单层工业厂房课程设计的教学方法探讨

雷 洋，刘 幸

（中国地质大学 江城学院，湖北 武汉 430200）

一、单层工业厂房课程设计的作用

单层工业厂房课程设计是混凝土结构课程中的一个重要实践环节，一般在三年级第二学期完成，由教师指定设计题目，学生用两周时间在教室集中完成。它的主要作用是将课程中所学的单个知识点，比如单个受力构件设计计算方法、荷载计算方法、内力计算方法、内力组合原则等等实际应用于厂房建筑整体的结构设计中，让学生通过设计理解所掌握的计算方法在工程中如何运用，怎样实现教材内大量的构造措施，明确结构施工图的正确表示方法，同时也对结构设计的基本模式“结构布置——荷载计算——内力计算——内力组合——配筋计算——施工图表达”有个完整的概念[1]。

学生从入学到毕业，是一个逐步发展与成熟的过程，在不断的学习过程中积累专业知识，就认知领域而言，在其发展过程中要经历由基础知识到专业知识、技能，由专业理论到专业实践，由自学能力到科研能力等一系列转变[2]。此设计的意义不仅是使学生掌握厂房的建筑结构设计，更重要的是熟悉了竖向承重结构体系的计算方法、对结构设计过程有了由零散到综合的了解，最后能够做到举一反三，将此次设计经验推广到比如框架结构、水平方向承重结构体系等更多的结构设计中。

二、单层工业厂房课程设计的设计内容及重难点

（一）课程设计的内容

单层工业厂房课程设计主要要求学生在熟悉厂房结构的选型与结构布置方法以后，根据标准图集选用结构构件、选定柱的形式及截面尺寸，确定计算简图。然后根据结构组成及荷载传递关系进行荷载计算（包括屋面活荷载、永久荷载、吊车荷载和风荷载等），采用剪力分配法进行内力计算，并根据内力组合原则选取最不利内力进行排架柱、牛腿和柱下独立基础的结构设计；最后绘制排架柱、柱下独立基础结构施工图若干张[3]。

（二）课程设计的重难点

此设计的重点是如何将空间结构体系简化为纵横向平面排架结构，怎样进行各种荷载的计算、内力分析、最不利内力组合等问题；而难点也在于如何将复杂的空间结构体系简化为纵横向平面排架结构、怎样计算吊车荷载、各种内力组合及组合后如何选取最不利内力、怎样实现大量构造要求既满足计算、又保证施工方便绘制施工图。

三、课程设计过程中学生常见疑问

本文以排架柱截面内力组合这一重难点为例，进行教学方法的探讨。

所谓内力组合，就是根据各种荷载可能同时出现的情况，求出在某些荷载作用下，柱控制截面可能产生的最不利内力，作为柱和基础配筋计算的依 据[3]。

这里包括的知识点有：选取柱的控制截面、荷载效应组合原则、根据结构构件受力特点确定内力组合项目及相关注意事项、选取某一组或几组最不利内力组合结果进行截面设计。

单就某个知识点而言，学生比较容易接受，也能够很快掌握。但是如何应用到课程设计中就显得颇为困难。比如：在《混凝土结构原理》中已经反复训练过截面设计，学生对偏心受压构件的计算已经非常熟悉，但是对于排架柱的配筋计算却显得一筹莫展。原因在于以前做题是已知内力进行配筋设计，而在课程设计中恒载、活载、风荷载、吊车荷载都能产生内力，通过内力组合又得到几组内力，到底是哪一组呢？很多学生会选择照搬例题。比如：例题[3]选取了对应的M、V这个组合项目的结果进行排架柱上柱截面配筋计算，学生在做课程设计时也会这样选择。再如：课本[3]中对上柱控制截面进行及相应的M、V项目内力组合时用荷载效应组合原则，对下柱控制截面进行这个项目组合时用的是组合原则，为什么同一个组合项目会用两个不同的组合公式呢？为什么又有些项目选用这个原则呢？

所以，为使学生保质保量的完成该设计，达到教学要求，作为教师需积极改进教学方法。

四、改进的教学方法

（一）合理安排教学内容，突出重点教学

该课程设计涉及到的知识点比较多，教师要在教学中以讲明各个知识点之间的逻辑关系为重点，以学生能够综合运用各个知识点为目的。本人在教学中尝试采用“倒叙法”，即根据设计结果反推设计过程，抓住每个过程中的主要矛盾，各个击破，教学效果较好。

