張敬書　閆標(biāo)　張偉鵬??

摘要：

在本科土木工程專業(yè)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程的教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，教材中一道關(guān)于風(fēng)荷載計(jì)算的例題與當(dāng)時(shí)GB 50009—2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》不符。在布置該例題作為課下習(xí)題后，絕大部分學(xué)生都發(fā)現(xiàn)了問題，并按照規(guī)范給出了正確解答，個(gè)別同學(xué)還對(duì)該例題進(jìn)行了較大補(bǔ)充，提出了新的思路和解答。這是一個(gè)典型的教學(xué)相長(zhǎng)實(shí)例，學(xué)生發(fā)揮了自己的想象力和主觀能動(dòng)性，教師也從中得到學(xué)習(xí)。

關(guān)鍵詞：土木工程；高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；風(fēng)荷載；荷載規(guī)范；教學(xué)相長(zhǎng)

中圖分類號(hào)：G6420文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：

10052909（2015）02013405

赫伯特·胡佛曾指出，土木工程是一個(gè)崇高的行業(yè)。它的魅力在于把人類的想象借助科技力量加以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)為人們提供住房，創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會(huì)，提高生活質(zhì)量[1]。在高等學(xué)校，土木工程學(xué)科是一個(gè)歷史悠久、生命力強(qiáng)、投入巨大，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)具有拉動(dòng)作用，專業(yè)覆蓋面和行業(yè)涉及面極廣的平實(shí)而又重要的一級(jí)學(xué)科[2]。

高校工程教育基本任務(wù)是使學(xué)生系統(tǒng)地接受理工學(xué)科理論知識(shí)、基本技能的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，在完成學(xué)業(yè)時(shí)，初步具備成為工程師的基本素質(zhì)和條件[3]。為達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，土木工程專業(yè)的學(xué)生不但要強(qiáng)化基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)，而且要認(rèn)真學(xué)習(xí)專業(yè)課[4]。蘭州大學(xué)土木工程專業(yè)從2002年招收第一屆本科生開始，就確定了培養(yǎng)“具有較強(qiáng)工程實(shí)踐能力和初步開展科研能力的創(chuàng)新型土木工程專業(yè)人才”的目標(biāo)[5]，將高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為一門重要的專業(yè)課來(lái)開設(shè)，作者一直在負(fù)責(zé)該課程的教學(xué)工作。

教材對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)、教師的講解有著重要的指導(dǎo)作用。在為數(shù)不多的《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》教材中，方鄂華、錢稼茹、葉列平編著的《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》[6]內(nèi)容全面，概念清晰，難度適中，故蘭州大學(xué)土木工程專業(yè)一直選用該教材進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的教學(xué)。

在教學(xué)中，發(fā)現(xiàn)該教材中一道關(guān)于風(fēng)荷載計(jì)算的例題與當(dāng)時(shí)GB 50009—2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[7]不符，故布置該例題作為習(xí)題，要求學(xué)生獨(dú)立發(fā)現(xiàn)問題并加以改正。絕大部分學(xué)生都按照規(guī)范給出了正確解答，尤為令人欣喜的

是，有一位學(xué)生還對(duì)該例題提出了新的思路并進(jìn)行了修改完善。這是典型的從學(xué)生中得到學(xué)習(xí)的實(shí)例，故撰寫成文，以與同行分享。

一、原例題及存在的問題

在《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》[6]的第3.1節(jié)“風(fēng)荷載”中，有一道例題如下：

計(jì)算具有圖1平面的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的總風(fēng)荷載及其合力作用點(diǎn)位置。18層房屋總高58 m，H/B=1.72，D類地區(qū)，地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓w0=0.70 kN/m2。

準(zhǔn)確計(jì)算荷載是對(duì)土木工程師的基本要求之一。由于高層建筑結(jié)構(gòu)的控制荷載主要是風(fēng)荷載和水平地震作用，因此，該例題的編排恰到好處，值得示范介紹。

該例題的結(jié)構(gòu)平面呈三角形，三條邊均有一段外伸，屬于較復(fù)雜的平面類型。要準(zhǔn)確計(jì)算該結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載，必須要結(jié)合規(guī)范，靈活、正確地選取風(fēng)載體型系數(shù)。因此，該例題可以訓(xùn)練準(zhǔn)確、靈活運(yùn)用規(guī)范解決實(shí)際工程問題的能力，是一道經(jīng)典的風(fēng)荷載計(jì)算例題。

土木工程技術(shù)發(fā)展迅猛，工程經(jīng)驗(yàn)在不斷積累，相應(yīng)理論也在不斷修正、完善。因此，指導(dǎo)土木工程建設(shè)的規(guī)范也在不斷更新和修訂。教材相應(yīng)于規(guī)范的修編通常需要一定周期，不能及時(shí)與最新規(guī)范匹配。該例題就存在這樣的問題，另有些小錯(cuò)誤也在此處指出，具體如下：

（1）風(fēng)壓高度變化系數(shù)不符合當(dāng)時(shí)GB 50009—2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[7]（以下簡(jiǎn)稱《01荷載規(guī)范》）中的規(guī)定。

（2）確定脈動(dòng)增大系數(shù)ξ時(shí)需要根據(jù)參數(shù)w0T21查表，例題在計(jì)算w0T21時(shí)未考慮地面粗糙度的影響。按照《01荷載規(guī)范》，地面粗糙度B類地區(qū)可直接代入基本風(fēng)壓，而對(duì)A類、C類和D類地區(qū)應(yīng)按當(dāng)?shù)氐幕撅L(fēng)壓分別乘以1.38、0.62和0.32后代入。

