智能建造专业钢结构设计原理课程教学改革

摘 要：智能建造是建筑行业发展的必然趋势，在资源紧张、环境问题日益突出的背景下，为了培养复合型智能建造技术人才，对交叉融合多学科的结构设计类课程的改革迫在眉睫，并已成为高校研究的热点。为此应针对钢结构设计类课程的现状，按照广泛涵盖智能建造相关领域知识、融合跨学科内容、强调系统思维和综合性能力、引入数字化设计工具和仿真技术、注重问题解决和创新思维等教学改革要求，通过修订智能建造背景下的课程内容、打造虚实结合高效互动的教学新体验、构建理实一体化的智慧课堂等教学改革路径，探索钢结构设计原理课程改革思路，为区域建设提供人才保障，促进智能建造专业课程的建设和人才培养。

关键词：设计类课程；钢结构设计原理；教学改革；智能建造

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：0450-9889（2024）21-0102-04

智能建造是建筑行业发展的必然趋势，它融合了先进的信息技术、人工智能、大数据等前沿技术，旨在提高建筑行业的生产效率、质量和可持续性，已被纳入国家智能建造的发展规划远景目标。在当今资源紧张、环境问题日益突出的背景下，为了培养复合型智能建造技术人才，对交叉融合多学科的结构设计类课程进行改革迫在眉睫，并已成为高校研究的热点。

一、智能建造专业钢结构设计类课程教学现状

2020年7月，住房和城乡建设部等十三个部门联合发文强调，要以建筑工业化为支撑，以数字化和智能化提升为驱动力，创新关键核心技术，加强智能建造在工程建设各阶段的应用。次年3月又提出“加速数字化发展，构建数字中国”的目标，强调国家高度重视数字化发展。这为智能建造提供了更广泛的政策支持，也推动了传统产业的数字化转型。

智能建造专业的培养目标在于培养学生掌握土木工程、计算机科学与技术、机械工程、系统工程等学科的基本原理和基本方法，具备跨学科发展的能力，能够胜任复杂建造工程的智能设计、智能施工、智能运维管理等工作。同时，要培养学生具备强大的学习能力、创新能力、国际视野和领导才能，使其成为业界的领军人才［1］。自2017年同济大学首个智能建造专业获得教育部批准以来，累计有152所高校开设该专业。调查发现，未来10年智能建造从业人员在行业所有从业人员总数占比要达到20%（目前该比例仅为9%），这充分体现了新工业科技发展对智能建造技术专业人才的紧迫需求。

钢结构设计原理是智能建造专业的学科核心课程之一，多数高校在本科三年级阶段开设。课程内容涵盖广泛，强调引导学生主动学习和进行科学实践。在教学过程中，不仅要进行理论推导，还应针对不同的工程应用项目进行实验操作和数据分析。然而，该课程传统教学模式在教材、课程设置和实践性教学等方面未能紧跟智能建造领域的快速发展，在培养学生过程中可能导致出现与实际工程需要脱节的问题［2］。例如，随着钢材产量的逐年增加和现代钢结构设计施工技术的发展，屋盖结构通常采用钢管桁架、网架或网壳结构、预应力钢结构等形式，但教学中仍然讲解角钢屋架设计，其截面形式主要是单角钢或双角钢组成的T形截面，设计内容并不能覆盖钢结构课程的主要知识点。课程应将原先的钢屋架设计调整为钢框架设计，使之与前面所学的基本构件设计与节点连接的知识点更加贴近；还要强调BIM技术、虚拟现实技术的应用，强调计算机仿真分析在钢结构设计与施工方面的应用。

因此，为了更好地培养适应未来建筑行业发展的专业人才，亟需对钢结构设计原理的教学进行改革，使其更贴合智能建造的需求，满足智能建造职业岗位需要。本文将针对钢结构设计原理课程探讨教学改革措施，以构建更适应智能建造需求的钢结构教育体系。

二、智能建造专业钢结构设计原理课程教学的改革要求

在智能建造专业背景下，钢结构设计原理课程的教学要求应该具有更为宽泛的知识体系，以适应这一领域的快速发展和综合性要求。

一是要广泛涵盖智能建造相关领域知识。钢结构设计原理课程需要涵盖智能建造领域的多个方面（如图1所示），包括但不限于数字化建模、信息技术在结构工程中的应用、人工智能在结构设计和优化中的角色、大数据分析对结构性能的影响等。学生需要理解这些知识如何与传统钢结构之间的相互关联，以更全面地应对未来智能建造的挑战。

二是要融合跨学科内容。高度智能化的建造过程需要结构工程师具备跨学科的知识储备。因此，课程的改革方向应该在钢结构的基础上融合计算机科学、数据科学、机械工程等相关学科的内容，以全面提升学生的知识、能力储备。这需要跨学科有机融合，改革后的课程必须高度融合创新传统土木工程与人工智能、大数据、云平台等领域。

