建筑结构CAD课程改革与建设成效

摘要：本文以土木工程（建筑工程）毕业设计为导向，通过分析《建筑结构CAD》课程改革存在的主要问题，提出以电子教案改革、实训沙龙、本科生导师制度、协同创新中心等措施，构建建筑结构CAD课程的建设方案，以实现土木工程专业人才培养目标。

关键词：结构CAD；课程改革；课程建设；毕业设计

扬州大学建筑科学与工程学院早在2006年就斥资建设计算机专用教室，引入正版PKPM软件，开展《结构CAD课程》教学，并由具有丰富工程经验的教师和校企专家负责给在校本科生授课和开展企业培训，获得了很好的效果和社会声誉。经过多年的发展，在全院师生的不懈努力下，《建筑结构CAD》课程已经成为学院极具特色的一门选修课程，为社会培养了大批实用型技术人才。然而，随着科技的进步和社会的发展，传统的以授课为主的教学模式逐渐呈现出了一些问题。如结构计算软件更新迭代较快、丰富经验的教师即将退休无法支持课程教学、年轻教师工程经验不足、毕业设计图纸深度不够、企业需求提高等[1-5]，这些问题在一定程度上已对《建筑结构CAD》的课程建设造成了困扰，影响了课程建设的成效。为此，本文从毕业设计导向出发，阐述了《建筑结构CAD》课程改革的必要性和迫切需求，并基于校企协同育人模式，针对建筑科学与工程学院《建筑结构CAD》课程建设的目标，探究了课程建设中存在的基本问题，并根据问题结合实际情况，探讨了课程的改革措施，并依据改革措施的结果，对课程改革的成果进行有效性评定。本文研究结果，可供《建筑结构CAD》课程改革和建设提供参考。

一、建筑结构CAD课程改革和建设的必要性

（一）土木工程毕业设计的需求

土木工程毕业设计是本科教学最终的演练和检验。其中，最为关键和核心的内容是采用结构设计软件完成结构建模、荷载输入、结构计算、形成全套结构图纸。毕业生对结构软件的熟悉程度、施工图绘制的深度[6-7]，都与《建筑结构CAD》课程紧密联系，这在很大程度上对《建筑结构CAD》的课程提出了较高的要求。为此，针对毕业设计的目的和要求，有必要开展课程的改革和建设。

（二）土木工程人才培养的迫切需要

土木工程人才培养目标之一是使学生具有结构设计方面的专业知识和基本技能。与结构设计密切相关的实用技能就是结构设计软件的使用。《建筑结构CAD》主要通过讲授结构设计软件、设计参数选择与判断、施工图绘制等内容，使学生掌握结构设计技能[8]。因此，开展相关课程改革和建设也是人才培养的迫切需求。

（三）推进国产正版软件应用的发展需求

目前，国内外关于结构设计的软件总类较多，如PKPM、盈建科、SAP2000、ETABS、迈达斯等。这些软件均包含国内国外规范条文，可按需求采用。然而，鉴于目前国内外形势的变化，为打破国外软件对结构设计的垄断，防止国家经济命脉掌握在少数发达国家手中，国产结构CAD软件得到了充分的重视。尤其是在《建筑结构CAD》教学中，是否采用国产软件是培养用户习惯的关键问题。在我院《建筑结构CAD》教学中，一直致力于采用正版PKPM进行教学，在毕业设计中，也与北京构力公司合作，采用他们的PKPM结构设计软件开展毕业设计。

二、建筑结构CAD课程存在的问题

（一）对课程重要性的认识不足

在大多数开设土木工程专业的院校，《建筑结构CAD》是作为一门选修课程而开设的，这就在一定程度上造成了教师对该课程的不重视、学生不主动选择课程等问题。而在大四下学期，毕业设计中后期往往需要采用《建筑结构CAD》所学的PKPM、探索者等软件进行结构建模计算、绘制施工图纸，这也造成了部分学生在采用软件基础方面的薄弱。此外，由于学术和职称压力，学院引进的年轻教师主要忙于项目申报、、报奖等科研工作，也在很大程度上不注重《建筑结构CAD》的教学工作。近年来，由于教师指导的本科毕业设计，也常常出现较多常规性问题，影响了毕业设计的教学质量，甚至在一定程度上造成企业对学校培养规格的负面认知。

（二）对建筑结构CAD软件的认知存在偏差

由于现有结构设计软件程序的高度智能化，如自动计算配筋、选择钢筋、绘制施工图等，因此，有部分学生简单的认为，只要将参数输入软件，就得到直接可以使用的内力、配筋和图纸等结果。其实，这是对结构设计软件的一种认识偏差。任何软件的使用，都不能脱离工程要求和实际条件、都需要耐心细致的调整输入参数、仔细核对软件计算结果，这才能充分发挥软件在结构设计中的辅助作用、减轻设计人员的负担。

