建筑結構CAD課程改革與建設成效

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摘要：本文以土木工程（建筑工程）畢業設計為導向，通過分析《建筑結構cad》課程改革存在的主要問題，提出以電子教案改革、實訓沙龍、本科生導師制度、協同創新中心等措施，構建建筑結構CAD課程的建設方案，以實現土木工程專業人才培養目標。

關鍵詞：結構CAD；課程改革；課程建設；畢業設計

揚州大學建筑科學與工程學院早在2006年就斥資建設計算機專用教室，引入正版PKPM軟件，開展《結構CAD課程》教學，并由具有豐富工程經驗的教師和校企專家負責給在校本科生授課和開展企業培訓，獲得了很好的效果和社會聲譽。經過多年的發展，在全院師生的不懈努力下，《建筑結構CAD》課程已經成為學院極具特色的一門選修課程，為社會培養了大批實用型技術人才。然而，隨著科技的進步和社會的發展，傳統的以授課為主的教學模式逐漸呈現出了一些問題。如結構計算軟件更新迭代較快、豐富經驗的教師即將退休無法支持課程教學、年輕教師工程經驗不足、畢業設計圖紙深度不夠、企業需求提高等[1-5]，這些問題在一定程度上已對《建筑結構CAD》的課程建設造成了困擾，影響了課程建設的成效。為此，本文從畢業設計導向出發，闡述了《建筑結構CAD》課程改革的必要性和迫切需求，并基于校企協同育人模式，針對建筑科學與工程學院《建筑結構CAD》課程建設的目標，探究了課程建設中存在的基本問題，并根據問題結合實際情況，探討了課程的改革措施，并依據改革措施的結果，對課程改革的成果進行有效性評定。本文研究結果，可供《建筑結構CAD》課程改革和建設提供參考。

一、建筑結構CAD課程改革和建設的必要性

（一）土木工程畢業設計的需求

土木工程畢業設計是本科教學最終的演練和檢驗。其中，最為關鍵和核心的內容是采用結構設計軟件完成結構建模、荷載輸入、結構計算、形成全套結構圖紙。畢業生對結構軟件的熟悉程度、施工圖繪制的深度[6-7]，都與《建筑結構CAD》課程緊密聯系，這在很大程度上對《建筑結構CAD》的課程提出了較高的要求。為此，針對畢業設計的目的和要求，有必要開展課程的改革和建設。

（二）土木工程人才培養的迫切需要

土木工程人才培養目標之一是使學生具有結構設計方面的專業知識和基本技能。與結構設計密切相關的實用技能就是結構設計軟件的使用。《建筑結構CAD》主要通過講授結構設計軟件、設計參數選擇與判斷、施工圖繪制等內容，使學生掌握結構設計技能[8]。因此，開展相關課程改革和建設也是人才培養的迫切需求。

（三）推進國產正版軟件應用的發展需求

目前，國內外關于結構設計的軟件總類較多，如PKPM、盈建科、SAP2000、ETABS、邁達斯等。這些軟件均包含國內國外規范條文，可按需求采用。然而，鑒于目前國內外形勢的變化，為打破國外軟件對結構設計的壟斷，防止國家經濟命脈掌握在少數發達國家手中，國產結構CAD軟件得到了充分的重視。尤其是在《建筑結構CAD》教學中，是否采用國產軟件是培養用戶習慣的關鍵問題。在我院《建筑結構CAD》教學中，一直致力于采用正版PKPM進行教學，在畢業設計中，也與北京構力公司合作，采用他們的PKPM結構設計軟件開展畢業設計。

二、建筑結構CAD課程存在的問題

（一）對課程重要性的認識不足

在大多數開設土木工程專業的院校，《建筑結構CAD》是作為一門選修課程而開設的，這就在一定程度上造成了教師對該課程的不重視、學生不主動選擇課程等問題。而在大四下學期，畢業設計中后期往往需要采用《建筑結構CAD》所學的PKPM、探索者等軟件進行結構建模計算、繪制施工圖紙，這也造成了部分學生在采用軟件基礎方面的薄弱。此外，由于學術和職稱壓力，學院引進的年輕教師主要忙于項目申報、論文發表、報獎等科研工作，也在很大程度上不注重《建筑結構CAD》的教學工作。近年來，由于教師指導的本科畢業設計，也常常出現較多常規性問題，影響了畢業設計的教學質量，甚至在一定程度上造成企業對學校培養規格的負面認知。

（二）對建筑結構CAD軟件的認知存在偏差

由于現有結構設計軟件程序的高度智能化，如自動計算配筋、選擇鋼筋、繪制施工圖等，因此，有部分學生簡單的認為，只要將參數輸入軟件，就得到直接可以使用的內力、配筋和圖紙等結果。其實，這是對結構設計軟件的一種認識偏差。任何軟件的使用，都不能脫離工程要求和實際條件、都需要耐心細致的調整輸入參數、仔細核對軟件計算結果，這才能充分發揮軟件在結構設計中的輔助作用、減輕設計人員的負擔。

