建筑结构抗震设计教学案例与实践

分类：建筑工程论文发表 时间：2020-11-17 09:07 关注：(1)

　　“建筑结构抗震设计”是土木工程专业中一门关注民生、并被民生关注的重要的专业课程，传统讲授法难以揭示其丰富的工程结构防灾减灾内涵和复杂的抗震设计理论。通过总结国内外案例库的建设情况，分析“建筑结构抗震设计”建立教学案例库的必要性，提出了案例库建设的整体设计，设计了与本课程核心知识点对应的十个子案例库的建设内容，并提供了推广应用途径。由案例库建设驱动的教学改革与创新在一定程度上改变了以往教师难教、学生难学的窘境，也为土木类专业课程的教学改革提供了思路。

　　［关键词］建筑结构；抗震设计；教学案例库；教学改革

　　我国是一个地震多发的国家，历史上的多次强震经历都表明建筑物的破坏是导致经济损失和人员伤亡最主要的原因。因此，做好工程抗震设防是一件关注民生、并被民生所关注的大事；对土木工程专业而言，“建筑结构抗震设计”则是一门决定建筑抗震性能的极其重要的专业课。本文以“建筑结构抗震设计”案例库建设驱动教学改革与创新，在教学实践过程中探索线上线下资源共享、课内课外师生互动、问题分析和问题解决深度融合的互动教学模式，在一定程度上改变了以往教师难教、学生难学的窘境，也为其他土木类专业课程教学探索出一条新路子。

　　一、国内外案例库建设概况

　　案例库与案例教学的起源可追溯到两千多年前的古希腊，而现代意义上的案例教学由哈佛法学院于1870年率先使用。受此鼓舞，哈佛商学院于1921年正式采用案例教学，经过完善推广，最终在全球范围内产生了广泛的影响[1]。案例教学在20世纪80年代引入我国，大连理工大学于1999年建立了国内第一个案例库网站，收录各类管理案例1950篇。随后，清华大学、浙江大学的经管学院也建设了工商管理领域的案例库[2]。案例教学经过长期的教学实践，因其独具特色的教学方法，已经普及到各国的高等院校教学中[3-5]。教学法以案例为教学工具，通过教师描述案例情景，学生根据案例提供的信息进行思考、讨论，多角度、全方位的了解和分析现实问题，寻求解决问题的最佳方案[6]。这种教学模式将理论知识与实践巧妙结合起来，激发了学生的学习热情，提高了学生的综合素质，符合开放教育教学的规律，是一种科学有效的教学模式，也是一种行之有效的教学改革模式。其优势在于其可以将理论与实践相结合，可以弥补传统教学的不足，可以培养学生的综合实践能力。因此，案例教学法在各类学科教学中被广泛采纳。

　　二、案例库建设的必要性

　　（一）案例库有助于学生理解抗震理论

　　“建筑结构抗震设计”是一门理论性很强的土木工程专业课程。除了动力学理论外，更重要的在于学生概念设计思维的建立，而这些仅靠教师纯粹的讲授是无法达到良好效果的。借助案例库使学生掌握抽象的动力学原理和晦涩的抗震原理是解决问题的方法之一。本课程开发的案例库包括了地震震害图片、视频、BIM模型、动画等，具有形象直观的特点。在案例教学过程中，师生有一种身临其境的感觉，枯燥的知识蕴于案例设计之中，学生可以获得形象、逼真的感受，从而更容易理解和接受所学知识。因此，案例库的建设和使用有利于培养学生的逻辑思维能力，有利于帮助学生理解抗震理论。

　　（二）案例库有助于强化学生抗震设计能力

　　“建筑结构抗震设计”还是一门实践性很强的土木工程专业课程。一个结构的抗震设计从选型与布置到荷载计算、内力分析、内力组合与调整、截面设计与构造措施，每一个步骤都不是仅靠理论讲解可以说清道明的。本课程开发的案例库包括了真实工程与往届学生毕业设计的过程稿。借助设计方案的分析，带领学生再现结构设计的全过程，使学生参与到结构的初步设计与调整中，并与其他先修课程相互渗透，做到融会贯通。

　　（三）案例库有助于本课程实施翻转课堂

　　我校“建筑结构抗震设计”是福建省精品在线开放课程和福建省精品线上线下混合式课程。学生课前预习相关核心知识，在课堂上可腾出大量时间进行课堂讨论。翻转课堂的教学成效是检验在线开放课程有别于传统课堂的重要内容，因此翻转课堂的教学内容至关重要。“建筑结构抗震设计”仅结构布置方案就包括了结构体系选择、平面不规则、竖向不规则、防震缝设置、构件布置与截面选型等多项内容可供学生讨论。当案例库被运用于课堂讨论时，教师采取的不再是直接讲授的传统方法，信息的传递由单向变为双向互补。在课堂上教师更多的时间与每个人交流，学生们互相讨论，发表观点[7]。在案例教学过程中，学生可以自由发表对问题的看法，增强了学习主动性，增加了学习兴趣、获得了更大的成就感。

