建筑结构抗震设计“三度八结合”教学模式研究

       陈常清  

韶关学院 化学与土木工程学院，广东 韶关，512005

 

[摘  要]地震灾害是群灾之首，促进土木工程专业的学生学好建筑结构抗震设计课程是预防及减轻地震灾害的主要手段。在深入分析课程基本特点，并深刻解剖课程教学问题的基础上，通过课程教学实践，形成以提高学生抗震能力为核心的建筑结构抗震设计课程“三度八结合”教学模式，取得良好的教学效果。通过与防灾减灾相结合的教学方式，可以提高学生的学习兴趣，增强学生学以致用的能力，培养学生严谨工程观的意识。

[关键词]建筑结构抗震设计；三度八结合；教学模式

[基金项目]2018年韶关学院第十九批教育教学改革研究重点项目——应用型高校土木工程专业“蛋糕式”人才培养模式的研究(项目编号SYJY20181912)；2020年韶关学院校级课程思政建设项目——基于协同育人的土木工程专业“课程思政”实施路径研究(项目编号9900590114)；2020年度韶关学院校级质量工程建设项目——土木工程特色专业(项目编号230085990103)。

[作者简介]陈常清( 1973-)，男，福建莆田人，硕士，韶关学院化学与土木工程学院教授级高级工程师，研究方向为结构工程和岩土工程等。

[中图分类号]G642.0   [文献标识码]A   [文章编号]1007-5348（2021） 

 

一、研究背景

地震灾害是群灾之首，每次强烈地震都导致大量人员伤亡及建筑物破坏甚至倒塌；中国位于世界两大地震构造系的交汇区域，历史上多次爆发重大地震，造成惨重的灾害。大量的震害资料统计显示，对建筑结构进行规范专业的抗震设计是预防及减轻地震灾害的主要手段。通过开设建筑结构抗震设计课程（以下简称“抗震课程”），可以促进土木工程从业人员中坚力量的主体来源——土木工程专业的学生，了解地震基本知识、掌握结构抗震设计的基本理论和方法、开展专业规范的抗震设计，因此目前建筑结构抗震设计都成为很多学校土木工程专业的必修课程。

由于抗震课程所涉及的基础知识广、内容多、基本原理难度大，而应用型高校学生的理论基础往往比较薄弱，传统上所采用的教学模式，难以满足学生及社会的实际需求。近年来相关学者已对其教学模式和教学方法等诸多方面都进行了积极的探讨^［1-4］，我们结合教学实践，探索研究了新形势下抗震课程“三度八结合”教学模式。

二、分析抗震课程基本特点

1课程内容面广量多学时少^［5］

抗震课程教学内容较多，主要包括：地震基本知识、结构地震反应分析与抗震计算以及砌体结构/钢筋混凝土结构/钢结构等专题模块的抗震设计等；所涉及到的相关课程包括：高等数学、结构力学/结构动力学、钢筋混凝土结构/砌体结构/钢结构、地基基础等；而本科教学计划学时一般为32节左右，相对较少。因而，如何在有限的教学时间内合理安排教学内容，以达到良好的教学效果是教师所面临的首要难题。

2基本原理难度较大实践缺

如“单/多自由度弹性体系地震反应分析”等内容需要运用结构动力学等相关知识，且逻辑性强、难度大，学生往往难于理解，遑论掌握。同时在抗震课程的设置中，缺乏课程设计等相应的实践环节，相关的例题习题资料又较少，并缺乏系统性，而在开展毕业设计时，结构的抗震设计又不可缺少，学生就感到茫然无从下手。因而，如何讲解基本原理，以让学生能够开展初步的建筑结构抗震设计工作，是教学过程中十分重要的问题。

3公式规范条文多杂显枯燥

抗震课程教材公式多且较复杂，各种不同的建筑结构又有诸多枯燥乏味而必须遵守的抗震措施。因而，如何将这些零散繁杂的内容有机地串联起来以利学生掌握，是教学过程中要解决的又一重要问题。

4专题设计综合性强

    如钢筋混凝土框架结构的抗震设计等专题部分，涉及地震作用计算、地震剪力分配、结构内力计算、构件内力组合、地震作用效应调整、截面配筋设计、构造设计等，内容丰富，综合性强。在教学过程中，如何培养学生从重视基本概念、形成清晰设计思路、掌握初步概念设计等方面入手解决专题设计问题，是抗震课程的根本任务。

