关键词：结构设计原理；仿真虚拟技术；课程设计；BIM技术
1.引言
《结构设计原理》这门课程是土建类专业学生必修的一门专业基础课，主要讲述的是混凝土结构设计的基本原则以及各类构件的计算方法和构造等。它起着承上启下作用，即与先修课程包括：工程力学、建筑材料、房屋建筑学等密切相关，又对后修课程基础工程、建筑工程预算等起着重要的基础作用。
随着科学技术的不断进步，建筑行业蓬勃发展，对土建类专业人才的需求不断扩大，特别是实践创新能力强的土建类人才的需求旺盛。但目前高校的人才受到培养方案、教学方式、教学条件等限制，难以适应社会实际需要。如何改变当前《结构设计原理》课程教学与社会需求脱节的问题，实现生产与学校学习无缝对接是这门课程教学研究的重要课题。
2.《结构设计原理》课程教学的现状
2.1教学方面
这门课程教学内容庞杂，涉及的公式参数多、设计结果不唯一、构造要求繁杂、规范条文严格，目前大多教材重理论轻实践，重设计轻施工，导致教学内容与工程实际的严重脱节。
另外，该门课程考查方式以闭卷考试为主，考试内容侧重基础理论、计算方法，缺乏解决实际工程案例能力的考察方式。
2.2 学习学习方面
由于课堂内容抽象、枯燥难懂，学生学习难度较大，产生倦怠情绪，教学效果不尽人意。
学生学习以课堂学习为主，课后学习也以书本基础理论知识为主，实践性学习受到一定限制。另外受课时量的限制，课堂教学任务重，实践答疑时间有限，也使得学生的学习较为被动。
2.3教学条件方面
由于学生人数较多，受安全、组织难度大等因素的影响，《结构设计原理》课程现场教学难度较大，学生难以深入施工现场，实物求证。这些实际情况都在很大程度上制约了课程教学内容改革的深入，影响了人才培养质量。
3.课程教学改革的探索思考
3.1虚拟仿真技术的运用
考虑到大多数学生以后的毕业方向多为施工或造价，所以为了适用社会人才需要，在结构设计原理课程中增加结构施工图和平法图集的识读是至关重要的。但结构施工图及平法图集的讲解是相当枯燥、抽象的，学生学习兴趣不大，且不易掌握。为了增强教学效果，应用虚拟仿真技术就可以很好地解决问题。
利用虚拟仿真技术将原本枯燥难懂的纯理论教学内容数字化、图像化、动画化、视频化，从而实现教学内容的生动、形象、多样，便于学生理解和掌握。
例如1：在16G101-1图集中讲到梁平法时，单独的解释某一根梁（图1和图2）的平法规则（图1）以及梁中纵向钢筋构造（图2）就显得比较抽象，很多学生很难一下子把该梁的三维钢筋骨架想象出来。但利用虚拟仿真技术就非常方便，二维的平法表示立马显示成三维钢筋骨架（图3），非常立体、直观、易懂。
图1 梁平法表达方式
图2 梁中纵向钢筋构造
图3 梁的三维钢筋骨架图
例如2：楼梯平法施工图也是很多学生学习的难点。老师课堂上即使把楼梯施工图（如图4）的平法规则告诉了学生，学生也听懂了这些规则，但若没有良好的空间思维能力，他们仍然不知道钢筋怎么布置、具体布置在哪个位置。现在借助虚拟仿真技术，就可以实现二维和三维的互换（图5）。
同时虚拟仿真技术能够模拟不同施工条件下的建筑现场，很好地补充了学生无法到建筑工地进行实地学习和锻炼的学习不足；同时也弥补了老师实践经验不足的缺陷，可谓一举两得。
总之，虚拟仿真技术可以让学生仿佛身临其境，切身体会结构内部构造，学习兴趣大大激发，教学效果大大提升，实现了“理论知识可视化”，这也为他们后续学习建筑工程预算中钢筋算量以及走上工作岗位打下了扎实的基础。
图4 楼梯施工图 图5 楼梯三维钢筋图
3.2加强课程设计
3.2.1 课程设计-手算
课本中的知识都是一章一章、一节一节的，学生通常学习了后面内容忘记了前面知识，一学期下来，对这门课程的认识都是碎片化的、零散的，没有形成系统和整体，不利于彻底理解和牢记知识点，此时加入课程设计就显得尤为重要。课程设计的内容可以根据学生学习情况和课时情况而定，可以是某一根悬臂梁的设计或是一个肋型楼盖的设计等。
在《结构设计原理》的第三章讲到概率极限状态设计法以及设计的表达式。根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012），对于承载能力极限状态，应按荷载的基本组合或偶然组合计算荷载组合的效应设计值，并应采用下列设计表达式进行设计：
式中：为结构重要性系数；为荷载组合的效应设计值；为结构构件抗力设计值。
荷载基本组合的效应设计值，应从下列荷载组合值中取用最不利的效应设计值确定：
1）由可变荷载控制的效应设计值：
2）由永久荷载控制的效应设计值：
其中永久荷载的分项系数规定为：
当永久荷载效应对结构不利时，对由可变荷载效应控制的组合应取1.2，对由永久荷载效应控制的组合应取1.35；
当永久荷载效应对结构有利时，不应大于1.0。
