面向工程应用的土木工程结构设计一体化课程体系设置及教学方法创新

王华昆 高婧 陈兰英

摘  要：该文以新工科人才培养标准为指导，以全国大学生结构设计大赛为载体，提出面向工程应用的土木工程结构设计一体化课程体系设置方案及对应的教学方法。总结工程结构设计应遵循的一般思路及学生需具备的基础知识体系，提出“核心课程体系”设置方案，结合知识递进关系和课程关联性开展一体化教学，通过打造“课程群”打破课程之间的壁垒，实现“理论-实践”高度有机结合。依托结构设计大赛，让学生在实践过程中汲取知识、巩固知识，实现“融赛于学，融学于践”。

关键词：新工科；土木工程；有限元分析应用；一体化教学；ABAQUS；教学实践

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）35-0107-05

Abstract： This study was guided by the "Emerging Engineering Education" talent training standards， taking the National College Student Structural Design Competition as the carrier， the civil engineering structural design integrated course system setting scheme and the corresponding teaching method for engineering application were proposed. The general ideas that should be followed in engineering structure design and the basic knowledge system that students need to have were summarized in this study. The setting scheme of "core curriculum system" was put forward， integrated teaching was carried out by combining knowledge progression relationship and curriculum relevance， and the barriers between courses was break by building "curriculum groups" to achieve a highly organic combination of "theory and practice". Relying on the structural design competition， students can learn and consolidate knowledge in the process of practice， so as to achieve "integrating competition in learning and integrating learning in practice".

Keywords： Emerging Engineering Education; civil engineering; finite element analysis and application; integrated teaching; ABAQUS; teaching practice

結构设计是土木工程教学的重点和难点，掌握合理的设计流程和先进的设计方法是学生必须具备的基本素质。随着科技发展，涌现了越来越多的新型设计手段，其中虚拟工程与科学（SBES）技术[1]是当代大型土木工程结构设计必不可少的工具。SBES有力地推动了计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM），使得大型复杂工程结构的设计和建造越来越成熟和便捷，典型的如BIM技术、有限元法、有限体积法、无网格法等。而有限元法是SBES的主要手段之一，自1956 年Turner[2]发表采用有限元技术计算飞机机翼强度的论文以来，有限元法就得到了极大的发展，至今已扩展到几乎所的科学技术领域，包括：航空、土木、水利、海洋和机械等。目前国内外已开发出大量成熟的商用软件，如ANSYS、ABAQUS、COMSOL等，且在科研和工程领域均得到广泛的应用。

然而，仅仅会使用成熟的商用工具并不能使我们的学生成为一名优秀、可靠的工程师，尤其是当下的大型土木工程往往具有多学科交叉、大尺度、大规模和多场耦合等特点，如何让学生掌握多学科知识和具备可靠的复杂问题分析设计能力，是当下教学应重点解决的问题[3]。传统的土木工程核心专业课程包括理论力学、材料力学和结构力学，上述课程主要以简单的杆、梁、钢架体系作为分析对象，尽管有利于阐述和掌握相关结构分析理论，但对当下大型结构（如大型体育场馆、大跨桥梁、摩天大楼和大型海上浮体等）分析缺乏直接指导作用。针对当下复杂大型结构设计需求，国内工科本科专业几乎都开设了有限元相关课程。但有限元分析涉及的基础课程较多，学习难度较大，部分高校工程专业针对力学教学过程中的不足，将成熟商用软件（如ABAQUS、ANSYS）引入课程，并结合案例进行教学[4-6]，通过该教学改革措施提高学生对力学课程的学习兴趣，增强学生解决工程问题的能力。但是，单纯的软件教学会让学生知其然而不知所以然，无法基于理论开展深入的分析。此外，在新工科教育的背景下，对学生的创新能力也提出了更高的要求[3]，特别是培养学生解决复杂工程问题的能力，这也反过来对教学内容和教学方法提出了创新和改革需求。

一  以结构设计大赛为载体的一体化创新教学体系

结构设计是一个贯穿“方案设计-方案验证-结构优化”三大主题的过程，且需要反复进行迭代优化。尽管大学生结构设计大赛的对象较为简单，大多由竹材制作而成，但依然具备大型复杂结构的基本特征，包括：复杂的材料特性，杆、梁、板等基本构件，静力、动力等受力特性。因此，通过完整的“需求分析-方案设计-模型制作-实验验证-结构优化”五大环节学习实践（图1），对学生结构设计能力培养具有巨大的作用。然而，经过几年的教学实践发现，在当前知识结构体系下，低年级（大一、大二）的学生基本不具备完整执行上述五大环节的能力，一般需高年级学生或老师出设计方案，由低年级学生配合进行模型制作和验证。其中，“模型制作-实验验证”环节对学生的基础知识要求相对较低，主要问题出现在“需求分析-初步方案设计-结构优化”三大环节，上述环节要求设计人员对材料性能、结构方案合理性有更准确、专业的认知和判断。

