基于结构设计软件的《建筑结构抗震》互动式教学模式

方钊 刘少波

摘  要：《建筑结构抗震》是土木工程专业的必修专业课，然而当前该课程的教学存在理论授课脱离实际工程设计案例的问题。本文针对《建筑结构抗震》课程，从大纲及授课计划的制定、教材选用、教学内容、教学过程设计及考核方法等方面探讨以应用型人才培养为目标、基于PKPM结构设计软件的教学模式改革，实现抗震理论知识和结构设计软件演示的互动式教学模式，从而给该课程在应用型人才培养背景下的改革提供参考。

关键词：应用型人才培养  建筑结构抗震  PKPM结构设计软件  互动式教学模式

中图分类号：G642;TU352.11-4 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）07（a）-0162-05

Interactive Teaching Mode of Seismic Resistance of Building Structures Based on Structural Design Software

FANG Zhao  LIU Shaobo

（School of Architecture Engineering， Nanjing Institute of Technology， Nanjing， Jiangsu Province， 211167  China）

Abstract： The Seismic Resistance of Building Structures is a compulsory course for Civil Engineering majors. However， the current teaching process of this course often has the problem that theoretical teaching is divorced from actual engineering design cases. Aiming at the course Seismic Resistance of Building Structures， this paper discusses the teaching mode reform based on PKPM structural design software with the goal of cultivating applied talents from the aspects of outline and teaching plan formulation， textbook selection， teaching content， teaching process design and assessment methods， so as to realize the interactive teaching mode of seismic resistance theoretical knowledge and structural design software demonstration， So as to provide reference for the reform of the course under the background of applied talent training.

Key Words： Applied talents cultivation; Seismic Resistance of Building Structures; PKPM structure design software; Interactive teaching mode

应用型人才培养是目前我国较重视的一种人才培养模式，其培养过程应基于大学内所学的各门专业课程。《建筑结构抗震》是土木工程专业的必修课程，该课程主要阐述建筑结构的地震作用计算与抗震设计方法，具有较强的实践性和综合性。传统的《建筑结构抗震》课程的教学，主要基于教师在课堂上对理论知识和设计方法的讲授，教学过程中往往脱离实际工程设计案例，与现阶段许多高校制定的应用型人才的培养目标不符，因此需在教学中理论联系实际，让学生接触到更多的抗震结构设计案例，培养学生对所学知识的实际应用能力。

新时代由于计算机技术的发展，利用计算机进行结构设计逐渐成为当今结构设计的主流。其中，PKPM结构设计软件由于操作简便、便于理解及设计方便等优点，已经被一些开设土木工程专业的高校纳入教学内容。然而大部分高校均将该软件作为为期一周的实训课程进行教学，与以《建筑结构抗震》课程为代表的结构设计理论教学分开进行。因此，在教学过程中，易出现软件教学与结构设计理论教学脱节的问题。部分对软件较熟悉的教师在教学时仅教授学生软件的使用方法，而往往未能教授学生利用结构设计理论知识判别结果准确性的方法，这导致学生仅会按部就班地进行计算分析，但不会判断结果的对错;而与之对应，部分对结构设计理论较熟悉的教师，则侧重于理论知识和设计经验的教授，倾向于让学生自学结构设计软件，这造成部分学生对软件操作不熟悉。这种脱节现象源于两课程的分开设置，从而对《建筑结构抗震》的理论教学和PKPM结构设计软件的实践教学均产生了不利的影响，因此应当尝试将两课程结合进行互动式教学，使二者相辅相成。

本文将针对《建筑结构抗震》课程，从大纲及授课计划的制定、教材选用、教学内容、教学过程设计及考核方法等方面探讨以应用型人才培养为目标、基于PKPM结构设计软件的教学模式改革，从而实现抗震理论知识和结构设计软件演示的互动式教学模式。