三、解剖抗震课程教学问题

1内容安排不合理

由于抗震课程内容多、难度大，但学时又较少，故需要对内容进行恰当的取舍。而在教学实践中，部分教师不是从教学内容的重要性及合理性来安排教学内容及相应的学时，只是根据教学的难易程度来选择，这必然导致内容逻辑性不佳，显然不太合理。

2公式处理不恰当

抗震课程理论性强，涉及到众多公式的推导，特别是结构地震反应分析内容中尤为突出。由于公式推导是结构地震反应分析方法的主体，只有熟悉公式推导，才能对结构地震反应分析做到“知其然，更知其所以然”，才能打好扎实的理论功底，故有部分教师教学的主体在于公式的推导，然而理论功底较差的学生就难以跟上这样课程的学习，学习的积极性会比较受打击。

3教学和规范脱节

设计规范是国家对房屋有关使用功能及安全性能可靠度的最低要求，特别是有关强制性条文，必须严格执行，故对作为未来结构工程师的土木工程专业学生，有必要了解乃至规范。对于土木工程专业来讲，如混凝土结构、地基基础等专业课程基本上都有相对应的设计规范，抗震课程所对应的主体规范就是《建筑抗震设计规范》（ 以下简称《抗规》，2021年规范体系及名称作了调整）。然而由于部分教师自身对规范的不熟悉，教学中完全与规范脱节，甚至，当教材内容与规范（ 特别是新版规范）不一致时，仍然无动于衷，这显然不合适。

4实践环节较缺失

抗震课程实用性强，故具体实践很重要，是课堂教学的重要补充。教学中，由于受到各种客观条件的限制，部分教师较重视课堂理论的教学，而忽视实践教学环节，这样学生缺乏感性认识，无法学以致用、融会贯通，教学效果就差强人意。

四、把握抗震课程教学“三度”

1提升学习热度，激发学习课程的紧迫感与兴趣

课程教学成功的关键，就是要激发学生学习课程的紧迫感与兴趣：可以发挥典型工程及震害视频、实景图片等多媒体课件形象生动的教学优势，如通过展现1976年唐山大地震、1999年台湾集集大地震、2008年汶川大地震等近几十年来强烈地震所造成严重震害的视频，可对学生产生强烈的视觉冲击，再结合实景图片介绍结构破坏的原因，使学生认识到地震的危险性和抗震的重要性，从而激发学生学习抗震课程的紧迫感；通过联系日常生活的简单事例来讲述抽象复杂的理论，如用不同的力量抖动绳子所产生波动形状的不同，来解释建筑物的振型等，形象易懂，容易激发学生学习抗震课程的兴趣。

2降低理论难度，减少学习课程的抵触性

鉴于目前结构设计基本上都用计算机软件完成计算，为了促进学生学习抗震课程，减少学习的抵触性，可以根据理论功底的不同，实施分层教学。对于希望深造特别是有志从事结构抗震研究的学生来讲，鼓励他们吃透教材的大部分公式；对于理论功底较差而对课程较多较难公式有心无力的学生，不强求他们纠结公式，特别对较复杂较生僻公式的推导，可以不作要求，教学重点在于帮忙他们建立知识框架，掌握基本公式，能合理运用大部分公式即可。

3缩小精讲宽度，精讲1~2个专题抗震设计模块

一般教材编写时考虑到完整性问题，往往包含砌体结构、钢筋混凝土结构、钢结构、单层厂房等较多专题抗震设计模块的内容，且较多内容还与砌体结构设计、钢筋混凝土结构设计、钢结构设计等课程重叠。由于计划学时有限，如选择太多专题模块进行讲授，看起来学生是都学了，但往往是每一个模块专题都是半桶水，一知半解，故建议只选择1~2个专题模块进行精讲，要求学生做到扎实掌握，灵活运用，这样其它模块易触类旁通，实际效果更佳。