针对上述问题，提出了如图1所示的以结构赛为载体的课程设置及能力培养方案。注意，图1所示的不同年级课程设置方案与结构赛各环节的能力需求顺序并非完全一致，主要考虑到课程的难易程度，部分课程开设必须有先修课程作为基础，考虑到应让低年级学生尽可能参与比赛各个环节，让其具备检验自己奇思妙想的能力，充分激发其学习积极性。因此，可将计算机软件应用作为低年级必修课程，该课程以实践为主，理论为辅。一旦掌握数值分析流程，即可对自己设计的方案合理性和可行性进行检验，让学生有更高的参与度和学习积极性。该课程实际效果经过几年实践已得到验证。而后续的结构力学、有限元理论学习可作为夯实理论基础的进一步提升，让学生温故而知新。由图1可知，通过完整的结构赛实践，可将结构设计的核心课程进行有机结合，有利于学生形成系统的知识体系，并在实践中对所学内容进行实践验证。

（一）  初步方案设计——材料先行，结构为基

在图1所述的5个环节中，“需求分析-初步方案设计”是紧密相关的，结构初步设计方案需能满足赛题（甲方）要求，同时应兼顾结构受力特性、耗材（成本）、制作便利性（施工）。以图2为例，该赛题为高楼抗震设计，该阶段可先将整个结构简化为简单竖立悬臂梁结构，对其进行宏观受力分析，确定结构基本受力特性，从而确定危险截面及截面形式。该阶段要求学生熟悉材料特性，以及简单杆、梁结构在外荷载下的受力特点。因此，学生需具备材料力学、材料实验、结构实验等基本课程知识。

此外，设计师应对工程材料特性有准确认知。对于材料特性，以结构赛为例则首先应确定竹材的基本材料性能。竹材是典型的各向异性材料，其抗拉、抗压性能存在显著差异，且沿竹纤维方向及其他朝向的力学性能迥异（图3）。为了让学生对竹材力学性能有准确清晰的认知，可结合传统材料力学课程的材料试验开展分析，同时开展钢材的力学性能试验研究，并进行对比分析，让学生对典型工程材料、各向同性材料、各向异性材料的行为有更直观、准确的认知。

熟悉了材料的基本力学特性后，对典型“构件-载荷”组合下的结构理论受力特征应有清晰的判断，典型工况包括：拉压杆件，简支梁、悬臂梁等在轴向荷载、横向均布荷载或集中荷载下沿构件截面的应力、弯矩、剪力分布特征。否则极可能给出受力极不合理的设计方案，该过程要求学生掌握材料力学相关知识。通过基本受力特性，可设计出基本构件的截面形式（如等强度变截面梁等），从而兼顾强度和质量控制。进而将单一构件由框架结构进行替代，进一步实现质量（或材料成本）控制。

此外，对典型“构件-载荷”组合下的结构破坏模式和极限承载力（图4）也应有清晰的认知，尤其是在结构大赛背景下，需充分利用材料的力学性能，做到“危而不塌”。需要指出的是，实际工程结构设计一般应遵守相关设计规范，保留足够安全系数，这与结构大赛设计理念有所差异，但其中的设计要點并无不同。对于结构赛而言，典型的“构件-载荷”组合包括：杆件-轴压、杆件-轴拉、杆件-横向荷载、杆件-力矩、杆件-扭矩等，除了根据本节材料测试强度及经典设计公式（如欧拉公式）给出理想条件下的构件名义极限载荷，还应通过试验进行极限强度测定。上述两个结果对比的意义在于：理论公式往往基于理想状态假设，忽略了材料自身缺陷及构件制作工艺引入的偏差（如实际竹构件往往是通过胶水粘接等方式由竹皮制作而成的，而实际竹皮厚度是不均匀的，粘接得到的杆件也不是理想笔直的。实际工程采用的钢构件也是如此，这也是工程结构引入安全系数的原因，即考虑材料、结构参数不确定性引入的强度折减），其预测值往往显著高于实际值（图5[7]），特别是受压构件，因为压杆稳定问题对结构的初始缺陷非常敏感，包括载荷偏心、材料变异性、几何不均和构件不直度等。通过测试，可确定典型构件的强度折减因子ρ，用于指导实际结构设计，也能进一步加深学生对安全系数设定的认知，尽管结构赛追求材料强度的极致，但依然应有较小的安全系数，以确保留有一定的安全裕度。

