基于概念设计的钢结构设计原理实践教学研究

李晓虎 栗蕾 赵雯桐 康莉萍

摘要：概念设计涵盖了工程设计完整的设计思路和计算方法。本文将概念设计的理念融入到钢结构设计原理的课程教学中，有利于学生对钢结构设计的总体把握和学习应用。本文阐述了将概念设计引入钢结构设计原理课堂的具体内容，并对教学改革的方法进行了探讨，为今后在工程实践中的应用打下坚实的基础。

关键词：钢结构设计，概念设计，极限状态，结构构件

一、前言

随着计算机技术的提高，结构设计分析软件也得到快速发展。目前，在结构设计过程中，计算机的辅助功能占据越来越重要的分量。和手算进行比较，结构分析软件的电算结果更加精确。但是对于结构分析中出现的问题如果进行分析判断是一个非常重要的难题。

对于整个工程的设计要以概念设计为主导，指导全部的设计过程。只有这样才能保证整个工程设计的完整性和结构的安全性。概念设计可以正确地处理整体工程和各个构件之间的关系，并且能够始终贯彻设计工程师的基本结构设计理念[1-2]。而工程师这种设计思维方式从高校的教学中就应该开始培养。目前的钢结构设计原理教学中，概念设计的理念并没有得到很好的贯彻实施。在钢结构设计原理课程结束以后，学生基本上可以掌握轴心受力构件、受弯构件以及偏心受力构件等这些单一构件的计算和设计，但是对于一个完整的工程设计却没有相对应的设计思路和计算方法。这就造成了学生在高校的课程中学到的知识不能直接有效地应用于实际工程，与社会发生了脱节。设计大师林同炎先生说过[3]，实际工程在设计工程中是先有结构然后才会出现组成结构的各个构件。而目前钢结构设计原理课程的教学存在着先进行构件的设计计算，再到整个结构的问题。

在讲课的过程中，将概念设计这个理念完全融入到课堂上，可以让学生对所学内容的理解更清晰明了。笔者所在的土木建筑学院钢结构课题组将概念设计的理念贯穿到整个课程教学中，让学生通过更加形象立体的结构及构件受力分析，有效地掌握各种构件的受力特点，为今后在钢结构的設计工作中熟练运用打下坚实的基础。

二、将概念设计引入钢结构设计的教学内容

现有的教材《钢结构设计原理》中[4]，概念设计只是作为结构体系和布置原则的一些基础知识内容，对于结构的受力分析等内容涉及比较少。而在实际工程设计中，概念设计需要贯穿整个结构设计过程，处处都体现有概念设计的中心理念。针对钢结构设计原理的主要内容以及各种构件的特点，在讲解构件连接、轴心受力构件、受弯构件以及偏心受力构件时，需要加入比较形象立体的概念设计理念。

（1）钢结构计算方法的概念与判断

对于钢结构的计算而言，其计算方法是所有结构设计的基础。因此，对钢结构计算方法概念和判断的掌握尤其重要。其相关内容一般出现在《钢结构设计原理》的第一章节，学生对钢结构的计算方法还是很容易处于混沌状态。因此在讲课过程中应着重给学生讲解正常使用极限状态和承载能力极限状态的概念和判断准则，使学生对结构的设计有更清晰的认识和判断。要引导学生去思考钢结构设计为什么会从正常使用极限状态和承载能力极限状态这两种状态入手去对其进行计算，让学生充分理解这两种状态的概念特征和判断依据以及采用的具体的分析方法。向学生讲解的时候可以从计算方法的历史与基本思想着手，结合结构的功能要求，自然而然的引出两种极限状态的概念。结构的极限状态其实质上就是结构处于可靠状态和失效状态的一种临界状态。正常使用极限状态一般涉及的是变形，是从人对建筑的使用角度出发，当建筑在使用过程中出现变形或裂缝等的发展对人产生的感觉达到不舒服的临界值就是正常使用的极限状态。主要包括结构或构件的变形、局部损坏、振动等状态。承载能力极限状态主要是指结构或构件本身，达到其最大的承载能力。主要包括结构或构件因强度超过而破坏、因失去平衡产生的不稳定以及在反复荷载作用下发生的疲劳破坏等状态。