　　三、“建筑结构抗震设计”教学案例库的建设与教学实践

　　（一）教学案例库建设总体设想

　　1.建设专业化、系统化的教学案例库。组建“抗震教学案例库”团队编写和建设案例库。团队教师进行案例采写和编辑整理、共同讨论案例的使用，并依托精品在线开放课程平台和土木学院的国家级虚拟仿真实验教学中心进行案例库的维护和推广管理。在案例的开发和使用过程中，与其他院校、设计院、施工企业等进行日常联络和交流。本课程教学案例库可按核心知识体系划分为10个子案例库，每个子库自成体系，具有系统性和完整性。案例之间具有承前启后的效果，课程之间衔接紧密，学生可以通过一个完整的案例掌握全过程知识。2.建设呈现方式多样化的教学案例库。目前，三维建筑信息模型技术（BIM）、虚拟仿真技术越来越普及，除开发传统视频、文本、图片、三维动画等形式的教学案例外，还可将采用BIM模型、虚拟仿真等手段进行案例展示，使案例教学形式和内容更加丰富。3.依教学要求采用案例教学方式。本课程的案例教学重视教师如何运用案例开展教学。例如，关于“不规则结构”的子案例库需要设计不同类型的不规则方案要求学生判别，但关于“多层框架结构的抗震设计”则需要采用同一工程案例进行从布置到抗震构造措施的全过程案例分析。教师需要根据教学内容和要求合理使用案例。再如，在教学中，应使用成功的工程案例还是使用欠合理的工程案例来说明设计原理，也需要推敲。使用案例时还应重视学生之间的互动，有节奏地引导学生思考，增强学生的参与感。

　　（二）案例库的开发

　　围绕课程教学的重点、难点开发了以下10个教学内容的子案例库，每个子案例库由若干工程案例组成。子案例库覆盖了本课程的全部教学重点。1.“地震基本知识”子案例库。该子案例库由若干关于国内外历次地震的新闻报道、专家原因分析、典型震害以及地震波行走路线的动画等组成。要求学生通过历次地震的信息提取描述地震的专业术语，在此基础上理解术语含义；通过专家原因分析总结地震的成因；通过典型震害了解地震危害，通过动画展示地震波的传递方式。2.“抗震设防分类标准”子案例库。该子案例库分别建立特殊设防类、重点设防类、一般设防类、适度设防类等四类建筑的案例。要求学生在学习《抗震设防分类标准》的基础上根据工程类型划分结构抗震设防分类，并分析地震作用计算与抗震措施对应的设防分类。3.“结构布置方案”子案例库。在该子案例库分别建立“扭转不规则”“凹凸不规则”“楼盖不连续”“抗侧刚度不规则”“竖向构件不连续”“楼层承载力突变”等6种平面不规则类型的案例。案例提供实际工程的平面布置方案和电算数据，教师结合案例讲解不规则类型，要求学生根据案例资料分析是否存在平面不规则，并判别不规则程度和解决方案。该子案例库还将提供建筑方案或欠合理结构方案，要求学生进行方案布置或分析结构方案合理性，并根据建筑要求布置梁、柱。分析过程结合“平面不规则”的判别，由学生判别是否需要设置防震缝、如设缝如何进行缝宽取值以及梁、柱尺寸选取。4.“多道抗震防线”子案例库。该子案例库分别建立框架—剪力墙结构、单跨框架结构、框架—支撑结构、钢筋混凝土翼墙等体现“多道抗震防线”设计思想的工程案例。要求学生通过案例理解结构抗震设计设置多道防线的意义、哪些构件可以成为第一道防线、不同抗震防线对应的抗震等级等。5.“场地土类别”子案例库。在该子案例库分别建立一般情况、地面5米以下存在坚硬土层、存在孤石与透镜体、存在火山岩夹硬层等四种类型的工程案例。案例提供工程地质资料，在教师讲解场地土类别划分原则的基础上，要求学生根据案例资料分析土的覆盖层厚度、计算深度以及场地土类别。6.“地基土液化”子案例库。该子案例库分别建立地基土液化的典型震害、地基土液化判别、地基土液化程度判别等三类案例。要求学生在液化地基历史震害中总结液化的震害类型、根据地质情况判别地基土是否产生液化，并进一步确定液化的程度。7.“地震作用计算”子案例库。该子案例库提供若干实际工程的建筑方案，要求学生选择地震作用计算的方法。如采用底部剪力法，进一步借助案例展示高阶振型对计算结果的影响以及鞭梢效应的震害；如采用振型分解反应谱法，则借助案例展示地震反应谱并讲解反应谱的含义，同时展示结构的各阶振型；如采用时程分析法，则展示时程分析法常见类型的地震动、选波过程以及地震反应分析结果。8.“抗震等级”子案例库。在该子案例库分别建立抗震措施对应的抗震等级、抗震构造措施对应的抗震等级，以及少墙框架、裙房、地下室等多种复杂情况下的工程案例。要求学生分组讨论不同工况下不同构件采用的抗震等级。9.“混凝土结构地震反应分析”子案例库。该子案例库展示多层框架结构强柱弱梁、强梁弱柱的典型震害，展示框架柱和框架梁的典型震害，展示框架结构的各阶振型动画以及在竖向荷载和水平荷载下的内力图、内力组合的案例，结合BIM技术展示框架结构的变形与钢筋构造。通过自主研发的《近海腐蚀环境下高层建筑剪力墙抗震性能评估虚拟仿真实验》使学生了解如何通过低周往复试验评估剪力墙的抗震性能。10.“多层砌体结构地震反应分析”子案例库。该子案例库展示砌体结构的典型震害，展示横墙承重方案、纵墙承重方案、纵横墙承重方案以及他们的整体刚度，开发MIDAS模型分析展示房屋总高、最大高宽比、横墙间距对抗震性能的影响，采用BIM技术展示圈梁和构造柱的构造措施。

