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建筑抗震设计教学探索与实践
时间:2018-03-14 10:22 点击:
  地震是地球上最为严重,也是人类无法控制和阻止的一种自然灾害,地震同时是引起建筑物变形或倒塌的最重要原因。我国是一个多地震国家,唐山地震、汶川地震均造成了巨大的人员伤亡和财产损失。建筑结构抗震设计已成为土木工程设计的核心内容,建筑抗震性能已经成为建筑物最重要的技术指标之一。 
  建筑抗震设计课程的教学内容广泛、知识体系庞大,具有明确的专业技术规范背景,其理论性、实践性、专业性均很强。该课程对培养学生的实践能力、创新能力和解决实际问题能力以及提高学生的工程素质具有重要的作用,在土木工程专业课程中具有举足轻重的地位。 
  1 建筑抗震设计课程教学现状 
  我校土木工程专业开设建筑抗震设计课程已有十余年的历史,其教学时数基本保持在32学时,教学目的为:通过课程的学习,使学生对地震的基本概念有所了解,掌握抗震计算的基本理论和方法,根据抗震设计的原理及结构类别进行结构布置和选型,掌握常用工业与民用建筑的抗震设计方法。 
  相比其他专业课,建筑抗震设计课程具有理论内容难学而且实践内容广泛的特点,其现状如下:(1)学时少,教学内容多。课程理论知识和专业知识涵盖面广,涉及的课程有结构力学、混凝土结构设计原理、混凝土结构设计、砌体结构、土力学与基础工程、钢结构等,如何利用有限的学时完成抗震课程的教学是需要首先解决的问题。(2)课程实践性强与学生缺乏实际工作经验之间存在矛盾。学生不能深刻理解课程的核心内容,导致工程实践举步维艰。将枯燥的理论与生动的工程实例结合起来,培养学生的工程素质也是本课程教学努力的方向。 
  2 建筑抗震设计课程教学的探索与实践 
  2.1 精选教学内容,采用适应性强的科学教学模式 
  2.1.1 提炼教学核心内容,增强学习效果 
  建筑抗震设计课程知识体系庞大,在教学时需分清教学内容的主次,把握难点和重点,加强与其他课程的联系,以弥补课时的不足。课程教学划分为理论篇和应用篇两个部分[1]。理论篇主要为结构地震反应分析与抗震验算;应用篇主要为常用工业与民用房屋的抗震设计。理论篇讲述中引导学生复习先修课程的相关知识点,重点讲解基本概念和关键理论,其余点到为止,给学生留下积极思考、主动发挥的空间,强化学生的自主学习。应用篇按照概念设计、结构计算和构造措施这条主线组织教学,密切结合国家现行结构设计相关规范,更新和补充教学内容,使学生能适应新的发展需要;注重实际结构震害的案例分析,以提高学生发现、分析和解决实际问题的能力。 
  2.1.2 采用多种教学手段促进教学,提高教学质量 
  建筑抗震设计课程内容多、课时少,无论是完全依赖传统的黑板加粉笔的教学方式,还是完全采用多媒体课件教学都不能满足教学要求,需要寻求新的教学方式。教学时,笔者根据教学内容的不同特点,有针对性地采用不同的教学手段完成教学。课程教学以多媒体技术为主导,在完成大纲要求的基础上,补充国内外各结构类型的建筑震害实例图片、典型大地震震害录像以及地震动画演示等,增强学生的感性认识;对于重要的基础性理论分析和水平地震作用的计算则主要采用传统的板书方式教学,加深学生的理解;对于抗震构造措施的讲解,引导学生利用课余时间深入施工现场,通过对实际工程的调研,加深学生对书本知识的感性认识,同时使学生体会到如何将书本知识运用于工程实践。通过多种教学手段的融合,增加了教师的讲课信息量,给学生提供了一个多维立体的学习空间,使原本枯燥、平面的教学变得生动、立体起来,激发了学生的学习热情和兴趣。 
  2.2 加强建筑抗震设计在实践性环节中的运用,培养学生的工程素质 
  我校土木工程专业建筑抗震设计没有安排独立的实践环节,其综合训练放在毕业设计中。在毕业设计题目的选取上,根据学生的就业意向,分为建筑设计类、施工类及科研论文类,学生可从中自由选择。以建筑设计类课题(结构类型为框架结构)为例说明抗震设计在毕业设计中的地位。该课题要求学生完成常用民用建筑全套建筑和结构图纸,同时要求手算整体结构中的一榀框架,计算机建模进行结构分析[2]。