1  教学研究现状

目前，已有部分教学研究者针对《建筑结构抗震》课程的教学模式进行了不同程度的改革探索，如彭亚萍、胡大柱[1]结合课程的教学实践，探索了《建筑结构抗震》课程基于应用型人才培养为目标的教学模式改革;潘月月等[2]探讨了适用于《建筑结构抗震》课程创新创业教育的途径和方法;任玲玲等[3]探讨了专题模块化教学在结构抗震课程中的应用;曹秀丽[4]针对应用型本科土木工程专业中《建筑结构抗震》课程的教学实践进行了思考和探索;范萍萍等[5]尝试将思政教育融入于《建筑结构抗震》课程的教学中;Charleson[6]针对新西兰抗震设计的教学現状，采用案例研究的方式，讨论了抗震设计课程所需要的教学内容、教学方法和教职工素质，并提出最为关键的两个方面，即课程与设计的相关性及授课呈现方式的多样性，由此提出教学方法，并提供了很多有益的参考资料;Beltran[7]介绍了一套从定性和定量两个角度、基于抗震设计和抗震设计原则进行课程教学的教学方法。与此同时，越来越多的教育研究者也逐步重视基于工程案例进行《建筑结构抗震》的教学，如吴琛等[8]分析了《建筑结构抗震》课程建立教学案例库的必要性，并且设计了整个案例库的建设内容和建设方法;周小龙等[9]提出了工程案例与虚拟实验相结合的教学模式。但迄今为止，基于PKPM结构设计软件的《建筑结构抗震》课程改革的相关教学研究较为匮乏。

2  教学模式改革详述

2.1 教学大纲及授课计划的制定

教学大纲和授课计划是课程实施的基础和参照物，其中教学大纲设计应结合课时的情况，尽可能满足工程教育专业认证的要求。针对基于PKPM结构设计软件的《建筑结构抗震》课程，设计内容应包括课程目标及与毕业要求指标点的关系（应突出工程设计实践方面的目标和指标点）、教学内容和教学要求、各教学环节学时分配（尤其是理论教学和实践教学学时的分配）、教学组织与方法、课程成绩评定与达成度分析、推荐教材和教学参考文献等内容。授课计划应当包括授课顺序、需用课时数、授课性质及课外作业等内容。

2.2 教材选用

现阶段，《建筑结构抗震》课程的教材种类较多，大部分教材的脉络也较清晰，但却几乎没有涵盖PKPM结构设计软件的教材，因此还需额外配备一本关于PKPM结构设计软件的教材，且应尽可能不是一本纯粹的软件说明书，而应有工程实例的讲解。此外，教师也可自己编写既能阐述建筑结构抗震理论，又穿插PKPM软件教学的教材或讲义。

除此之外，部分教材由于编写年代较为久远，因此与现行的我国《建筑结构抗震规范》脱节。尤其是《建筑抗震设计规范》在2016年期间进行过一次修订，因此应尽可能选择在2016年后进行过修订的教材，保证结合最新的抗震规范进行授课。

2.3 教学内容

《建筑结构抗震》课程的理论课教学内容应当因地制宜、结合学生的实际情况制定，一般应包括以下主要内容[10-11]。

（1）绪论，包含地震基本知识、结构的震害与结构抗震设防。

（2）场地与地基基础抗震设计，包含场地、液化现象、地基基础抗震设计。

（3）结构地震反应分析与抗震验算，包含结构的地震反应分析、水平地震作用计算、竖向地震作用计算、结构扭转效应及结构的抗震验算，这部分内容应重点讲授。

（4）钢筋混凝土结构、砌体结构及钢结构的抗震设计，包含结构震害、抗震概念设计、抗震计算、构件截面设计与抗震构造措施。其中，钢筋混凝土结构由于应用最为广泛，因此应当为该部分的重点内容，而砌体结构在目前使用逐渐变少的趋势下，篇幅可适当降低。

（5）隔震与耗能减震结构设计。这部分内容并非课程重点，可适当压缩。

与此同时，还应包含PKPM结构设计软件的相关教学内容，主要包括PKPM结构建模（PMCAD模块）、SATWE设计参数详解及分析计算、结构构件施工图设计、基础参数设置及构件布置（JCCAD）等。

2.4 教学过程设计

2.4.1 理论教学部分

理论教学过程应以课堂讲授为主、学生问答和习题练习形式为辅，以多媒体课件与板书相结合的方式进行教学，且必须结合最新的《建筑结构抗震设计规范》授课，并在适当的时候，播放建筑结构震害现场的相关视频。建筑结构抗震理论教学与PKPM结构设计软件展示应当是相辅相成、同时进行并互动的，在理论教学的过程中，采用PKPM结构设计软件对理论知识点进行演示。由于篇幅所限，以下选择部分授课内容，列表展示理论教学与PKPM软件演示的互动，并列出学生的预期学习效果，以供参考（以PKPM V4版本为例），部分演示内容的操作界面如图1中的图框所示。