五、重构抗震课程教学“八结合”模式

1专业与思政相结合

教育的根本任务是立德树人，思政教育需要贯穿教学全过程，实现全程育人、全方位育人。抗震课程融合大学期间众多课程的基础知识，综合性较强，又关乎社会文明进步、人类安居乐业，大量知识点富含韵味浓郁的思政元素，非常适合开展专业知识与课程思政的融合教育。课程教学时，可在专业知识传授的“大餐”中，以“润物细无声”的方式，在适当的知识点处适时撒入适量的思政“调味料”，在学生的心田中深植家国情怀、工匠精神、社会主义核心价值观的种子。如在讲述场地与地基时，以地基越好，地震破坏作用越小，引出“万丈高楼平地起”的道理，鼓励学生打好人生的地基。

2内容与相关课程相结合

抗震课程与其他专业课程存在密切的联系，不仅要运用结构力学等课程相关基础知识建立结构抗震设计的基本理论和方法，而且要将抗震设计的理论和方法运用到砌体结构、钢筋混凝土结构和钢结构等结构体系中，因而，在教学中需要加强与其他课程的联系。

在纵向上，因结构抗震设计以结构动力学作为主要理论基础，需要抗震课程做好与结构力学等课程的有机衔接，如课程间存在脱节，则学生会因理解不了新课程而对其失去兴趣。如在学习单自由度体系的弹性地震反应分析时，让学生复习结构动力学中有关运动方程的建立、高数中非齐次方程的求解等内容，达到温故知新的效果。

在横向上，与混凝土结构设计原理和高层建筑结构设计等课程，需要突出各自的重点，一方面可以帮助学生厘清课程间的区别与联系，避免因看似重复的知识点而感到厌倦，另一方面可以促进学生对相关知识的融会贯通、综合运用。混凝土结构设计原理，主要以结构的静力分析和设计为主；结构抗震设计，考虑的是结构动力分析，而在工程抗震设计实践中仍主要采用等效静力的设计方法，课程重点在抗震的基本原理，如地震作用计算、地震效应调整，而反应谱理论是结构抗震设计中的核心概念，其目的就是确定结构的地震作用，同时反应谱理论又是结构动力分析和等效静力分析的联系纽带，与其他课程有重要区别；而高层建筑结构设计则主要是学习不同类型结构的内力分析方法。

通过与其他课程的衔接，一定程度上可拓展学生知识和能力的深度和宽度；而加强课程间在培养学生知识、能力和素质等方面的内在联系，又可将各门课程整合成一个联系紧密的有机体。

3线上与线下相结合

针对抗震课程内容丰富繁杂，按传统教学方式在有限学时内所学内容非常有限的情况，解决方法之一，就是借助共享课程、教师自主制作的资料等线上教学资源，为学生学习提供另一个广阔的且可自主选择的平台。在课程教学中，线下精讲有关课程框架的重难点内容，而课程有关背景知识、习题训练、各结构类型的抗震运用等拓展性或选择性内容，及较少用且较难公式的推导等内容，则可以通过线上教学的方式来完成。

为了提高线上学习的效果，可以安排一定的学习主题，引导学生利用线上资源有目的地自主学习。这样一方面可以培养锻炼学生查阅资料、阅读理解、综合知识的能力，另一方面也可以拓展学生的视野，提高其学习兴趣。例如，在学习地震场地时，如仅采用线下教学，可能虽然耗费了不少的学时，学生对场地分类的意义与必要性等问题还不甚理解，而事先布置主题任务，要求学生借助线上平台查阅资料文献，了解不同场地上结构震害的调查情况、场地对地表地震波特性及结构地震反应的影响，并提出自己的结论性意见，再结合教师线下的讲授，则耗费学时更短且学生对问题会理解得更透彻。

4传统讲授与对分课堂、项目教学^［6］相结合

针对抗震课程内容丰富繁杂，按传统教学方式在有限学时内所学内容非常有限的情况，解决方法之二，就是尝试采用对分课堂。在教学实践中，我们在理论性较强、难度较大的结构地震反应分析与抗震计算部分，采用教师主讲的传统讲授方式；而在多层砌体结构抗震设计、多高层建筑钢筋混凝土结构抗震设计等专题部分，因其内容多、实践性强而难度较浅，可以尝试采用对分课堂，通过教师布置一些开放性的专题，促进学生主动学习，平等交流，大胆提问；为了避免出现小组讨论主题过于分散或不关心其它小组的讨论主题之类情况，可以采用项目教学法，针对同一项目，不同小组可以从不同结构体系等角度进行分工合作、分析比较，并深入学习、探讨。