（三）对规范条文的不熟悉

我国的建筑结构CAD软件，如PKPM、盈建科、广厦等，所输入的参数涉及工程概况、平立面布置要求、地质资料、抗震信息等，这些参数都立足于我国现行规范。此外，《建筑结构CAD》课程还涉及平法制图及结构构件构造等，这也需要对国内图集有较深层次的理解。基于此，讲授《建筑结构CAD》的教师不仅要求能充分理解国内规范，还要有丰富的工程经验[9]。目前，我院具有丰富工程经验的教师即将退休或已经退休，这对《建筑结构CAD》课程的师资力量造成了较大的冲击。由于近年来引进的年轻教师的重心主要集中于科研论文和项目申报、师资力量的传帮带不足、住建部对注册结构工程师的改革，这都较大程度上限制了年轻教师对规范条文的学习热情，也在客观上造成《建筑结构CAD》课程的讲授只浮于软件的操作和使用上，对结构合理的布置、正确的参数输入、计算结果的查看和调整都缺乏足够的认识。为此，教授《建筑结构CAD》课程，也在一定程度上促进了教师对国内外规范的再学习。

（四）课程时间安排不合理

在大四上学期，需要开设《工程抗震》这门课程，作为《建筑结构CAD》课程的先导课程，主要讲述结构抗震设计原理和方法。而结构CAD软件中最重要和最关键的部分就是结构抗震参数的输入。由于课程时间安排上的冲突和重叠，在开设《工程抗震》课程的同时，《建筑结构CAD》课程也同步进行，这就造成学生尚未完全掌握抗震设计概念和方法的同时，就匆忙完成结构软件参数的输入。例如工程抗震最重要的指标最大层间位移角，需要学生完全理解并能手算框架结构的层间位移角，并进行判断是否合理，而结构CAD软件则需要通过不断调整梁柱截面尺寸，对计算结果进行合理判别。一般情况下，《工程抗震》课程在后期才讲会到最大层间位移角限值，而在《建筑结构CAD》课程教学中则会先遇到这类问题。因而，作为先导课程的《工程抗震》无法发挥其基础知识储备作用，《建筑结构CAD》课程则出现让同学无法理解的概念。因此，对《建筑结构CAD》课程的开设时间需要作进一步的优化。

（五）对结构模型整体概念把握不够透彻

结构CAD软件建模会采用各种简化假定和概念，这些基本假定和概念或多或少出现在以往所学习的课程中，但作为结构设计软件的操作者，应对此给予高度重视。笔者通过毕业设计可以发现，学生对结构模型的整体概念缺乏相应的了解，这里最明显的是上部结构的嵌固端位置的选取。当采用独立基础或条形基础时，首层框架柱的长度应从基础顶面算起，即嵌固端在基础顶面，而绝大部分同学仍采用建筑图纸提供的首层层高，这就造成严重的理解错误。此外，还有次梁和连续次梁的简化、角柱的处理等，都需要对模型有整体的把握。（六）企业的需求的提高我院土木工程专业已经通过住建部专业认证（评估），这也在较大程度上需要我院的毕业生能达到较高的水平。因此，我院毕业要求，应能满足企业用人需求。《建筑结构CAD》课程的学习目的是使学生在未来的在设计岗位上能尽量减少培训、尽快实现人才价值。这也要求课程的开设以设计人才培养目标为导向，并注重过程培养。

三、建筑结构CAD课程改革措施

学院针对前述存在的问题，开展了系列的课程和教学改革措施，取得了较为理想的效果。

（一）电子教案改革

《建筑结构CAD》教学是一门实践性很强的课程，因此教学过程以操作指导为主。在以往的教学过程中，授课教师采用投影，以基本模型为主，指导学生一步步操作，实现结构的建模、计算和绘制施工图。课程操作步骤繁琐、教学内容衔接紧密。为使学生能更好地学习结构CAD课程，在课程教学中，笔者针对课程中存在的问题，准备了内容精练、操作性强的电子教案，供学生课前预习和课后复习。针对教学中学生对建模认识的不足，电子教案内容主要包括以下几个部分[10-12]：1.建筑与结构的关系；2.上部结构尺寸的确定；3.结构设计参数的选取；4.上部结构计算结果的校核；5.梁、板、柱施工图要点；6.基础的参数输入；7.基础施工图要点。通过电子教案与课程教学相结合，可使学生能更深入理解结构CAD。

（二）实训沙龙

除了课程教学外，学院土木工程系还组织了各类课程教学沙龙。其中，针对《建筑结构CAD》教学，土木系邀请了已退休的授课教师和扬州市相关设计研究院的工程师对年轻教师开展多场教学讲座，细致剖析了结构CAD应用中存在的普遍性问题，尤其是楼梯建模、结构整体参数调整、抗震措施与抗震调整措施的关系、施工图细节问题等。这些讲座教学，帮助年轻教师从不同角度加深了对建筑结构设计的理解，也避免了在以后的毕业设计中存在的问题。

