校园景观式结构实验教学基地的建设模式研究

王 强, 郭 凯, 刘 琳, 贾连光

(沈阳建筑大学 土木工程学院,辽宁 沈阳 110168)

土木工程是一门强调实践与理论相结合的科学。实验教学是土木工程专业教育的一个重要环节,对培养土木工程专业人才、体现专业化教育具有重要意义,同时也是专业学习的重点内容,对培养学生兴趣、巩固专业知识、提高实践能力具有不可替代的作用[1-3]。完善的实验教学基地建设可以使专业实验教学更充分,启蒙学生专业认同感并把所学知识运用到工程实践中[4-6],增加学生对土木建设行业的感性认知,为专业学习打下良好基础,启示未来专业发展方向。

1 实验教学基地发展现状及存在问题

随着我国经济实力的提高,基础设施建设进步显著,土木工程专业得到了巨大发展,越来越多的高校开设了土木工程及其相关专业。2017年12月,教育部学位与研究生教育发展中心公布的全国第四轮学科评估结果显示,土木工程专业参评高校共计已达314所之多[7]。各高校对实验教学都是极为重视的,大多数高校都有自己的实验教学中心。对于场地有特殊要求的实践环节,如工程地质实习、工程认识实习等则多采用建设校外实习基地的方式来进行。对于土木工程结构实验教学而言,这种教学模式存在一些问题。

(1) 投入资源过大。建设大于1万m2、可容纳1 000名学生进行实习的实验教学基地,投资需在几千万元[8-9]。紧张的实验实习经费,相较于这种巨额投入以及后续大量的维护费用而言,无异于杯水车薪。所以大多数学校选择教学基地共享的方式,以秦皇岛柳江盆地地质实习基地为例,就有71个单位共用,中国地质大学北戴河基地、周口店基地及吉林大学兴城基地等都为多个高校共用[10-12]。这种共享方式虽然解决了费用问题,但也在很大程度上使基地建设多元化,对专业化的实习未必有好处。

(2) 教学基地远离学生生活,教学效果差。对于土木工程结构实验教学而言,大多数实习基地均为未完成的建设工程项目,施工现场与学生日常生活学习的环境差距较大,在实习过程中学生很难融入现场环境,无法达到良好教学效果。并且实习时间通常较短,学生很难在这种短期集中的培训中掌握土木工程结构的重点与难点。

(3) 安全隐患大。施工现场工程情况复杂,对于没有经过系统、全面安全培训的学生而言,存在着很大的安全隐患。实习过程中动辄几百名甚至上千名学生的出行、交通、食宿等方面的安全需求,都是对校园外教学基地的严峻考验。

2 校园景观式结构实验教学基地建设

为了实现经济、便捷、安全的结构实验教学基地建设,我校提出了校园景观式结构实验教学基地建设方案。通过标示校园内特征结构、引入新型建筑结构类型、展示前沿新式结构等方法,将土木工程的结构与校园景观相结合,把校园建设成为结构实验教学基地,体现“建筑育人”“景观即专业”的教学特点,为实验教学基地建设提供了新思路。

2.1 标识校园内部特征结构

在校园建设伊始,学校有意识地采用了典型结构与多元化方案相结合的建设理念。建筑风格上,我校校园采用的纵横交错的网格式建筑布局极具想象力,多种结构形式的综合运用也是一大亮点。

(1) 教学楼整体采用了框架结构,建筑首层多处采用了敞开式庭院景观设计,无墙体的建筑方式使框架结构得以立体的、全方位的展示(见图1、图2)。

图1 教学楼一层框架结构

图2 结构实验室框架结构

(2) 我校拥有756 m的长廊,贯穿于教学区、科技园区、办公区和学生生活区。整体分为3层,具有学习性、共享性、交通性、展示性等特点。长廊第3层柱距为8.1 m,长廊第1层为配合中央水系景观,柱距增大为24 m,将第2层设计为结构转换层,转换层采用斜杆桁架式结构,造型优美流畅,同时在结构中完成了上下层结构荷载的传递(见图3、图4)。

图3 长廊建筑形式

图4 第2层为长廊结构转换层

(3) 长廊第2层(见图5)、商业街以及雷锋庭院(见图6)的上部顶棚结构采用钢网架结构,是典型的空间杆系结构,具有优美的建筑造型。网架结构在建筑平面上,可以适应多种形状,如圆形、三角形、扇形等; 建筑外观方面,也可以形成多种曲面,如球面、椭圆面等; 结构上,网架受力合理,可以实现较大的跨度,是具有广阔发展前景的空间结构。