所有结构的计算目的都是为了保证结构和构件在施工和工作过程中能够满足预期的安全性及使用性的要求。用公式（2-1）可以表达其含义：

荷载效应S≤结构抗力R    （2-1）

其中S表示由荷载作用引起的内力、应力、变形等，这些对结构来说都属于负荷;R表示结构或构件承受内力和变形的能力，是结构或构件本身的特性。

将此计算理论给学生讲清楚，钢结构后面的计算内容基本上都是以此为基础展开的计算分析。让学生把握计算的宗旨，避免在以后的计算设计中出现概念设计的错误。

（2）钢结构设计中弹性和塑性的概念设计

钢结构的设计有弹性和塑性设计方法。弹性设计方法是指以结构的弹性极限荷载为强度指标，而结构的弹性极限荷载是指使结构某处应力达到弹性极限的荷载值。塑性设计方法是指以结构的塑性极限荷载为强度指标的设计方法。结构的塑性极限荷载是指使结构开始发生塑性流动变形的荷载值。弹性设计方法不允许结构内部出现屈服区域，而塑性设计方法允许结构内部出现塑性区域。塑性设计充分利用了结构及构件的塑性性能，可以节省材料和延长结构的使用寿命，但减小了结构的安全储备，增大了破坏的风险。

《钢结构设计规范》GB50017-2017[5]对塑性设计的规定，塑性设计适用于不直接承受动力荷载的固定梁、连续梁以及由实腹构件组成的单层和两层框架结构。

（3）各种受力构件的概念设计

钢结构中构件的计算都必须要满足强度、刚度和稳定性的要求。每种受力构件的计算采用的计算准则有所不同。轴心受力构件的强度计算以截面的平均应力达到钢材的屈服强度作为计算准则，计算强度公式为：

—对x轴的净截面模量。

偏心受力构件的整体稳定则通过采用边缘纤维屈服准则近似的求解压溃临界荷载，然后考虑实际受力情况，引入相关系数。压弯构件的整体稳定计算公式为：

三、教学方法改革

对土木工程专业来说，《钢结构设计原理》是一门十分重要的专业基础课程，是学生认识钢结构的基本工作原理、从事钢结构相关工作的重要知识来源。但由于该课程难度较高，知识点比较零碎复杂，很多本科生在学习的过程中出现难理解、难记忆的现象。传统单一的教学模式很难满足当下教育的需求，也很难达到《钢结构设计原理》的教学目的和要求。针对此种现象，需要对《钢结构设计原理》课程的教学方法进行一些必要的改革，以提高课堂效率、提高学生对课程知识的掌握和运用。

（1）充分利用多媒体的优势

现今，多媒体科技的发展非常迅猛，多媒体在教育领域的应用也已经作为一种常见的方式出现在各个教学过程当中。和传统的板书相比，多媒体课件可以加入图片、动画、声音等立体效果，教学过程更加生动、直观。课堂上采用多媒体的教学方法，将钢结构中涉及的一些基本构件、连接通过图片和动画的形式传递给学生，还可以加入一些操作實践视频让学生观看。通过多种方式的交叉学习，加深学生对基本钢结构的认识，激发学生对钢结构的兴趣和求知欲。

（2）思维导图的应用

思维导图是一种表达发散性思维的有效图形思维工具，简单但有效的一种实用性思维工具。思维导图的利用可以让复杂的问题简单化，充分利用了人类的发散性思维方式。让使用者可以在原有知识的基础上进行延伸思考，全面调动大脑对文字、数字、图像、颜色、声音等的反应，很容易地掌握一个知识点所涉及的全部内容。

钢结构设计原理课程教学中，利用思维导图的方法可以很好的从概念设计的理念出发，让学生深入理解各种基本知识。思维导图可以充分利用多种已有的教学资源，综合所有资源的优点，全面掌握相关知识点。思维导图内容非常丰富，可以图文并茂的涵盖相关知识点所涉及的图形、计算公式、构造要求等内容。所有的知识和框架都一目了然，由一个点可以串联起其他相关的知识点。

结语

《钢结构设计原理》课程对于刚接触的本科生来说，理论性强、内容多且复杂。要想充分掌握钢结构设计的重要知识并能够应用到实际工程中，需要对知识的脉络有一个很清晰的认识并需要多结合工程实践进行分析思考，而最基础也是最重要的就是对概念设计的掌握。结合本课程的特点，分析了概念设计的重要性以及如何将概念设计引入到课堂中，旨在提高课堂的学习效率，提高学生的实践能力。为社会培养更多技术过硬的钢结构设计人才。

参考文献：

[1]朱慈勉，尹小明. 概念设计的意义和应用分析[J]. 建筑技术，2005，36（ 8） ： 626-628.

[2][2]高立人. 结构工程师与概念设计[J]. 建筑结构，1993（ 4） ：46-50.

[3]林同炎，S.D 思多台斯伯利. 结构概念和体系[M]. 北京：中国建筑工业出版社，1999.

[4]胡习兵，张再华.钢结构设计原理[D]. 北京，北京工业大学出版社，2012.8.

[5] GB50017 - 2017钢结构设计规范[ S].

本文系河南省重点研发与推广专项（科技攻关）项目《装配式钢-废弃纤维再生混凝土组合剪力墙抗震性能研究》阶段性研究成果，项目编号：212102310957