提高毕业生实践能力的《地下建筑结构设计》教学内容改革

孙金山　左昌群　陈建平

摘要：随着地下工程行业的发展及其对专业人才实践水平需求的提高，高等院校《地下建筑结构设计》课程内容亟需根据专业和行业的发展进行适当的调整。论文分析了当前出版的《地下建筑结构设计》方面的教材在实际教学应用过程中存在的问题与缺陷，在此基础上以毕业生实践能力提高和行业发展需求为核心目标，依托最新的设计研究成果构建了新的《地下建筑结构设计》课程内容体系。

关键词：地下建筑专业；地下建筑结构；教学内容；教材

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）48-0089-02

一、引言

随着我国经济的不断发展，城市房地产、交通、市政、矿业、水利水电和国防等行业的基础设施建设规模也不断扩大，地下工程行业也迎来了前所未有的发展机遇。大量的地铁隧道、公路隧道、地下矿山、地下电站和地下洞库及城市地下空间亟待修建，因此，行业的发展也亟需大量的专业人才。如何培养一大批合格的能适应行业发展要求的专业人才成为高等学校面临的重要挑战。

作为土木工程行业的重要分支，地下建筑专业虽然具有很长的发展历史，但由于其所处地质环境的复杂性，其基本理论相对于其他学科发展较为缓慢。近年来，随着其他相关行业新理论、新材料、新工艺和新技术的发展，地下建筑专业理论也有新的发展。然而，高等学校本科教学的相关教材却难以满足行业发展的要求，导致出现了教材内容与工程实践脱节、毕业生实践能力差等突出问题。为此，通过对比研究国内高校地下建筑、隧道工程等专业开设的《隧道工程》、《地下建筑结构》和《地下工程》等专业教材，对适应行业发展的《地下建筑结构设计》教学内容进行了研究。

二、目前《地下建筑结构设计》课程内容存在的问题

随着地下建筑工程方面人才需求量的日益增大，国内开设土木工程类专业的许多高校均开设了地下建筑或隧道方面的必修或选修課程[1-5]，采用的教材大致有十余个版本，且许多版本的教学内容体系相似，随着行业的发展，教材中的相关理论稍显陈旧，部分内容与工程实践脱节，已难以满足学生的工程实践需要。

（一）地下建筑结构的新材料

随着新奥法的发展和建筑材料的发展，地下建筑结构的材料逐渐由传统的钢筋和混凝土向新型材料发展。如传统的整体式衬砌逐渐被复合式衬砌所代替，而复合式衬砌的材料演变发展迅速，如隧道支护结构可包括：素喷混凝土、钢纤维喷射混凝土、树脂纤维喷射混凝土、钢锚杆、树脂锚杆、机械锚杆、超前管棚、超前小导管、模筑混凝土、预制混凝土管片、钢管片、各类防水卷材、内装材料和注浆材料等。而传统地下建筑结构课程内容中涉及的新型建筑材料方面的内容较少。

（二）地下建筑结构计算的新方法

地下建筑结构不同于地面建筑，其结构与地层紧密联系，传统的地下建筑体系计算方法是以结构力学为基本理论的荷载结构法，但该方法一方面力学简化不科学，另一方面计算过程较为复杂。随着计算机科学的发展，传统的荷载结构法与有限元理论相互结合已经形成了新的结构计算方法。另外，地层结构法也随着岩土力学的发展得到广泛的应用，已经成为复杂地下结构的首先计算方法。目前国内发行的大学教材中，仍以介绍传统的计算方法为主，新的方法的基本思路、原理和方法，学生难以接触和掌握。

（三）地下建筑结构的新形式

随着地下建筑结构专业的发展，许多新型地下建筑结构形式逐渐发展起来。传统常见的地下建筑结构主要是隧道，而近年来其他形式的地下建筑结构也日趋增多，如沉管隧道、管幕法隧道、TBM法隧道、顶管法隧道、沉箱结构、大型地下厂房、地下贮藏库等。目前交通类的大专院校主要学习的是隧道工程，其他地下建筑结构涉及较少，而讲授地下建筑结构的院校则对各种结构的涉及面也较窄，且关于隧道结构方面的内容也不全面。

三、《地下建筑结构设计》课程内容改革

随着地下工程专业人才需求量的增加和新技术的不断发展，面向工程实践，以培养实际工作水平和能力为核心，适时的调整《地下建筑结构设计》的课程内容设置十分必要，是以“教学”为主高校相关专业的重要工作内容。

地下建筑结构形式多样，同时地下建筑结构设计与工程地质、结构力学、岩体力学、土力学、钢筋混凝土学、现代土木工程数值模拟技术等专业课程密切相关，如何将其独立同时又不割裂与其他课程间的密切关系是教学内容和教学方法改革中的难点。因此，考虑该课程与其他课程的关联性和地下建筑形式的多样性，可将内容分为以下三部分。