（二）  详细结构设计——计算为主，实验为证

至此，我们已经能对“需求分析-初步方案设计”两个环节开展相关工作。需要指出的是，此时我们仅能给出一个整体结构形式的设计方案，尚无详细的构件尺寸设计。在结构大赛中，可用的竹材形式及尺寸是相对有限的，兼顾制作的可行性和便利性，则可用的构件尺寸也是较少的，这给结构尺寸设计及校验带来了一定简化。在该过程中，可先根据以往经验设计一组尺寸，然后采用结构力学或有限元相关知识对初步方案的结构强度进行安全校核。尽管结构赛的模型相对简单，但也都是三维模型，由于本科阶段的结构力学所讲述内容大多局限于二维平面框架结构，对于三维结构，其计算过程和数学模型建立也都存在一定难度。鉴于此，该环节一般可基于ABAQUS、ANSYS等现有商用软件采用有限元等数值分析方法近似求解。然而，作为一种专业的分析工具，正确、高效使用有限元软件对学生而言也是不小的挑战。针对当下大型复杂工程结构设计的需求，厦门大学土木工程系开设了土木工程计算机软件应用，课程重点介绍有限元的基本概念、约定、建模分析技巧、参数化建模分析方法[8-9]等，结合实际工程案例分析强化有限元数值分析的基本要点和流程，并辅以介绍有限元的基本理论[10]，尽量做到让学生知其然，知其所以然。从结构设计实用的角度而言，有限元数值分析课程基本替代了传统结构力学课程的功能，但在理论研究上结构力学相关知识依然不可或缺。

在有限元数值分析中，经过建立几何模型，材料定义，全局组装，载荷施加，数值离散及求解，即可对当前结构形式及结构尺寸下的结构安全性进行判断，从而修正结构尺寸，如压杆长度、壁厚及杆件截面尺寸。进而将修正后的模型重新计算校验，以判断结构的安全性。对于竹材而言，其抗压强度远低于抗拉强度，分析过程中应加以区分。此外，必要的话可考虑材料的各向异性，进行更精细化的数值分析。一旦数值模型强度校核通过（图6），即可进行模型制作，进而对模型进行试验验证（图7），以检验当前设计方案的合理性。注意：数值模型强度校核满足并不能确保所做模型顺利通过试验，这主要受材料变异性、构件几何尺寸不均匀性、构件不直度、加载不理想等因素的影响。因此，在数值分析时，一般都会留有安全裕度。一旦试验通过，则可进一步减小安全系数或者采用更小的结构尺寸，反之亦然，应进一步进行结构加强。结构尺寸的改变一般会导致应力重分布，因此，原先安全的结构在其他构件局部加强后可能成为危险失效构件。这种理论值和实验结果的偏差对学生学习、科研探索及工程实践是一种很好的启发，应加以推广。

（三）  面向工程应用的结构设计课程体系设置

依托结构设计大赛5大环节学习和实践，可将土木工程核心课程有机结合，实现理论与实践高度统一，落实专业知识扎实，创新能力强的卓越型工程人才培养目标，是一种值得推广的教学方式。此外，设置专业概论型课程，让杰出设计大师主讲大国工程，深刻的工程事故教训以及结构赛精彩回顾等内容，培养学生的专业认同感、自豪感和兴趣，使其具备扎根本专业的情怀。基于上述内容，设置课程体系如图8所示。

二  结束语

本文以专业素质培养为目标，依托结构设计大赛，提出了面向工程应用的土木工程结构设计一体化课程体系设置及教学方法，得到以下几点结论。

1）土木工程结构设计课程设置中，应着力打造关联课程群，实现相关课程的一体化教学，让学生将知识点融会贯通。

2）土木工程结构设计教学过程中，应遵循兴趣为驱动，理论为先导，实践为抓手，成才为目的的教学模式。

3）新工科教育应以素质教育为重点，及时引入前沿的知识、工具和新的教学内容，进行知识更新和方法更新，以引发学生学习兴趣，适应当下解决实际复杂工程、科学研究对创新能力的需求。

参考文献：

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