三是强调系统思维和综合性能力。在传统的钢结构设计教学中，注重教授构件和连接的设计，而在智能建造背景下，系统思维的重要性也在提升。因此，课程改革应该强调对整个建筑系统的设计和性能优化，包括加入智能化系统集成的内容。要使学生能将结构设计放入整体建筑系统的背景中，通盘考虑结构与其他系统之间的相互影响。

四是引入数字化设计工具和仿真技术。在智能建造专业教学中，数字化设计工具和仿真技术用以提高设计效率、增强设计质量，让施工者更好地应对复杂项目，如使用BIM软件可以实现建筑设计的三维可视化，设计师能够更直观地进行规划和修改，大大减少了设计过程中的错误和重复工作，从而显著缩短项目周期。课程应该引入先进的数字化设计工具，如建筑信息模型（BIM）软件、结构分析软件等。通过实际的项目和仿真，学生更好地理解结构设计在数字环境中的应用，提高实际操作水平。

五是要注重问题解决和创新思维。智能建造从业人员常常需要以创新性的思路解决该领域的问题。因此，课程应该培养学生的问题解决和创新思维，鼓励他们通过结构设计解决实际问题。通过引入真实案例和工程项目，让学生在解决实际挑战的过程中锻炼创新性思维，以适应未来行业发展的要求。

三、钢结构设计原理课程教学改革路径

为拓展学生智能建造专业课程的知识体系，教师需调整和深化课程内容，使该门课程更好适应智能建造专业的新变化。教学团队对照上述要求，提出以下适用于智能建造专业设计类课程教学改革路径。

（一）修订智能建造专业的课程内容

钢结构设计原理课程涵盖智能建造的多个领域，并作为智能建造专业的核心专业课程，该课程目标强调对钢结构基本原理的掌握、设计方法的运用、施工技术的了解以及具备安全评估的能力，以应对未来智能建造的挑战。因此，教学改革的首要工作是根据智能建造专业的育人要求修订课程内容，以满足未来建筑行业对智能型人才的需求。本课程将人工智能相关的基础知识，如机器学习、深度学习、计算机视觉等融入教学内容中，并介绍这些技术在钢结构领域的应用案例，这些案例包括智能监测、智能设计、智能施工等方面，让学生深刻认识到人工智能在钢结构领域的重要性和优势。通过更新和优化课程体系，引入智能建造领域的新技术、新理念和新方法，特别要重视物联网技术、智能算法、BIM技术、大数据及云计算技术等课程设置的权重。再根据人才培养方案制订相应的课程大纲，旗帜鲜明地突出智能建造的教学重点，更新教学内容。

同时，更新传统的钢结构设计、分析和施工方法，引入基于人工智能的优化算法和仿真技术，通过以点带面、以面带片，将知识体系进行融会贯通。教师可以通过线上平台发布拓展学习资源，供学生课后进行自我探究提升。鼓励学生参与基于人工智能的钢结构项目，如智能监测系统的开发、智能设计软件的优化等。重构后的课程旨在提高学生对钢结构的学习兴趣，进一步加强课程知识的掌握程度。

课程大纲要结合最新钢结构设计、施工与运维管理的相关规范教学，力求将传授知识与培养能力相融合。针对教材滞后部分，及时组织专业骨干教师修改、升级，形成适用于本校教学的教学资源。还可聘请国内外智能建造领域顶尖企业的工程师，参与钢结构设计原理课程教材改革模块的编写。教材内容要以实践需求为导向，通过问卷调查收集一线建设人员的反馈意见，以不断改进教材，使之更符合实际工程应用，从而提高学生对理论知识的理解程度和实际运用能力。

（二）打造虚实结合高效互动的教学新体验

传统的教学模式在面对快速发展的智能建造领域时显得有些滞后，为了应对这一挑战，教学团队采取了虚实结合的教学措施，提高了学生的学习兴趣和主动性。

如利用虚拟仿真技术，模拟真实的建筑场景和施工过程，让学生在虚拟环境中进行学习，并通过反复实践加深对理论知识的理解。在钢结构设计原理的课堂上，利用BIM技术构建三维立体模型，展示不同类型钢结构的设计方案，从而让学生直观地理解和学习钢构件之间的连接方式。例如，引入BIM技术，通过使用相关软件如Revit、Tekla等，将传统的2D平面示意图转换为可以动态操作的3D可视化立体模型。同时，建立了一个完整的钢结构3D虚拟模型素材库，包括梁柱构件、梁柱节点连接、柱头和柱脚连接等典型构件（如图2、图3、图4所示）。

此外，教学团队还利用多媒体技术直观展示钢结构的构造细节和受力特点，例如通过动画模拟钢结构框架的受力过程，让学生看到构件的变形和应力分布情况。利用诸如虚拟现实（VR）和增强现实（AR）技术为教学提供了新的视角。VR技术可以让学生进入虚拟的钢结构施工现场，体验安装过程，了解技术要求和安全措施；AR技术则将虚拟模型叠加到现实环境中，增强学生对设计和施工的理解。