  抗震设计贯穿整个毕业设计环节,指导教师根据设计的不同阶段给学生做专题指导。在建筑方案设计阶段,根据建筑抗震设计规范(以下简称抗震规范)[3]概念设计的相关内容,要求建筑物的平、立面布置规则、对称,质量和刚度变化均匀,从而保证建筑物达到较好的抗震性能。楼梯间的布置不应导致结构平面特别不规则。建筑方案避免设计为单跨框架结构形式。在结构方案设计阶段,要求结构体系应具有整体性和抗震设防多道防线,并具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径。对于体型复杂、平立面不规则的建筑,尚应考虑防震缝的设置。在一榀框架的手算阶段,对需要做水平地震作用计算的学生,在框架内力计算阶段,要重视突出屋面的电梯间、楼梯间等产生的鞭端效应。在框架内力组合和在梁、柱配筋计算阶段,需对强柱弱梁、强剪弱弯做相应的计算。在框架梁、框架柱选配钢筋阶段,除了需满足计算要求外,还需要满足抗震规范要求的框架结构基本抗震构造措施。选筋阶段,学生很容易忽视抗震构造措施,指导设计时需重点强调。在计算机建模进行结构分析阶段,补充讲解平法施工图需表达的内容,指导学生读懂读透平法施工图,引导学生利用已学的抗震知识,解读抗震构造措施在毕业设计中的运用。 
  2.3 案例教学法强化建筑抗震概念设计原则,培养学生综合分析能力 
  地震是一种随机振动,呈现出难以把握的复杂性和不确定性,目前很难准确预测建筑物所遭受地震的特性和参数。在结构分析方面,由于对地震作用及结构性能的了解还远远不够,其分析结果也存在不确定性。因此,工程抗震问题不能完全依赖“计算设计”解决[4]。 
  建筑抗震概念设计(简称“概念设计”)是以工程概念为依据,根据实际的经验或试验研究所得到的非常重要的定性设计原则或工程判断进行设计,从有利于提高结构抗震性能的概念上,对所设计的对象作宏观控制。在实际工程设计中,概念设计对提高结构抗震能力发挥了重要作用。 
  从多年的教学实践中发现,学生对抗震计算掌握得比较好,但是对抗震定性分析、概念设计能力严重不足,主要是由于概念设计要求有深厚的理论基础和丰富的实践经验。在课程教学中,通过典型案例的讲解与讨论,强化结构概念设计的基本原则。如在多道抗震防线教学中重点讲述由林同炎设计的马拉瓜美洲银行的经典案例[5]。马拉瓜美洲银行的概念设计思想是由4个等边的L形柔性筒,通过每层的连梁组成一个正方形核心筒作为主要的抗震结构。在连梁的中部开了较大的孔洞,有意识地形成该结构总体系(第一道防线)中的预定薄弱环节;在遭遇强烈地震时,预计在连梁开洞处开裂,从而变成具有延性和耗能能力的结构体系(第二道防线),即各分体系作为独立的抗震单元。由于马拉瓜美洲银行的上述设计特点,在经历了1972年罕遇的强烈地震作用下未倒坍,甚至未严重破坏,震后的调查正如林同炎所预料的那样,该建筑核心筒的连梁剪切破坏。通过讲述马拉瓜美洲银行的成功案例,引导学生体会刚柔结合、多道防线的概念设计思想。 
  在讲述建筑形体及其构件布置的平面、竖向不规则性时,以央视新大楼为例,组织学生讨论该建筑的特点,主要归纳总结出以下几点:建筑物整体偏心,对抗震不利;曲角悬空挑战地基基础的抗倾覆性能;建筑为严重不规则结构,用钢量巨大,造价惊世骇俗;建筑极端强调建筑造型和视觉效果,忽视结构体系的合理性和经济性,导致需要加倍地投入人力、物力和财力去保证抗震、抗风等结构安全问题,极大地浪费了公共资源。根据抗震规范[3]强制性条文,严重不规则的建筑不应采用。 
  为了激发学生的学习兴趣,培养学生的分析能力,我们鼓励学生做调研工作,引导学生在畅言网上参与“中国十大丑陋建筑”评选,增加课堂讨论环节。通过多种形式的教学手段,启发学生用概念设计的指导思想从建筑形体和布置方面分析建筑的抗震性能。 
  3 结束语 
  建筑抗震设计课程具有明确的专业技术规范背景,理论性、实践性、专业性均很强,教学安排又具有承前启后的特点,其教学效果将直接影响学生就业后的工作能力和自我专业素养的发展。教师在该课程的教学中需不断改革教学方法和手段,更新知识,培养学生求真务实、辩证地认识事物的态度;引导他们从孤立地认识事物到全面地、正反面去认识和解释事物,能综合多种因素寻求最佳方案,培养学生判断分析能力和解决实际问题的能力。 
  参考文献 
  [1] 沈小璞.注册结构工程师工程结构抗震设计课程教学及其综合能力的培养[J].高等建筑教育,2007,16(4):65-68. 
  [2] 周清,黄岚,赵玉新.土木工程专业实践教学的研究与创新[J].中国电力教育,2013(19):137-138. 
  [3] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010. 
  [4] 王杜良.抗震结构设计[M].第4版.武汉:武汉理工大学出版社,2011. 
  [5] 高立人,方鄂华,钱稼茹.高层建筑结构概念设计[M].第1版.北京:中国计划出版社,2005.

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