5理论与案例、实践相结合^［7］

针对抗震课程专业理论性强且抽象，学生容易产生畏难情绪的情况，可以尝试在教学中加入案例及实践环节，以增强学生的感性认识，激发学生的学习兴趣。

 一方面，可通过联系日常生活中常见自然现象的案例，来阐述课程中的一些抽象、复杂的理论，则能事半功倍。如饱和砂土、粉土的液化机理是一个较难理解的知识点，但大家在生活都有这样的经验：拍打盛满干砂的杯子，砂子就会紧实而表面下沉，但如果振动砂粒间充满水的饱和砂，就看不到这样的现象。从这一生活小例就能使学生联想到，饱和砂粒在地震时趋于紧实，孔隙水因不可压缩压力不断上升，土的有效应力随之减小直至失去承载能力，这就是液化。授课时，只需准备一杯干砂、一杯湿砂，通过拍打演示即可将复杂的理论变得简单明了，学生的听课兴致自然高涨。

另一方面，近百年来世界各地发生的地震为诠释结构抗震性能提供了大量鲜活的实例。收集并合理利用这些案例，将极大提高教学效果。如在汶川大地震所普遍出现的楼梯间由于平面刚度不均匀引起扭转、竖向刚度突变、短柱等问题造成严重破坏，底部框架结构由于底层形成薄弱层而在底层整体破坏，都可作为抗震设计中的教学案例，跟学生一同探讨，分析原因。实践表明，应用案例教学可活跃课堂气氛，提高学生学习的主动性，锻炼学生的分析能力、发散思维以及口头表达能力。

另外，尽可能安排一些形式各异的实践环节，如安排学生参观地震模拟振动台试验装置，最好能带领学生观看正在进行的振动台试验；如有条件可与虚拟仿真相结合，能让学生以沉浸式、交互式的方式，用极小的代价就可逼真地感受有关地震及结构地震反应等情景；组织学生参与防震减灾产学研项目，走上社会调查研究城市民居抗震性能；充分利用结构设计竞赛、创新创业活动等实践性环节，引导学生走进试验室，自主开展创新性抗震试验等，以切实增强学生的动手能力。

6课程与规范相结合^［8］

抗震课程内容与工程实践联系紧密，规范是对工程实践的直接约束性文件，是设计、施工等工程实践行为的准则；而大部分《建筑结构抗震设计》教材是围绕《抗规》来编写的，只是教材比规范逻辑性更严密些。教材上的知识点，往往与《抗规》条文相对应，故在课堂教学时，可将抗震课程知识点和《抗规》条文关联起来，既能让学生熟悉《抗规》，亦能更深刻理解课程内容，特别是其背景知识，更好地掌握抗震设计的关键点，深入理解及灵活运用抗震设计方法，且能让学生认识到规范的重要性，培养学生的工程意识。

7抗震计算与概念设计和构造措施相结合^［9］

我国抗震设防采用“三水准设防、两阶段设计”，通过概念设计、抗震计算和构造措施三个层次予以实施。

从教学实践来看，学生往往比较重视抗震计算，认为只要进行了抗震计算就能够保证建筑结构的抗震能力，而对其他两个方面认识不足；而从实际震害及工程实践来看，由于存在地震不确定性、抗震设计理论不完善性、施工质量离散性等因素，仅仅依赖抗震计算是远远不够的。在教学过程中不仅要注重抗震计算基本理论和方法的讲解，而且要重视概念设计和构造措施。

抗震计算主要是计算结构的地震作用和地震反应，为抗震设计提供定量的数据，此部分的基础理论难度较大，因而，在教学过程中不苛求其具体公式的推导，而要求学生理解其基本思想，掌握抗震计算方法，如：振型分解反应谱法和底部剪力法等，并能够灵活运用。

概念设计是从总体上把握建筑结构的抗震性能，是较高层次的要求，对学生来说，比较难领会、不易掌握，因此，对概念设计的讲解，可以结合震害照片、抗震计算等进行，力求深入浅出，使学生理解、领会和掌握，并在此基础上培养学生的自学和运用知识的能力。如：可以结合地震引起的山体滑坡造成的房屋的破坏介绍场地选择的原则。