（三）對規范條文的不熟悉

我國的建筑結構CAD軟件，如PKPM、盈建科、廣廈等，所輸入的參數涉及工程概況、平立面布置要求、地質資料、抗震信息等，這些參數都立足于我國現行規范。此外，《建筑結構CAD》課程還涉及平法制圖及結構構件構造等，這也需要對國內圖集有較深層次的理解。基于此，講授《建筑結構CAD》的教師不僅要求能充分理解國內規范，還要有豐富的工程經驗[9]。目前，我院具有豐富工程經驗的教師即將退休或已經退休，這對《建筑結構CAD》課程的師資力量造成了較大的沖擊。由于近年來引進的年輕教師的重心主要集中于科研論文和項目申報、師資力量的傳幫帶不足、住建部對注冊結構工程師的改革，這都較大程度上限制了年輕教師對規范條文的學習熱情，也在客觀上造成《建筑結構CAD》課程的講授只浮于軟件的操作和使用上，對結構合理的布置、正確的參數輸入、計算結果的查看和調整都缺乏足夠的認識。為此，教授《建筑結構CAD》課程，也在一定程度上促進了教師對國內外規范的再學習。

（四）課程時間安排不合理

在大四上學期，需要開設《工程抗震》這門課程，作為《建筑結構CAD》課程的先導課程，主要講述結構抗震設計原理和方法。而結構CAD軟件中最重要和最關鍵的部分就是結構抗震參數的輸入。由于課程時間安排上的沖突和重疊，在開設《工程抗震》課程的同時，《建筑結構CAD》課程也同步進行，這就造成學生尚未完全掌握抗震設計概念和方法的同時，就匆忙完成結構軟件參數的輸入。例如工程抗震最重要的指標最大層間位移角，需要學生完全理解并能手算框架結構的層間位移角，并進行判斷是否合理，而結構CAD軟件則需要通過不斷調整梁柱截面尺寸，對計算結果進行合理判別。一般情況下，《工程抗震》課程在后期才講會到最大層間位移角限值，而在《建筑結構CAD》課程教學中則會先遇到這類問題。因而，作為先導課程的《工程抗震》無法發揮其基礎知識儲備作用，《建筑結構CAD》課程則出現讓同學無法理解的概念。因此，對《建筑結構CAD》課程的開設時間需要作進一步的優化。

（五）對結構模型整體概念把握不夠透徹

結構CAD軟件建模會采用各種簡化假定和概念，這些基本假定和概念或多或少出現在以往所學習的課程中，但作為結構設計軟件的操作者，應對此給予高度重視。筆者通過畢業設計可以發現，學生對結構模型的整體概念缺乏相應的了解，這里最明顯的是上部結構的嵌固端位置的選取。當采用獨立基礎或條形基礎時，首層框架柱的長度應從基礎頂面算起，即嵌固端在基礎頂面，而絕大部分同學仍采用建筑圖紙提供的首層層高，這就造成嚴重的理解錯誤。此外，還有次梁和連續次梁的簡化、角柱的處理等，都需要對模型有整體的把握。（六）企業的需求的提高我院土木工程專業已經通過住建部專業認證（評估），這也在較大程度上需要我院的畢業生能達到較高的水平。因此，我院畢業要求，應能滿足企業用人需求。《建筑結構CAD》課程的學習目的是使學生在未來的在設計崗位上能盡量減少培訓、盡快實現人才價值。這也要求課程的開設以設計人才培養目標為導向，并注重過程培養。

三、建筑結構CAD課程改革措施

學院針對前述存在的問題，開展了系列的課程和教學改革措施，取得了較為理想的效果。

（一）電子教案改革

《建筑結構CAD》教學是一門實踐性很強的課程，因此教學過程以操作指導為主。在以往的教學過程中，授課教師采用投影，以基本模型為主，指導學生一步步操作，實現結構的建模、計算和繪制施工圖。課程操作步驟繁瑣、教學內容銜接緊密。為使學生能更好地學習結構CAD課程，在課程教學中，筆者針對課程中存在的問題，準備了內容精練、操作性強的電子教案，供學生課前預習和課后復習。針對教學中學生對建模認識的不足，電子教案內容主要包括以下幾個部分[10-12]：1.建筑與結構的關系；2.上部結構尺寸的確定；3.結構設計參數的選取；4.上部結構計算結果的校核；5.梁、板、柱施工圖要點；6.基礎的參數輸入；7.基礎施工圖要點。通過電子教案與課程教學相結合，可使學生能更深入理解結構CAD。

（二）實訓沙龍

除了課程教學外，學院土木工程系還組織了各類課程教學沙龍。其中，針對《建筑結構CAD》教學，土木系邀請了已退休的授課教師和揚州市相關設計研究院的工程師對年輕教師開展多場教學講座，細致剖析了結構CAD應用中存在的普遍性問題，尤其是樓梯建模、結構整體參數調整、抗震措施與抗震調整措施的關系、施工圖細節問題等。這些講座教學，幫助年輕教師從不同角度加深了對建筑結構設計的理解，也避免了在以后的畢業設計中存在的問題。