图5 长廊2层钢网架

图6 雷锋庭院钢网架

(4) 体育场主席台(见图7)及长廊第3层部分区域(见图8)采用了张拉膜结构。钢架及钢索通过预先张拉的方式产生预应力,形成空间覆盖结构。建筑造型优美、覆盖空间跨度大; 由于自重轻,受力体系简洁合理,可形成开阔的无柱大跨度结构; 结构自重轻,还使柔性变形能力强,抗震性能好; 由于钢结构、钢索均在工厂加工制作,现场施工简便,工期短。

图7 体育场主席台张拉膜结构

图8 长廊第3层张拉膜结构

2.2 引入外部特色建筑,丰富结构类型,增加文化底蕴

砌体结构是建筑史上历史最为悠久的结构形式之一,我国砖体砌筑有2 000多年的历史。沈阳八王寺原名大法寺,创建于1415年(明永乐十三年),造型宏伟壮观,极具中国传统建筑特色。2008年,八王寺由大东区边墙路112号整体迁入我校,成为全国建筑类高校校园里唯一具有600年历史的古建筑教学科研示范基地,并更名为“八王书院”(见图9)。迁建过程中不仅保留了历史遗留的建筑部件,还对缺失部分依据历史资料进行了修补完善,成为校园内一道优美的风景线。

日俄战争残垣(见图10)也是传统的砌体结构,是在1904年日俄战争中保留下来的珍贵文物,于2009年迁入我校,除采用必要的加固措施外,基本保留了原本的历史风貌,墙体上的弹孔均清晰可见。

盛京施医院(见图11)于1883年由英国传教士司徒阁所建。旧址位于今沈阳市大东区小河沿路44号。是沈阳最早的西医院,后来增设奉天医科专科学校,为中国培养了大批医学人才,1948年更名为辽宁医学院,并入中国医科大学。这座饱经中国东北历史变迁的西式阁楼建筑也于2009年迁入我校。

这些历史悠久、饱含深刻文化底蕴的建筑结构,不仅使学生学习到了建筑的结构形式与结构特点,也感受到了历史的磅礴厚重,文化传承的星火不息。

图9 八王书院

图10 日俄战争残垣

图11 盛京施医院

2.3 结合科研实验建立结构景观

(1) 地铁工程教学实训基地(图略)展示了沈阳市地铁1、2号线盾构隧道结构,包括支护管片及连接结构、整体道床、轨枕与轨道等,采用外部预应力的方式创造性地将整个管片竖立在非土层包裹的地平面以上,使观摩、教学更为直观。

(2) 道路工程教学实训基地(图略)展示了道路实体构造,包括路基、路面各结构层构成、圆管涵洞及盖板涵洞、路基边坡及防护、路肩、路缘石、行车道等。还可以进行路面使用性能检测,如路面平整度、渗水系数、摩擦系数等。

(3) 地质雷达市政道路检测教学实训基地(图略)展示了地质雷达在市政道路检测中的应用,通过制作沥青路面和混凝土路面在工程中的常见病害,如脱空、离析、蜂窝、面层厚度不足等,来向学生展示其在地质雷达中的典型图像和特征数字信号。

(4) 结构构件综合教学实训基地(图略)展示了框架填充墙出平面地震振台试验、蜂窝形孔洞钢结构梁体试验、新型建筑节能体系成套技术研究、振动台试验研究等前沿科研试验的试验构件、试验方法,让学生了解建筑行业的发展现状及未来的发展方向。

(5) 桩基础教学实训基地(图略)采用人工挖孔灌注桩,设计了标准桩、断桩、缩颈、离析及桩长不足等5种类型桩,并展示了桩基础检测时常用的低应变法、竖向抗压静载试验、声波透射法等检测手段。

(6) 中德节能示范中心(图略)是我校和德国达姆施塔特工业大学、德国达姆施塔特应用技术大学共同合作设计的节能示范项目。中心以“被动式技术优先、主动式技术辅助”为设计原则,展示了被动式低能耗建筑设计理念与绿色建筑集成技术的系统结合,实现了严寒地区超低能耗绿色建筑的设计目标。示范中心的预认证目标为:我国绿色建筑评价三星级、德国BNB评价金级、美国LEED-NC铂金级。

3 结语

通过标示校园内部原有的特征结构、以多种渠道丰富校内建筑结构类型、结合科研实验展示前沿新式结构等方式,形成体现行业院校特色的校园景观,把校园建设成为景观式结构实验教学基地。建设方案体现了教学基地建设所必须的安全、便利、经济的总体目标,既可用作本校学生的认识实习、专业实习,也可用作外部人员的专业技术培训,使教学实训基地建设在有限的资源条件下尽可能做到最好。融入校园景点建设的实训基地,对学生的专业教育起到潜移默化、润物无声的教学效果,为教学基地的建设提供了新思路,开拓了新视野。