构造措施主要是为了保证结构整体性、加强局部薄弱环节，该部分规范条文较多且内容零散，在教学中不可能面面俱到，学生也不易掌握要点，因而，在教学过程中要突出重点，以点带面，以图片说明构造措施的做法和作用，如：在砌体结构中有关圈梁和构造柱的设置就可以通过现场施工照片来说明圈梁和构造柱的布置和做法，使学生对构造措施有直观的认识，而不感到枯燥乏味。

概念设计、抗震计算和构造措施三者相结合，教学中可以结构抗震设计方法和抗震计算为主线，使学生了解建筑结构抗震设计的基本过程，辅以必要的抗震概念设计和抗震构造措施，引导学生构建抗震设计理论整体观，从而全面掌握进行建筑结构抗震设计的理论和方法，提高综合运用能力。

8抗震理论与震害分析、防灾减灾相结合

抗震理论是在分析大量的震害现象并总结抗震实践经验和教训的基础上发展的，几乎每经历一次大地震，都将呈现出未曾显现或重视的震害现象，抗震理论就会随之得到发展。由于地震的随机性和结构地震反应的滞回非线性，抗震理论经过一个世纪的发展，仍未形成系统成熟的理论。结构的震害，尤其是砌体结构和钢筋混凝土结构的震害还不能准确解释。因此，历史上成熟的震害经验就显得尤为宝贵，抗震理论与震害分析相结合的教学方式，将有助于加深学生对抗震理论的认识，拓展学生知识面。在引用震害现象进行分析教学时，避免以偏概全，注意辩证系统分析，与抗震理论点面相结合，形成完整知识体系。

例如，2008年汶川8．0级特大地震和 2010年玉树7. 1级地震中，中小学校舍建筑破坏较为严重，并导致许多中小学生伤亡。根据 2010 年玉树地震震害调查资料，中小学校舍建筑是所有调查建筑物中破坏最严重的建筑类型，严重破坏和倒塌的占 76% ，其中倒塌占 21% 。汶川地震中钢筋混凝土框架校舍建筑的震害现象为： 框架柱震害明显比框架梁严重，不符合一般框架结构“强柱弱梁”原则，而且结构底层柱顶破坏比柱脚严重。通过震害照片、数值模拟分析结果系统阐述这一震害，指出震害的原因和解决方案： 必须提高校舍建筑的设防标准，深化落实“强柱弱梁”的抗震措施，对学生产生知识点“爆炸冲击”，让学生从震害分析中获取抗震知识，牢固掌握结构的抗震设计理念。

另外，抗震理论与震害分析还可以防灾减灾相结合，如砌体结构中的女儿墙，由于鞭稍效应，在历次的地震中都破坏较严重，引导学生在平时生活中，不宜在女儿墙下方及檐口处作长时间的逗留。

六、小结

我们在深入分析抗震课程基本特点，并深刻解剖抗震课程教学问题的基础上，通过抗震课程教学实践，形成以学生为中心，以教师为主导，以实践为重点，以培养学生获取扎实抗震知识为基础，以提高学生抗震能力为核心的建筑结构抗震设计课程“三度八结合”教学模式，取得良好的教学效果。

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The study of "3-Degree and 8-Combination" teaching mode

in Seismic Design of Building Structure

 Changqing Chen

School of Chemistry and Civil Engineering, Shaoguan University, Shaoguan , Guangdong 512005

Abstract: Earthquake is the most destructive among various disasters. In order to prevent and reduce the impact of earthquake disaster, the premier measure is promoting students to study Seismic Design of Building Structure. Based on analyzing the basic characteristics of the curriculum and problems occurred in the class, "3-Degree and 8-Combination" Teaching Mode is applied to improve the seismic design ability of students and achieves good teaching effects in practice.Through the teaching method combined with disaster prevention and reduction, students can improve students 'interest in learning, enhance their ability to apply what they have learned, and cultivate students' awareness of rigorous engineering concept.

Key Words: Seismic Design of Building Structure；3-Degree and 8-Combination；Teaching Mode