高层建筑结构设计课程教学方法的改革与实践

孟丽岩等

摘要： 高层建筑结构设计是一门土木工程专业主要的专业课程，对培养学生工程设计及实践能力具有着重要作用。针对高层建筑结构设计课程的特点进行了教学改革，提出了“结合——分析——联系”的教学方法，在教学实践中收到了很好的教学效果。

关键词：高层建筑结构设计；力学分析；教学方法

高层建筑结构设计是土木工程专业学生必修的专业课程，一般的本科高校将课程安排在第七学期，在学习本门课程之前，学生们几乎学习了所有该专业的专业基础课和专业课，所以学好这门课，既是对前三年学习成果的总结，也是为即将到来的毕业设计和工作打下良好的基础。为了提高本门课程的课堂教学效果，作者及课程组成员经过几年的教学实践和教学反馈，总结出了高层建筑结构设计“结合——分析——联系”的六字教学方法，实践证明该教学方法对激发学生学习兴趣、改善课程教学效果起到了很好的推动作用。

1 教学方法简介

1.1结合

“结合”即与专业规范相结合。高层建筑结构设计课程的主要教学内容是高层建筑结构的特点和结构体系、高层建筑的平面布置和竖向布置、高层建筑上作用的荷载与作用、框架结构、剪力墙结构、框架——剪力墙结构和筒体结构设计等，共涉及到《高层建筑混凝土结构技术规程》《建筑抗震设计规范》《建筑结构荷载规范》《混凝土结构设计规范》等一系列规范规程。事实上我们在教学过程采用的各种版本的高层建筑结构设计教材，从内容上都是对上述规范条款的分析和讲解。因此在教学中除了注重讲解教学大纲规定的内容之外，一定要注意与当前使用的规范相结合，尤其是在一些实验研究背景资料方面，规范规程在其条文说明中阐述得比较系统清楚。在考核方式上，采用国家注册结构工程的考试模式，开卷考试，考试过程中可以携带相关教材和规范，重点考核学生运用所学理论知识解决实际工程问题的能力，这样学生对知识点的理解更深刻、掌握更扎实，能够达到“卓越工程师”的人才培养目标。

1.2分析

“分析”即准确的力学分析。高层建筑结构设计是土木工程专业的一门传统的专业课程，该课程的特点是知识点多、实践性和综合性强，几乎囊括了本科4年学过的所有的主要专业课和专业基础课，包括钢筋混凝土结构、结构抗震设计、荷载与结构设计方法和材料力学、结构力学、土力学等。

我们在对高层建筑结构设计中各个知识点进行讲解时，尽量找到一个既合理又简单的力学模型，运用学生熟悉又信服的力学知识进行分析，让学生扎实掌握且不容易忘记。因此，在讲解的过程中，教师要把握好尺度，既要温故更要知新，而且要巩固提高，达到教学目的。为了能更好地温故，就要及时提醒学生做好充分的预习工作。

1.3联系

高层建筑结构设计类课程在教学过程中一定要紧密联系工程实例，这里的工程实例包括一些典型的高层建筑结构实例，也包括新闻媒体中报道的与高层建筑有关的事件，还有在每年的生产实习环节，我们有针对性地安排学生到高层建筑结构的施工现场，增加学生对高层建筑结构的感性认识，积累第一手工程资料。增添课堂教学的新鲜感，调动学生的学习兴趣和求知的积极性。

2 教学实例分析

2.1结合规范

我国的《高层建筑混凝土结构技术规程》对高层建筑有明确的规定：层数在10层及10层以上或房屋高度大于28m的住宅建筑和房屋高度大于24m的其他高层民用建筑，同时《高规》对不同结构体系的高层建筑结构的高度进行了限制，如表1所示。

2.2力学分析

为了让学生能够更好地了解高层建筑结构的含义，理解房屋高度与结构受力之间的关系，进而掌握高层建筑结构的设计特点，在课程讲解时采用基本概念讲解加受力分析，以最简单的矩形塔楼为例，分析其在竖向荷载和水平荷载下的受力特点，如图1。

矩形塔楼n层，房屋高度H，各层层高均相同为h1，塔楼同时承受竖向荷载和水平荷载，水平荷载简化为均布荷载qH，各楼层的竖向荷载基本相同，简化为作用在楼板单位面积上的q1。

（1）竖向荷载q1

由于各标准层的层高和楼层荷载基本相同，故结构底部轴力最大值：

式中：q1-包括墙体自重在内的楼层折算均布荷载

A-计算单元的楼层面积

n-楼层数，当各层层高相同时，n=h/h1，h1为建筑物总高，为每层层高

从上式可以看出，在竖向荷载作用下结构的轴力与计算截面以上的楼层数成正比，也可以说是与结构的总高度成正比。

（2）结构的水平剪力V

在均布水平荷载qH作用下，结构的水平剪力V与计算截面以上高度成正比，底部最大剪力：

（3）结构的总弯矩M

结构截面弯矩与计算截面以上高度的平方成正比，底部最大弯矩为

（4）房屋的顶部位移△

由结构力学知识，若假定各层结构截面不变，则承受均布荷载的悬臂柱的顶端位移如公式（4）所示，可以看出结构顶端的最大位移与房屋高度的四次方成正比关系。

综合以上竖向荷载下的轴力，水平荷载下的剪力、弯矩和位移与房屋高度之间的关系，能够看出随着房屋高度的增加，与竖向荷载相比，水平荷载产生的内力变化更为显著，成为主要的控制荷载，位移随房屋高度的变化最明显，因此侧移控制问题成为高层建筑设计的主要矛盾。

如在公式（4）中位移取限值[△]，则公式为_________________，房屋高度与结构自身的刚度成正比，刚度越大，房屋高度越高，这也就不难理解不同结构体系的高层建筑为什么最大适用高度不同，主要原因就是结构的刚度不同。

从本例中学生至少可以得到两种信息，高层建筑与普通多层建筑在结构设计时的区别，还有就是高层建筑结构为什么要限制房屋的高度，简单的案例加上适当的力学分析可以帮助学生在高层建筑结构入门时答疑解惑，收到很好的教学效果。

2.3联系工程实践

在联系工程实际方面，一是通过PPT的形式让学生了解目前世界上高层建筑达到的高度，如美国的希尔斯大厦、帝国大厦，中国的金茂大厦、环球金融中心，阿联酋的迪拜塔等，并分析其结构体系的特点；二是参观校园内的建筑，10层的教学主楼、30层的高层住宅，进一步明确房屋高度与其采用的结构体系之间的关系。

3 教学效果

在“高层建筑结构设计”的教学活动中，采用“结合——分析——联系”的教学方法，使学生对高层建筑结构设计的各个知识点有了更深刻的理解，从而激发了学生学习的兴趣。土木工程专业的毕业设计可以直接检验高层建筑结构课程的教学效果，大多数学生能够在毕业设计初期进行合理的结构选型和结构布置，在结构内力计算和结构分析中可以运用合理的计算方法和设计方法进行准确的计算，毕业设计的质量也得到很大的提高。

编辑∕岳 凤