（三）本科生導師制

本科生導師制度是我院一項針對本科生教學的創新舉措。這項措施，能全過程使導師指導學生的學習全過程，并能使學生了解本科課程教學體系。本科生導師制度在促進和引導《建筑結構CAD》方面起到了廣泛的帶動作用。本科生導師通過篩選部分學有余力的本科生，從大二開始參與導師課題，協助導師開展設計研究工作，不僅能減輕導師負擔，而且能在很大程度上帶動學生的學習動力。此外，由于這種帶動和推廣作用，學生能更早接觸結構設計軟件的使用，同時，在后期的課程的學習中（如混凝土結構設計、鋼結構設計、結構抗震等），能更加專注于理解結構整體指標、模型參數選擇、結構措施的調整等，更能夠適應教學要求。（四）協同創新中心通過校企合作、市校合作，創辦協同創新研究中心，是學院將科研成果與工程技術相結合的一種有效形式。建工學院依托學院技術力量，于2016年成立了城市規劃和發展研究院，解決了科研成果的轉換和應用問題。為充分利城市規劃與發展研究院提供的項目資源，本文提出在畢業設計中，可將畢業設計課題與協同創新研究院的工程項目緊密結合，建立以項目為導向的畢業設計目標，通過深入挖掘項目中的難點難題，為結構CAD教學提供解決思路、標準和范例。

（五）案例庫建設

實際工程案例是本科生學習結構CAD最有效的手段之一。在結構CAD教學過程中，授課教師通過設計院已完成的模型，精選10個案例，作為授課的補充。這10個案例分別從結構選型、平面布置、立面布置、荷載輸入、特殊梁柱處理、樓梯布置、抗震參數合理選擇等方面給出了較為詳細的參考。學生通過課后查看相關數據，可對所學知識有較為全面的理解。通過授課，比較不同模型參數的異同，開拓了本科生的工程視野，使其深入地體會到軟件應用和計算分析在科研和工程實際中的廣泛應用，提高了學生采用結構計算軟件開展工程設計的積極性。為了將來能更好地應用PKPM軟件解決工程實際中各種各樣復雜的問題，使學生意識到了必須認真扎實地學習結構力學、鋼筋混凝土結構、建筑結構抗震等基礎和理論知識，才能更好地開展工作，調動學生學習的主動性。（六）充分結合規范規程條文熟練掌握《建筑結構CAD》，實現所學基礎知識到工程應用的目的，不僅需要對大學四年的學習的課程有充分的理解，還需要補充大量的規范、規程相關條文知識。由于跟《建筑結構CAD》相關的規范規程較多，最主要的規范包括《建筑工程抗震設防分類標準》（GB50223-2008）、《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）、《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2011）、《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012）、《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）所以，在《建筑結構CAD》的課程學習中，軟件中的每個參數都要給出來龍去脈，確保所選擇的參數有規范依據。這對《建筑結構CAD》的教師是一個巨大的挑戰，這要求教師對規范條文有深刻的理解，不僅能夠給出正確的參數，還需要給出規范條文的位置、說明為何輸入這些參數、錯誤參數會導致什么樣的結果。一般情況下，年輕教師對規范規課程還不是很熟悉，導致課程教學仍停留在軟件操作層次。通過對規范條文的總結和凝練，明確在備課筆記和教案中給出具體的規范條文，可促進學生對結構的理解，也能實現年輕教師教學質量的提升。

四、建筑結構CAD課程改革成效

通過前述的課程建設和改革措施，我院的建筑結構CAD課程的教學發展取得了一定的改革成效。

（一）加深對結構設計的理解

在建筑結構設計軟件的使用的基礎上，課程改革中通過細致的介紹《建筑結構抗震設防標準》《建筑結構荷載規范》《混凝土結構設計規范》《建筑結構抗震規范》等規范條文，使學生充分理解并掌握結構設計的基本規定，掌握了結構設計要點，加深了學生對結構設計的理解。同時，從學生的反饋也表明，課程的改革是促進了個人的發展。

（二）促進了畢業設計的質量

通過前述的課程建設和改革，最明顯的表現在于畢業生對結構概念和國內規范有了較為深刻的理解，能夠熟練運用PKPM等接受設計軟件建模，同時也能采用平法繪制施工圖圖紙，為畢業設計的順利進行提供了良好的基礎保障。

（三）緩解了社會人才需求

揚州和南京等設計院回饋的消息表明，本專業的土木工程畢業生能較快的適應設計工作、能對結構設計提出有建設性的意見和措施，其在設計成果得到了多方的肯定，滿足了企業單位對畢業生的人才需求。這也從另一個方面表明，針對《建筑結構CAD》課程的改革和建設，是行之有效的。

五、結語

通過以上分析可知，開展《建筑結構CAD》課程教學改革與建設，以畢業設計為導向，不僅有助于提高學生對建筑結構及規范圖集的理解、提高了教學質量，而且能從社會需求出發，提高了土木工程專業的人才質量。

作者：王琨 羅輝輝 張玲峰 馬洪偉