　　（三）基于教学案例库的课程教学

　　基于案例库建设的“建筑结构抗震设计”课程教学，旨在通过工程结构震害案例激发学生的兴趣和创新潜能，深刻理解抗震性能分析和设计的原理。本课程的教学案例主要包括历史经典震害、工程设计方案、仿真实验等三类案例。震害型案例通过经典历史震害分析，促使学生汲取经验教训、理解不正确抗震设计的危害，建立抗震设防意识；设计方案型案例通过引导学生逐步优化设计方案或评估设计方案的优劣，帮助学生现行设计规范的意图和正确使用规范的方法；仿真实验型案例通过现代化仿真技术可完成多参数构件设计和超常规加载，还可实现地震作用及构件内部微观变化的可视化，引导学生系统性和创新性思维。抗震教学案例库在省级精品在线开放课程平台和国家级虚拟仿真中心平台全国上线，为更多师生提供优质教学资源。不仅实现了教学资源共享，而且案例的讨论可以从课内延伸到课外，使学生在整个教学过程更加善于思考，更乐于总结，最终形成教学目标、教学资源、教学模式的良性循环。

　　四、结语

　　“建筑结构抗震设计”教学案例库的建设有利于学生对地震的产生、地震动的特性有直观的认识，对抗震理论有清晰、正确的概念，对抗震设计方法有思路，能够对不同方案的正确性、合理性做出判断。基于信息化教学的理念，将教学案例库与BIM、虚拟仿真、视频、动画、图片等多媒体技术有机结合，使案例展示形式多种多样，激发学生兴趣。学生通过案例分析，提出问题—分析问题—解决问题的能力得到充分锻炼。教师交流和研讨，可以根据教学内容和目的有针对性地不断更新和改造案例，还可以融入自己对抗震理论的理解，推进教学改革，提升教学质量。

　　参考文献

　　［1］杨光富,张宏菊.案例教学:从哈佛走向世界—案例教学发展历史研究［J］.外国中小学教育,2008(6):1-5.

　　［2］孙建渊,涂坤凯.专业学位研究生案例库全过程建设研究［J］.教育探索,2016(12):76-79.

　　［3］王淑娟,胡芬.中国商学院管理案例库建设的现状及对策［J］.学位与研究生教育,2008(9):42-45.

　　［4］崔武文,韩红霞,王喜燕.案例教学在土木工程专业课程教学中的应用［J］.教育探索,2007(5):51-52.

　　［5］朱杰,杨运经,王国栋,等.构建生物类专业大学物理教学的典型案例库［J］.中国林业教育,2014(2):53-56.

　　［6］王涛,孟丽岩.建筑结构抗震设计课程教学探讨［J］.山西建筑,2016,42(5):248-250.

　　［7］张萍,DINGLin,张文硕.翻转课堂的理念、演变与有效性研究［J］.教育学报,2017,13(1):46-55.

　　作者：吴琛 王黎怡 张铮 麻胜兰