基于SRTP项目的大学生工匠精神培养实践

张 明，刘楠枫，余志祥，尹紫红

（西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031）

引言

关于工匠精神理念，2016年3月5日，时任总理李克强在《政府工作报告》中指出：鼓励企业开展个性化定制、柔性化生产，培育精益求精的工匠精神，增品种、提品质、创品牌［1］。2017 年，党的十九大报告提出要“建设知识型、技能型、创新型劳动者大军，弘扬劳模精神和工匠精神，营造劳动光荣的社会风尚和精益求精的敬业风气”［2］。工匠精神是指工匠对自己的产品精雕细琢、精益求精的精神理念，专业、专注、极致等都是其关键词［3］。高校是培养社会各行各业卓越工程师的主战场，而大学阶段是培育工程师“工匠精神”的黄金时期。

“大学生科研训练计划（SRTP）”可以为本科生提供科研训练平台，使学生尽早进入专业科研领域，接触学科前沿，掌握科研的基本方法，增强学生的创新意识，提高团队合作精神［4］。从2006年开始，笔者所在的西南交通大学也开始了该类本科生科研训练计划，至今已开展到第15期。

本研究立足时代背景，以工匠精神的定义和内涵为指引，以SRTP项目——“重组竹材在建筑结构工程中的应用研究”为实践平台，深入挖掘本科专业基础和专业课蕴含的“德育基因”，拓展其“育人”功能，使工匠精神潜移默化地内化于专业课的学习过程中。

一、科学问题的提出

为培养学生独立自主的思考能力，在选题时，要求学生自主查阅国内外时政资料，根据工匠精神的内涵，结合实验室条件选择合适的科研题目开展SRTP项目科学训练计划。2016年，我国建筑能耗占总能耗的27%以上，而且还在以每年1个百分点的速度增加。住房和城乡建设部统计数据显示，我国每年城乡建设新建房屋建筑面积近20亿平方米，其中80%以上为高能耗建筑。据国家统计局统计，2018年建筑业煤消费总量约为8 685万吨，比2017年增长约400万吨。对现有建筑材料的调查发现，钢材和混凝土不可再生，且在制造的过程中会污染环境［5］。竹子生长周期短、轻质高强，是环境友好型建筑材料。鉴于原竹本身存在几何变异性大、易虫蛀、质地不均匀、耐久性差等问题，人们常采用现代材料技术对原竹进行重组，形成工业化的材料并制成工程竹，这类工程竹能够克服原竹诸多缺点，又保留了竹材本身的优良特性。为此，在四川省政府的大力推动下，近些年四川省涌现大量竹制品企业，已基本可生产加工不同规格和不同强度等级的结构用重组竹。与此同时，《结构用重组竹》［6］行业标准于2020年10月1日发布实施。但目前还缺少对重组竹材料在建筑结构体系设计中的相关理论的研究，特别是节点连接、构件截面初选等设计关键问题，现有的重组竹结构设计过程主要参考木结构相关理论和方法，合理性有待考证。

在调研资料的基础上，SRTP 小组成员践行工匠精神，针对重组竹材特殊的物理力学特性，通过理论分析和数值仿真分析挖掘构件截面尺寸与结构构造参数的关系，研究在构建重组竹框架结构房屋承重体系中的构件的截面初选方法，为该绿色材料在建筑结构领域中的应用做前沿基础探索。

二、导师团队组成及学生小组成员选拔

（一）导师团队组建

组建导师团队的过程中应有意识地从基础理论知识、数值分析软件操作、实验操作及绿色材料等不同专业方向挑选相关专业教师，选择10位学生对其进行多角度全方位培养。教师团队由一批具有较高学历的年轻硕士和博士组成，其中博士学历占4/5，年龄主要在30～50岁之间；校内导师4名、校外导师1名；科研或教学方向有结构工程、建筑材料、软件工程和实验教学等。校内导师主要是线下对学生进行辅导，校外导师通过线上进行指导和答疑解惑。

（二）学生创新团队组建

笔者担任2019级工程造价1班班导师，此次试点工作从该班级30名学生中选择。秉承学生自愿报名的原则，教师团队在报名学生当中根据学生是否有较多课余时间、能否利用课余时间进行充分自主学习为主要原则对学生进行挑选，对于已经参加了校级或院级比赛项目的学生，原则上不再考虑进入团队。初选学生10名，后期会根据学生科研情况进行动态调整。学习方法主要有导师宏观指导、学生自主探索及小组内部讨论等。

三、工匠精神过程培养

对于还未系统掌握结构设计理论和方法的本科生而言，工匠精神的培养主要体现在现有结构设计理论、计算分析软件的深入学习，以及准确应用其探索重组竹结构体系构件截面初选这一科学问题。同时，还要分析现有结构设计理论对于重组竹新型结构的适用性及改进方案，挖掘重组竹结构与传统钢结构、混凝土结构等在力学性能方面的异同点。