在虚拟仿真学习的基础上，教学团队结合实验室或施工现场实践操作，再通过3D实体模型带来的直观视觉感受，引导学生在实际操作中验证虚拟仿真的结果，加深对知识的理解和应用，从而使学生对钢构件截面形式和节点连接有更深入的理解。同时，在讲授钢结构设计原理课程时，引入重大工程案例，让学生在课堂中寻找解决实际工程问题的方法。

为了弥补实验资源有限问题，学校构建了虚拟仿真实训平台（如下页图5所示，包含1个实景教学基地、2个资源平台、4个仿真实训系统），扩充专业实践教学软件，打造安全开放的实验环境。虚拟仿真实验实现了一人一机进行实验操作，不仅能弥补传统实验的不足，还能展示新技术成果，从而充实教学内容［4］。教学团队秉持“虚实结合、互为补充、务实为先”的核心理念，致力于激发学生的创新意识和创新能力，将实习实训、实验教学与前沿的科学研究和工程实践紧密融合，从而促进学生的全面发展。

在虚拟仿真实训平台上，教师可便捷使用软件模拟钢结构各类实体实验、利用VR全景和BIM技术展示钢结构智能建造工程案例等。

（三）构建理实一体化的智慧课堂

为了顺应智能化建造的发展趋势，满足智能建造领域职业岗位需要，在钢结构设计原理教学过程中应推广理实一体化教学模式，以避免理论与实践相脱节。

为此，学校应建设多个实验室，满足钢结构设计原理课程理实一体化教学的需要。例如，在学习钢结构材料这章内容时，学生可以在实验室内直观看到各种型号的钢材，对材料种类有了直观认知；通过操作试验机，学生深入理解了钢材在受拉与受压条件下的力学性能，以及冷弯性能和冲击韧性等关键特性，从而全面掌握了钢材的力学行为特征；在学习钢结构连接的内容时，学生在实验室内采用机器人进行智能化焊缝控制实验的操作，包括对接连接、搭接连接、T型连接等，还可以让学生学习焊接机器人编程与操作，深入理解焊缝连接设计和施工原理；在学习钢柱、钢梁的设计理论时，学生分组后在实验室制作和测试钢结构框架缩尺模型的力学性能及破坏形式，验证其设计的正确性和可行性，同时利用软件对模型进行有限元分析，与实验结果对比。这些实践过程有利于培养学生的解决问题能力和技术创新能力。

除了实验室内的实验实训项目，教师可选择部分钢结构构件的典型模型，并运用3D打印技术将其实体化，从而为学生提供直观的学习材料。在教学课堂中，学生可以亲手组装这些3D打印的模型构件，从而提升专业技能。

钢结构课程设置课程设计环节，并且在生产实习和毕业设计的环节中也涉及钢结构的实践范畴，让学生在实践中学习、在操作中思考，提升解决问题的能力。在课程设计中，要着重进行钢结构框架和节点设计，检验学生理论和实践水平，以做到知行合一。这种实践性的学习方式不仅使学生更加深入地理解钢结构构件的原理和设计，更能够提升学生解决实际问题的能力，为未来的职业发展奠定坚实的基础。

此外，学生可通过上述构建的校企合作平台获取丰富的钢结构工程实例和一线真实资料，能够更直观地理解工程项目的复杂性和实际运作过程。该平台使理论性教学与实践性教学、课堂教学与实训基地实习有机结合，并能设计出多样的综合性工程实践活动。学生参与真实项目，体验钢结构智能化建造的全过程，能深刻地领悟理论知识在实际工程中的应用，从而培养他们解决实际问题的能力。

随着智能建造相关人才需求量的增加，智能建造专业的建设刻不容缓。本文在智能建造专业背景下对钢结构设计原理课程的教学现状进行分析，发现了诸多教学问题，提出了优化教学内容、实施虚实结合的理实一体化教学、搭建实践平台及架构实践教学体系等教学改革举措，以促进智能建造专业培养模式的不断完善。

参考文献

［1］刘世平，骆汉宾，孙峻，等.关于智能建造本科专业实践教学方案设计的思考［J］.高等工程教育研究，2020（1）：20-24.

［2］谢甫哲.基于“卓越工程师计划”的钢结构课程教学探讨［J］.高等建筑教育，2018，27（5）：86-90.

［3］宋克志，苑宏宪，邓建俊.智能建造背景下土木工程专业课程体系改革探索［J］.教育教学论坛，2023（37）：76-79.

［4］杨世金.“三化”背景下新时代智能建造实训基地建设探究［J］.广西教育，2023，7（21）：28-32.

注：本文系2023年广西高等教育本科教学改革工程项目“面向智能建造的建筑结构设计类课程改革与实践研究”（项目编号：2023JGA114）的成果。

（责编 罗异丰）