学生上课时就觉得该内容很深奥难懂，其中的系数繁多，若只是老师上课讲讲，学生的认识只停留在表面，无法真正理解规范中一些系数的意义和具体使用。对于以上理论性很强的内容应该如何理解和应用，就必须通过类似于图4这样的课程设计来解决。学生通过计算这个悬臂梁跨中弯矩和支座负弯矩，就能切身体会什么情况永久荷载对结构不利或有利，从而选择不同的荷载分项系数，并能记忆深刻，从而进一步巩固课本上的理论知识。
图4 某梁的受力示意图
3.2.2课程设计-PKPM软件计算
由于时间和所学内容的限制，学生手算课程设计的量是很有限的，一般只能设计一个悬臂梁，最多设计一个楼盖，而想全面掌握整栋楼的整体设计，就必要依靠结构设计软件-PKPM或其他软件。通过结构设计软件PKPM的建模，学生能掌握结构平面是如何布置的、构件中各荷载是如何计算和传递的、如何考虑地震作用、楼梯的设计等等。一整套流程走下来，学生对一个简单的框架结构设计就很清晰明了了，如图5为PKPM建模后的整体框架。
图5 某工程PKPM建模后的结构框架
总之，学生通过课程设计的手算和软件计算的练习，不仅增强了他们的动手能力、思考能力和创新能力，也进一步理解了课本和规范中的理论内容，并将课本中学到的零散知识串成整体，真正实现了“理论知识实践化”和“实践知识理论化”的完美结合。
3.3 BIM技术的应用
随着建筑技术的不断发展，BIM技术（Building Information Molding）即建筑信息模型技术给建筑业带来了革命性的变化，它也将是未来建筑业的发展方向，将带领整个建筑业走向一个新的领域。为了拓展学生眼界，也为学生毕业后顺应行业企业需求，在混凝土结构设计原理课程中加入BIM技术是非常必要的。让学生在学校提前接触这些新技术、新知识，以便在未来的工程过程中能够更快适应未来工作环境。另外，结合工程实际提出相应问题也会对学生有所启发，激发学生求知欲。
此外，该门课程本身理论性较强，内容相对繁杂，在教学中增加这些新知识、新技术，对降低学生对本门课程的抵触情绪，活跃课程气氛，增强教学效果。
3.4 改善教学方法，提升教学效果
混凝土结构设计课程中有些知识点和章节的内容是有一定内在联系和相似性的，在教学过程中要善于建立不同知识点之间的联系，与已学内容进行类比。例如在讲授梁正截面承载力计算时，重点讲授单筋矩形截面，课时安排比较多，以确保学生理解掌握，因为该部分内容是后面学习双筋截面、T型截面，甚至于轴向受力构件承载力的基础。通过类比，可将单筋矩形截面公式中某个参数进行修改或增加就能变成双筋矩形或T型截面承载力的计算公式，这样学生即巩固了前面所学知识，又牢记掌握了后面内容。
斜截面承载力学习过程中也可以利用类比的方法进行教学。例如在讲授破坏特征时，可以将正截面受力的三种破坏特征-超筋破坏、适筋破坏、少筋破坏与斜截面受力的三种破坏特征-斜压破坏、斜拉破坏、剪压破坏进行教学类比。同样，在进行承载力计算时，需防止斜压破坏和斜拉破坏，与正截面设计时要避免少筋破坏和超筋破坏类似。
类比方法的利用会在较大程度上降低学生接受新知识的难度，也可明显提高教堂教学效率和效果。
4.总结
《结构设计原理》课程教学作为土建专业教学课程体系的重要组成部分，在教学过程中占据重要地位，对学生日后的继续深造和工作实践都具有很强的实践指导价值。通过利用虚拟仿真技术，将平面信息立体化、理论知识可视化，丰富教学内容，激发学生学习兴趣；加强课程设计、引入BIM技术，增强学生实践动手和创新能力；采用类比教学方法，降低学生学习难度，提高课堂教学效果。总之，通过以上混凝土结构设计课堂教学改革的探索与思考，旨在让学生所学的内容始终跟进建筑业发展的步伐，不脱节、不滞后，真正能达到培养建筑工程类应用型人才的目的。
参考文献：
【1】董吉武，孙爱琴. 应用型高校混凝土结构设计原理教学改革探索[J].天津中德应用技术大学学报，2019.6.
【2】李寿科. 基于执业能力培养的《混凝土结构设计》课程教学研究[J].当代教研论从，2018.4.
【3】建筑结构荷载规范[S] GB 50009-2012.
【4】混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图16G101-1[S].
【5】郑华海等. BIM技术研究与应用现状[J].结构工程师，2015.8.
作者简介：
涂木兰：1981年生，女，安徽省安庆市人，讲师，主要研究方向为钢筋混凝土结构和工程造价。
论文作者:涂木兰
论文发表刊物:《建筑实践》2019年第38卷17期
论文发表时间:2019/12/3
标签：荷载论文; 学生论文; 结构设计论文; 仿真技术论文; 截面论文; 课程论文; 组合论文; 《建筑实践》2019年第38卷17期论文;