本设计的最终目的是为了得到柱子的配筋，柱配筋计算需要进行截面设计，那么是哪个截面呢？控制截面！学生因此就会去追究为什么选择控制截面及如何确定控制截面。找到控制截面后，就可以针对该截面进行配筋设计，而配筋设计需要已知内力。问题就转化为如何寻求内力。可内力从哪里找？内力组合表中有。而内力组合表中又有很多组内力，应该选哪一组呢？或者说为什么书上只选取了一组或两组计算[3]？现在就是所谓的最不利内力选取问题。如何选取最不利内力呢？根据排架柱的受力特点——偏心受压构件M-N相关曲线可知：对于大偏心受压构件在轴力相近时，弯矩越大越危险；在弯矩相近时，轴力越小越危险；对于小偏心受压构件在轴力相近时，弯矩越大越危险；在弯矩相近时，轴力越大越危险。所以，对内力组合表中的各组内力取舍问题就有了一个指导方向，同时也明白了为什么要进行、、这些内力项目的组合。可是在进行这些项目组合时为什么荷载效应组合公式不一样呢？落脚点还是“最不利”三个字。选取例题中某一组合项目用内力组合公式依次计算，比较计算结果带给学生“最不利”的直观感受。有了一两个例子，相信学生很快可以举一反三，完成整个内力组合表。内力组合的过程就是将各种荷载产生的内力按一定原则进行叠加，这时可以引导学生弄清荷载计算、内力计算和内力组合之间的逻辑关系。

从结果反推整个过程，有助于帮助学生弄清自己在做什么，为什么这样做以及怎么做。

（二）合理安排教与学关系，培养学生实践能力

从教学过程的性质来看，教师的主导作用是从教师对教学过程的领导、组织和控制这一角度出发的。而学生在教学过程中首先必须积极参与，然后才能成为积极的推动者，成为学习的主体，这就是“教”与“学”同时在场时对学生的角色定位[2]。所以，虽然内力组合是一个重难点，教师也不要因为担心学生出错就急于讲解例题，成为设计的包办者。

学生都比较喜欢“验算例题”，这就是一种积极参与的表现，是其独立思考、独立分析问题的尝试过程。作为教师，要鼓励学生在教师讲解之前的自我学习和发现，更应该时刻关注学生的学习动态，及时给与帮助和引导，以建立学生的学习兴趣和学习信心，在适当的时候进行集中讲解，可以达到事半功倍的效果。

比如，课本例题[3]中在求及相应的 M、V项目时采用的是组合，学生根据该公式首先以为对象进行组合后会发现除了恒荷载和活荷载作用产生轴力外，吊车竖向荷载、水平荷载及风荷载均不产生轴力。可是例题组合了作用在B柱右的情况，为什么呢？如果不经由学生先探索一番，教师直接讲解，相信大部分学生还是很难理解。经过对例题的验算，学生发现了两个问题：一是作用在B柱右时明明没有产生轴力，为什么叠加；二是除了作用在B柱右时没有产生轴力外，风荷载作用和作用时也没有产生轴力，为什么偏偏只叠加了作用在B柱右的情况。学生的疑问正好是教师讲解的重点。第一，之所以组合作用在B柱右的情况是因为偏心受压构件在相近时，弯矩越大越危险，此处组合时对应的 M不唯一，所以选取的情况。第二，之所以只叠加作用在B柱右的情况是由荷载效应组合原则确定。当采用时，即以恒荷载产生的作用效应为最不利，而恒荷载是以自重为代表的竖向荷载，所以在组合时为了简化计算，就只组合竖向的活荷载，即不考虑风荷载作用和作用这样的水平荷载效应。

（三）合理优化教学过程，提高设计效率

我校在进行课程设计时间安排上是按照一周20学时排在学生没课的时间和周末。这样从第一次课到最后一次课最久能拖一个月之久。如何在这个比较长的周期里提高设计内。需要教师优化教学过程，加强过程控制[4-5]。

内力组合的过程是复杂且繁琐的。在课程设计的过程中一般需要花费大量时间去进行计算、比较，而如果学生已经弄懂了内力组合的原则和最不利内力的选取办法，就可以适当改变教学过程，变手算为机算，这样不仅提高了设计效率，更帮助学生提高计算机操作能力。

比如教材中有两个表：A柱内力设计值汇总表和A柱内力组合表。在内力设计值汇总表中用①②③—⑩分别代替各项荷载作用产生的内力值，然后在内力组合表中直接将①②③—⑩代入荷载效应组合公式中，方便简洁，便于用计算机操作。在学生弄懂了理论知识的前提下，完全可以变手写为上机操作、变课堂黑板、草稿纸为计算机EXCEL软件。过程方便快捷、结果整齐美观。

五、结 语

我校的土木工程专业面向工程生产一线，着重培养“应用型”人才，强调学生动手能力和实践能力。课程设计是必不可少的课内实践环节，是一个行之有效的培养手段。单层工业厂房课程设计是混凝土结构设计中重要部分，可以锻炼学生的思考能力、动手能力、计算能力、绘图能力、组织能力和创新能力，作为教师应该积极总结教学经验，优化教学方法、积极调整“教”与“学”关系，引导学生成为学习的主体和真正的受益者。

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[1]杨澄秋.混凝土结构课程设计的教学方法探讨[J].建筑结构，2008，38：122-123.

[2]冷余生，解飞厚.高等教育学[M].武汉：湖北人民出版社，2006.

[3]沈蒲生.混凝土结构设计[M].北京：高等教育出版社，2010：95-178.

[4]王薇.混凝土结构课程设计实践研究[J].高等建筑教育 ，2007，16（5）：144-146.

[5]李云云，李斌.混凝土结构课程设计教学改革探索[J].建筑结构，2008，38：172-174.