大跨及空间钢结构课程基于工程能力提升的教学方法初探

摘要：本文围绕土木工程专业中大跨及空间钢结构这门课程基于工程能力提升的教学方法开展了研究。从大跨及空间钢结构课程的教学内容入手，探讨如何结合最新研究成果丰富教学内容。研究表明，通过对本门课程教学内容的改革可以较好地实现对大跨及空间钢结构领域人才的培养，提升学生解决实际工程问题的能力。

关键词：大跨空间结构；工程能力提升；教学内容；教学改革

0 引言

大跨结构通常指的是跨度不小于60m的结构体系，其具有建筑造型美、跨越能力强等优点[1]，已在我国大型体育场馆、机场、会展中心等地标性建筑中大量采用[2]，国内大多数高校的土木工程专业也开设了大跨及空间钢结构相关课程。由于该课程教学涉及到结构力学、材料力学、结构分析等多方面内容，学习难度较大[3-4]。笔者在多年教学过程中还发现该课程的传统教学方法存在着重理论、轻实践的问题，这导致部分学生学习兴趣不高且通过该门课程的学习难以掌握解决相关工程问题的能力。针对这一现象，笔者围绕大跨及空间钢结构课程的教学内容开展了系列研究，旨在进一步培养学生学习兴趣并提升其工程能力。

1 课程特点与现状分析

（1）课程特点

大跨及空间钢结构具有理论深、实践性强、内容多等特点。这门课程的先修课程包含理论力学、材料力学、结构力学、高等数学、钢结构、结构稳定理论和有限单元法等，是一门理论深度较深的课程，然而其又具有与实际工程紧密相连和实践性强等特点。就教学内容而言，本门课程涉及到不同大跨空间结构体系的受力特点、选型方案、设计准则和连接构造等多项内容。这些特点使得本门课程无论是对教师教学或是学生学习，均提出了较高的要求。

（2）现状分析

大跨及空间钢结构课程无论是从教学内容、教学方法还是考评体系方面均存在一些局限，难以满足当下课程学习的需要。在教学内容方面，虽然大跨空间结构的内容繁多，但是目前大多高校均着重于对传统大跨空间结构体系的讲解，对于一些新型大跨空间结构体系的介绍并不多。因此，有必要对本名课程的教学内容进行改革，以保证学生通过本门课程的学习可以解决相关工程问题。

2 新型结构体系相关教学内容的改革

传统大跨空间结构课程中主要讲解了网架结构和网壳结构的相关知识。然而随着近年来新型建筑材料的出现和计算理论的发展，一些新型结构体系也随之而生并在工程实践中得以应用。如果不对大跨及空间钢结构课程的教学内容进行改革，按照传统内容培养的学生将难以适应新时代的发展和需求。

因此，笔者在教学过程中对本门课程的教学内容进行了扩充。除了保留网架结构和网壳结构的教学内容以外，还新增了悬索结构、膜结构和张拉整体结构等新型结构体系的相关教学内容。围绕上述三种新型大跨空间结构体系的特点、受力性能、分析设计方法和连接构造等内容进行讲解。通过对这些教学内容的扩充，确保学生能够对新型大跨空间结构体系有足够的了解。

3 分析设计理论相关教学内容的改革

由于传统大跨空间结构课程的主要教学内容是网架和网壳结构，因此以往教学中主要讲解的计算方法是空间桁架位移法和拟壳法。随着新型大跨空间结构体系的出现，空间桁架位移法和拟壳法已不能满足分析设计需要。另一方面，随着有限单元法的发展和计算机硬件条件的改善，使得对大跨空间结构的非线性全过程分析成为了可能。

为此，笔者在教学过程中对传统大跨空间结构的相关分析理论等教学工作进行了较大调整。弱化了空间桁架位移法和拟壳法的教学内容，新增了弧长法、网壳结构的屈曲分析、索膜结构的形态分析、膜结构的裁剪等基本理论的教学内容。除此之外，还增加了部分基于通用有限元软件和编程软件的教学内容。要求学生能够采用ABAQUS或者ANSYS等通用有限元软件对网壳结构进行参数化建模和线性及非线性屈曲分析，能够对索膜结构进行找形分析和找力分析。除此之外，还鼓励学生采用Matlab或者Python等计算机编程语言并结合弧长法自行编制网壳结构的建模和分析程序。通过这些关于大跨及空间钢结构分析设计理论的教学，可以保证学生通过本门课程学习能够对大跨空间结构的性能进行全过程分析。

4 施工过程分析相关教学内容的改革

在大跨及空间钢结构以往的教学过程中，主要着重对结构性能、设计方法和连接构造等内容的教学，忽视了对施工过程的分析。值得注意的是，大跨空间结构的施工过程模拟和分析尤其重要，其不但影响施工精度和造价，甚至还对结构安全具有重要影响。

为了培养学生对大跨空间结构施工过程分析的能力，本门课增加了网壳结构的施工模拟和预应力大跨空间结构张拉控制和模拟等教学内容。主要介绍大跨空间结构初始态、零状态和荷载态等几个重要基本概念，并指导学生基于通用有限元软件分析不同状态下结构的位形差异。通过这部分教学内容的学生，学生能够理解施工过程对大跨空间结构性能的影响，同时能够根据具体工程条件开展大跨空间结构的施工过程模拟和分析，优化施工方案并提出施工改进措施。

5. 结论

本文论述了对大跨及空间钢结构课程教学内容的基本改革思路。研究表明，通过对本门课程教学内容的扩充，有助于提升学生学习兴趣、培养学生解决实际工程问题的能力，教学效果良好。

参考文献

[1] Shiro K.， Tetsuo Y.， Shoji N.， et al. Analysis based evaluation for buckling loads of two-way elliptic paraboloidal single layer lattice domes. Journal of Constructional Steel Research. 2007， 63（9）： 1219-1227.

[2] Ying JJ.， Liu HB.， Chen ZH.， et al. Study on the compressive stability of H-shaped members with roof-connection construction in aluminum alloy latticed shell. Engineering Structures. 2024， 311：118176.

[3] 孙国军，吴金志，薛素铎. 面向理论—实践—创新的教学改革与思考——以“大跨空间结构”课程为例. 教育教学论坛. 2023（48）： 58-61.

[4] 李鹏程，熊刚，郭莹. 虚拟建模和3D打印技术在大跨空间结构课程教学中的应用. 中国应急管理科学，2024（3）：48.

作者简介：李鹏程（1986-），男，汉族，重庆人，博士，副教授，研究方向为结构工程。

基金项目：重庆大学研究生教育教学改革研究一般项目，《大跨及空间钢结构》课程基于工程能力提升的教学模式研究，项目编号：cquyjg20344