从表1可知，在《建筑结构抗震》的理论授课过程中，如采用PKPM结构设计软件作为辅助，二者互动进行教学，可取得较好的教学效果，学生可加深对概念的理解，并熟悉参数取值方法及结构计算方法。

2.4.2 案例实践部分

这是在完成或接近完成《建筑结构抗震》理论授课时设置的综合实践教学环节，可通过要求学生基于PKPM结构设计软件对某一具体工程案例进行抗震设计，提高理论知识的实际应用能力。由于在理论课中已经让学生熟悉了一部分PKPM的相关操作，因此实践总时间可缩短并设置为2～3d。建议以结构形式相对简单的钢筋混凝土框架结构的抗震设计为案例，其基本教学过程如下所示。

（1）教师应首先给出设计任务书，详细描述该设计实训的基本内容、基本要求及最终需要学生提交的材料，如以某钢筋混凝土框架结构为例，则设计任务书应当包含该结构的基本功能要求和简单布局，并要求学生基于该任务书进行设计。

（2）学生根据设计任务书给出的设计基本条件及功能要求，参照抗震理论知识，确定各构件的尺寸与位置，如柱网布置、柱距、柱截面尺寸、梁的布置、梁截面尺寸等，进而确定结构的布置。在此基础上，进行计算分析，得到构件内力值，从而完成构件配筋，最终得到各构件的配筋信息。在上部结构设计完成之后，进行结构的基础设计，包括柱下独立基础的截面信息与布置设计等方面。

（3）学生最终提交的文件应包括梁配筋结构平面图、柱配筋结构平面图、板配筋结构平面图，以及基础平面布置图和基础详图等图纸及上部结构计算书、基础计算书等计算说明书。

通过该案例实践教学，学生不仅能在实践过程中复习理论课知识点并加深理解和记忆，还能对采用计算机进行结构设计有更加系统的认识，这对大四下学期的毕业设计大有裨益。

2.5 考核方法

《建筑结构抗震》平时成绩的考核应包含考勤、作业及案例实践部分，其中，作业部分应尽可能布置一些涉及到PKPM互动演示的练习，而期末评分可通过考试的方法进行考核。由于有案例實践环节的加入，因此平时分所占的比例应适当提高，建议考试占总成绩的60%，平时成绩占40%（包含10%的考勤、20%的案例实践部分以及10%的作业部分）。以上述方法可取得较好的考核效果。

3  结语

以上以应用型人才培养为目标、基于PKPM结构设计软件的《建筑结构抗震》课程教学模式，实现了《建筑结构抗震》理论知识和PKPM结构设计软件的互动式教学，能够加强学生理论联系实际的能力，更好地为土木工程专业应用型人才的培养服务，为毕业生今后去设计院进行的结构设计工作打下更牢固的基础。

参考文献

[1] 彭亚萍，胡大柱.应用型高校建筑结构抗震课程教学改革与实践[J].高教学刊，2020（10）：96-100.

[2] 潘月月，王金龙，刘倩.创新创业理念下《建筑结构抗震》课程教学实践与探索[J].潍坊学院学报，2020，20（2）：71-73.

[3] 任玲玲，董園，梁森奥.应用型本科院校工程结构抗震设计课程教学实践探索[J].高等建筑教育，2020（3）：120-127.

[4] 曹秀丽.《建筑结构抗震设计》在应用型本科教育教学中的实践和思考[J].科技创新导报，2008（35）：173.

[5] 范萍萍，马守才，赵永花，等.建筑结构抗震设计“课程思政”教学改革探索[J].高教学刊，2020（5）：133-135.

[6] Charleson A W. Seismic design within architectural education[J].Bulletin of the New Zealand Society for Earthquake Engineering，1997，30（1）：46-50.

[7] Mauricio Morales Beltran，B. Yildiz. Integrating configuration-based seismic design principles into architectural education： teaching strategies for lecture courses[J].Architectural Engineering and Design Management，2020，16（4）.

[8] 吴琛，王黎怡，张铮，等.“建筑结构抗震设计”教学案例库建设的探索与实践[J].教育教学论坛，2020（45）：280-283.

[9] 周小龙，刘章军，卢海林，等.工程案例与虚拟实验在建筑结构抗震课程教学中的应用[J].高等建筑教育，2020，29（5）：149-155.

[10] 王社良.抗震结构设计[M].4版.武汉：武汉理工大学出版社，2007.

[11] Chia-Ming Uang， Michel Bruneau. State-of-the-Art Review on Seismic Design of Steel Structures[J].Journal of Structural Engineering，2018，144（4）.