是被动地接受知识，很少主动思考问题。在教学过程中引出比较有影响的工程或者引起很大争议的工程，提出这些工程或者工程引起争议的原因或背景，引导学生积极思考和探讨，才能取得较好的实际效果。例如在讲盾构隧道时，以2008年杭州地铁事故为例，列出了业主方、施工方争议的背景和焦点，并结合工程实际施工和设计进行分析，提出很多问题让学生自己分析和思考，提高了学生学习的积极性、主动性，产生了较好的效果。

五、结语

地下工程近些年发展非常快，工程设计和施工需要大量拥有扎实知识和创新能力的合格工程专业人才。在本课程的教学中有针对性地培养学生的实践能力、创新意识、独立思考和解决问题的能力具有很大的理论和实际意义。

参考文献：

[1]朱合华,等.地下建筑结构[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.

[2]陈建平,吴立,闫天俊,等.地下建筑结构[M].北京:人民交通出版社,

2008.

[3]重庆建筑工程学院,同济大学,哈尔滨建筑工程学院,天津大学.岩石地下建筑结构[M].北京:中国建筑工业出版社,1979.

[4]同济大学,天津大学,哈尔滨建筑工程学院,西安冶金建筑学院,上海市隧道建设公司.土层地下建筑结构[M].北京:中国建筑工业出版社,1982.

（责任编辑：宋秀丽）