（一）基本理论与基本概念

地下建筑结构基本理论与基本概念的讲授是培养工程师专业素养的关键环节，主要讲授内容应包括：地下建筑结构的基本概念、地下建筑结构设计的基本方法、地下工程的围岩分级方法以及地下工程与围岩的相互关系、地下建筑结构的荷载、地下建筑结构的材料和地下建筑结构的计算理论等内容。这部分内容充分考虑了该课程与其他课程的交叉融合，可让学生清晰认识到课程与其他课程的区别和联系，同时在整体上把握复杂多样的地下建筑结构形式的共性以及结构设计的核心原则和思想，同时应向学生介绍最新的地下建筑结构设计思维和技术。

随着建筑材料学科的发展，地下建筑结构支护所采用的新材料越来越多，因此认识了解新材料的类型、应用范围和性能等是提高学生实践水平的重要方面，因此地下建筑结构基本理论与基本概念应介绍常用和新型的建筑材料，如素喷混凝土、钢纤维喷射混凝土、树脂纤维喷射混凝土、钢锚杆、树脂锚杆、机械锚杆、超前管棚、超前小导管、预制混凝土管片、各类防水卷材、内装材料和注浆材料等。

由于地下结构与地层关系密切，理解结构与地层的相互作用是后续内容的重要前提，因此，应独立重点阐述，这部分内容也是与传统教材差别较大的部分。同时，新的地下建筑设计理论更侧重于“围岩控制”，因此该核心原则和思想也是重点教授的内容，因而教材内容还应涵盖地下工程围岩分级方法以及地下建筑工程地质分析方法等方面的内容。

（二）隧道结构设计

隧道是地下建筑结构的最常见的形式，也是毕业生工作后主要的工作对象，因此这部分是课程的核心内容。同时，隧道结构形式多样，其结构形式差别较大，设计方法也有所不同，因此课程内容设置应以隧道结构形式进行安排，该部分内容应包括：隧道工程的勘察、隧道结构的总体设计、洞门与明洞设计、新奥法隧道支护结构设计、盾构法/TBM法隧道管片式衬砌结构设计、沉管法隧道结构设计和其他隧道结构形式等内容。在课程讲授过程中，应重点介绍结构的特征、工作原理、结构构造和设计计算方法，同时也应介绍实践中工程师常要面对的隧道设计的基础工作。其中，在隧道结构设计计算方法内容中，传统教材中主要介绍的是结构力学的计算方法，而在实际生产中用于弹性地基理论和有限元技术的发展目前基于“荷载—结构”模式的有限元计算方法已成为主流的计算方法，因此在此内容中应介绍传统的计算方法，并掌握新的计算理论。

（三）其他地下建筑结构

除了隧道以外，还有多种地下建筑结构形式，而随着土木建筑专业各领域的交叉渗透，毕业生面向的工作对象往往不只局限于隧道结构，因此学生掌握和了解其他地下建筑结构形式的设计也是十分必要的。该部分内容包括：基坑支护结构、地下商业街、停车场和附建式地下结构、沉井和沉箱结构、大型地下洞库和其他地下建筑结构形式。此类地下结构形式结构复杂，形式各异，主要应以介绍结构构造为主。在计算理论方面，目前复杂结构的设计主要以“荷载—结构”计算模式的有限元计算方法为主，对于大型地下洞库和地层条件复杂的地下结构则应介绍目前流行的“地层—结构”计算模式的有限元计算方法。

四、结语

随着地下工程行业的发展和人才水平需求的提高，《地下建筑结构设计》课程内容亟需根据专业和行业的发展进行适当的调整，同时随着土木建筑专业各领域的交叉渗透，毕业生面向的工作对象多种多样，因此让学生掌握结构设计的核心思维和最新的方法和技术，认識和熟悉常见的地下建筑结构形式，掌握其设计方法是十分重要的。以面向工程实践需求和毕业生实践能力提高为核心教学目标，对《地下建筑结构设计》课程内容进行了探讨，构建了面向工程实践的新的地下建筑结构课程内容体系，希望对地下建筑学科的发展具有积极的意义。

参考文献：

[1]陈建平，吴立，闫天俊，许文峰.地下建筑结构[M].北京：人民交通出版社，2008.

[2]刘增容.地下建筑结构[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[3]朱合华，张子新，廖少明.地下建筑结构[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[4]王树理，王树仁，孙世国，杨万斌，朱建明.地下建筑结构设计[M].北京：清华大学出版社，2009.

[5]覃仁辉，王成.隧道工程[M].重庆大学出版社，2011.