（一）建筑结构设计基础理论

建筑结构设计的内容包括建筑结构布置和各个局部的具体构造、内力计算分析。本项目中的板、梁和柱承重的框架结构体系，连接均为刚接，柱与基础之间采用钢套筒加强力胶的连接方式。设计过程中参考了《工程结构通用规范》［7］，分别进行持久设计状况、短暂设计状况和地震设计状况分析，综合考虑结构承载能力极限状态和正常使用极限状态。进行承载能力极限状态设计时，持久设计状况和短暂设计状况应采用作用的基本组合；地震设计状况应采用作用的地震组合；进行正常使用极限状态设计时，应采用作用效应的标准组合，如下式所示。

对于板和梁，主要通过强度指标和挠度变形程度判定是否为失效；对于柱，通过层间位移角不超过规范规定的层间位移角限值界定是否为失效。

（二）结构分析与计算

根据结构实际受荷情况，确定荷载标准值及分项系数，如表1 所示，又根据已确定的结构方案、结构布置和材料属性等，确定合理的有限元模型和分析方法，平面尺寸为21×18 m，柱高为3.5 m，柱间距采用3 m及3.5 m。重组竹的顺纹抗压强度小于抗拉强，为简化分析，取材料顺纹抗压应力—应变关系代替该各向异性材料的本构关系。抗压弹性模量Ec=37 730 Mpa，割线模量Et=15 730 MPa，顺纹抗压强度fc=129.17 MPa，比例极限强度fe=111.66 MPa，密度ρ=1150 kg/m3。梁和柱采用C3D8R单元，初选截面为200 mm×200 mm，板采用C3D8R单元模拟，初选板厚为120 mm。采用绑定约束（tie constraint）模拟梁、柱、板之间的刚性连接。底层柱与基础固接，网格尺寸取50 mm。对结构进行承载能力极限状态和正常使用极限状态验算，分别开展内力和变形分析，如图1所示。

图1 竖向静力荷载作用下结构内力分析

表1 取用荷载标准值及分项系数

为探究构件截面尺寸的控制因素，在上下两板面上逐级进行加载，最小均布荷载为2 kN/m2，最大荷载为20 kN/m2，共分10 级，根据荷载—位移曲线及应力分布云图研究发现：当挠度最大值超过允许挠度值的两倍70 mm 时（允许挠度为7 000/200=35 mm），结构的最大应力仅118.8 MPa（比例极限强度fe=111.66 MPa），仍未达到顺纹抗压强度。导师团队和学生创新团队一致认为，正常使用极限状态为该类材料组成空间结构构件截面设计的主要参考依据。

为探索该类材料组成空间结构柱构件截面设计依据，学生创新团队采用底部剪力法还开展了地震作用下该类结构的抗震分析。在水平向地震作用下，该类结构材料应力较小，相对而言结构位移较大。当最大应力为61.11 MPa时（小于该类材料的比例极限强度111.66 Mpa），层间位移角为1/240，已超过了允许的层间位移角限值（1/250），进而判断柱截面尺寸仍由正常使用极限状态决定。

（三）小结

针对基于abaqus计算出的数据，学生创新团队成员分别建立一元线性回归拟合。不同长宽比下板厚度和跨度、板的长宽比为3时，不同宽度下梁高度和板跨度、板跨和矩形柱截面尺寸的数学模型分别如下式所示，其中，d为板的厚度，l0为板或梁的计算跨度，lx/ly为长宽比，b为梁或柱的宽度，h为梁高度。

通过上述练习，使工匠精神内化于专业课学习过程中，培养了学生稳定而优异的精神品质与道德标准；与此同时，SRTP 小组成员不但系统地掌握了结构设计理论和软件使用、了解了重组竹结构与传统结构的异同点，还培养了自己对待科研工作精雕细琢、精益求精的精神理念。

四、新培养模式讨论

从基础理论知识深入理解到有限元软件的准确掌握，再到重组竹结构体系设计、内力分析、截面优化，教师和学生均花费了大量的精力和时间。在这一过程中，学生反复研究基础理论和软件操作等环节，使学生体会到知识点理解的准确性、工程设计的复杂性及知识体系和设计方法建立的不易。同时，通过上述练习，学生掌握了一门较为复杂的有限元软件，并且收获了自主学习的兴趣和信心。

在深入理解设计理论和方法的基础上，本研究针对重组竹材特殊的物理力学特性，通过理论和数值仿真分析挖掘构件截面尺寸与结构构造参数的关系，为该类型结构早期设计提供参考。该种新型人才培养模式能够在潜移默化中全方面提高学生的专业技能，培养学生的创新意识和工匠精神。另外，导师团队建议新式人才培养模式要与传统课堂教学相互配合、取长补短、整合资源优势，共同为培养具有工匠精神的全面复合型创新人才服务，为培养知识型、技能型、创新型的劳动者，营造劳动光荣的社会风尚和精益求精的敬业风气做准备。