（三）本科生导师制

本科生导师制度是我院一项针对本科生教学的创新举措。这项措施，能全过程使导师指导学生的学习全过程，并能使学生了解本科课程教学体系。本科生导师制度在促进和引导《建筑结构CAD》方面起到了广泛的带动作用。本科生导师通过筛选部分学有余力的本科生，从大二开始参与导师课题，协助导师开展设计研究工作，不仅能减轻导师负担，而且能在很大程度上带动学生的学习动力。此外，由于这种带动和推广作用，学生能更早接触结构设计软件的使用，同时，在后期的课程的学习中（如混凝土结构设计、钢结构设计、结构抗震等），能更加专注于理解结构整体指标、模型参数选择、结构措施的调整等，更能够适应教学要求。（四）协同创新中心通过校企合作、市校合作，创办协同创新研究中心，是学院将科研成果与工程技术相结合的一种有效形式。建工学院依托学院技术力量，于2016年成立了城市规划和发展研究院，解决了科研成果的转换和应用问题。为充分利城市规划与发展研究院提供的项目资源，本文提出在毕业设计中，可将毕业设计课题与协同创新研究院的工程项目紧密结合，建立以项目为导向的毕业设计目标，通过深入挖掘项目中的难点难题，为结构CAD教学提供解决思路、标准和范例。

（五）案例库建设

实际工程案例是本科生学习结构CAD最有效的手段之一。在结构CAD教学过程中，授课教师通过设计院已完成的模型，精选10个案例，作为授课的补充。这10个案例分别从结构选型、平面布置、立面布置、荷载输入、特殊梁柱处理、楼梯布置、抗震参数合理选择等方面给出了较为详细的参考。学生通过课后查看相关数据，可对所学知识有较为全面的理解。通过授课，比较不同模型参数的异同，开拓了本科生的工程视野，使其深入地体会到软件应用和计算分析在科研和工程实际中的广泛应用，提高了学生采用结构计算软件开展工程设计的积极性。为了将来能更好地应用PKPM软件解决工程实际中各种各样复杂的问题，使学生意识到了必须认真扎实地学习结构力学、钢筋混凝土结构、建筑结构抗震等基础和理论知识，才能更好地开展工作，调动学生学习的主动性。（六）充分结合规范规程条文熟练掌握《建筑结构CAD》，实现所学基础知识到工程应用的目的，不仅需要对大学四年的学习的课程有充分的理解，还需要补充大量的规范、规程相关条文知识。由于跟《建筑结构CAD》相关的规范规程较多，最主要的规范包括《建筑工程抗震设防分类标准》（GB50223-2008）、《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）、《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）、《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）、《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）所以，在《建筑结构CAD》的课程学习中，软件中的每个参数都要给出来龙去脉，确保所选择的参数有规范依据。这对《建筑结构CAD》的教师是一个巨大的挑战，这要求教师对规范条文有深刻的理解，不仅能够给出正确的参数，还需要给出规范条文的位置、说明为何输入这些参数、错误参数会导致什么样的结果。一般情况下，年轻教师对规范规课程还不是很熟悉，导致课程教学仍停留在软件操作层次。通过对规范条文的总结和凝练，明确在备课笔记和教案中给出具体的规范条文，可促进学生对结构的理解，也能实现年轻教师教学质量的提升。

四、建筑结构CAD课程改革成效

通过前述的课程建设和改革措施，我院的建筑结构CAD课程的教学发展取得了一定的改革成效。

（一）加深对结构设计的理解

在建筑结构设计软件的使用的基础上，课程改革中通过细致的介绍《建筑结构抗震设防标准》《建筑结构荷载规范》《混凝土结构设计规范》《建筑结构抗震规范》等规范条文，使学生充分理解并掌握结构设计的基本规定，掌握了结构设计要点，加深了学生对结构设计的理解。同时，从学生的反馈也表明，课程的改革是促进了个人的发展。

（二）促进了毕业设计的质量

通过前述的课程建设和改革，最明显的表现在于毕业生对结构概念和国内规范有了较为深刻的理解，能够熟练运用PKPM等接受设计软件建模，同时也能采用平法绘制施工图图纸，为毕业设计的顺利进行提供了良好的基础保障。

（三）缓解了社会人才需求

扬州和南京等设计院回馈的消息表明，本专业的土木工程毕业生能较快的适应设计工作、能对结构设计提出有建设性的意见和措施，其在设计成果得到了多方的肯定，满足了企业单位对毕业生的人才需求。这也从另一个方面表明，针对《建筑结构CAD》课程的改革和建设，是行之有效的。

五、结语

通过以上分析可知，开展《建筑结构CAD》课程教学改革与建设，以毕业设计为导向，不仅有助于提高学生对建筑结构及规范图集的理解、提高了教学质量，而且能从社会需求出发，提高了土木工程专业的人才质量。

作者：王琨 罗辉辉 张玲峰 马洪伟