（3）題目中建筑物的H/B計(jì)算有誤，應(yīng)為1.59。這導(dǎo)致脈動(dòng)影響系數(shù)v取值有所變化。

二、按GB 50009—2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的解答

如果教材未能按現(xiàn)行規(guī)范更新，教師應(yīng)按規(guī)范要求在課堂上對(duì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充修改。因此，作者布置該例題為課后習(xí)題，要求學(xué)生獨(dú)立發(fā)現(xiàn)問題，并按《01荷載規(guī)范》進(jìn)行重新計(jì)算。之所以要求學(xué)生自行練習(xí)，主要基于以下目的：

（1）培養(yǎng)獨(dú)立思考、發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的能力；

（2）以本例題為契機(jī)，提高學(xué)生對(duì)規(guī)范中相關(guān)計(jì)算方法的理解，而非強(qiáng)制灌輸，進(jìn)一步提高教學(xué)效果；

（3）訓(xùn)練根據(jù)規(guī)范正確取值、采用表格方式進(jìn)行計(jì)算的基本功。

從作業(yè)發(fā)現(xiàn)，幾乎所有學(xué)生都發(fā)現(xiàn)了問題所在，并進(jìn)行了改正，課堂教學(xué)取得了預(yù)期的效果。以下簡(jiǎn)要介紹根據(jù)《01荷載規(guī)范》進(jìn)行改正后的結(jié)果。

三、例題的補(bǔ)充

至此，已將原例題按《01荷載規(guī)范》計(jì)算完畢。令人意外的是，此文的合作者、當(dāng)時(shí)大四的閆標(biāo)通過規(guī)范了解到例題中的建筑在x方向也應(yīng)有類似y方向的計(jì)算，工程設(shè)計(jì)采用x、y兩主軸抗力方法。其給出的解答除包含上述內(nèi)容外，還完成了建筑在x方向荷載的計(jì)算，得到的風(fēng)合力作用點(diǎn)結(jié)果如表2所示。

將x、y兩個(gè)方向風(fēng)荷載進(jìn)行組合，可求得最終風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，見表1中wz（x、y）項(xiàng)。對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，最終計(jì)算結(jié)果比僅考慮y方向的結(jié)果高1.2%。從簡(jiǎn)化工程計(jì)算的角度講，僅考慮y方向投影不會(huì)造成較大誤差，就該例題而言可認(rèn)為基本不影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。但從教學(xué)的角度講，該例題實(shí)際涉及一個(gè)基本概念，即在水平荷載作用下，平面不對(duì)稱結(jié)構(gòu)不僅存在著與該荷載方向相平行的作用力，在垂直方向也可能存在作用力。因此，應(yīng)讓學(xué)生知其然并知其所以然，深化其對(duì)平面不對(duì)稱結(jié)構(gòu)水平荷載計(jì)算的理解，從而在遇到實(shí)際工程時(shí)概念清晰、有的放矢。

教材給學(xué)生以指引，教會(huì)學(xué)生基本的算法和步驟，而作為指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)的規(guī)范，則更側(cè)重于計(jì)算的明確、嚴(yán)謹(jǐn)。借此機(jī)會(huì)，向?qū)W生詳細(xì)介紹規(guī)范中關(guān)于此類問題的計(jì)算方法，鼓勵(lì)學(xué)生在以后的學(xué)習(xí)和工作中不拘泥于課本，要按照規(guī)范中給出的方法對(duì)遇到的問題進(jìn)行細(xì)致考慮。加深了學(xué)生對(duì)規(guī)范的理解，取得了意想不到的教學(xué)效果。

《禮記·學(xué)記》：“雖有嘉肴，弗食，不知其旨也。雖有至道，弗學(xué)，不知其善也。是故學(xué)然后知不足，教然后知困。知不足，然后能自反也；知困，然后能自強(qiáng)也。故曰：教學(xué)相長(zhǎng)也?！币虼?，教師不但可以在教學(xué)中為學(xué)生“傳道、授業(yè)、解惑”，也可以從引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的過程中發(fā)現(xiàn)自己教學(xué)中的疏漏，對(duì)自己也是一種提高。

四、《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》第二版的問題

2012年，GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱《12荷載規(guī)范》）[8]發(fā)布并實(shí)施。2013年，《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》也修訂了第二版[9]，該例題在新版教材中進(jìn)行了更正，但仍存在部分問題；

（1）例題的計(jì)算方法和相應(yīng)參數(shù)取值仍參考《01荷載規(guī)范》，與《12荷載規(guī)范》中規(guī)定不符；

（2）即使按《01荷載規(guī)范》，教材確定脈動(dòng)增大系數(shù)ξ時(shí)仍有錯(cuò)誤，應(yīng)將基本風(fēng)壓乘以系數(shù)0.32后代入w0T21查表，而非教材中求得B類地區(qū)ξ后再乘以系數(shù)0.32的做法；

（3）第一版教材中結(jié)構(gòu)的H/B計(jì)算有誤，盡管第二版對(duì)此進(jìn)行了改正，但脈動(dòng)影響系數(shù)v仍與原版相同，不合理；

（4）仍未進(jìn)行x方向風(fēng)荷載的計(jì)算，解答不夠嚴(yán)謹(jǐn)、完善。

雖然《01荷載規(guī)范》已廢止，但作為對(duì)教材的修正、補(bǔ)充，采用《01荷載規(guī)范》對(duì)該例題進(jìn)行正確解答對(duì)教學(xué)來(lái)講仍具有借鑒意義。上文中關(guān)于該例題與《01荷載規(guī)范》相符的解答不存在上述（2）、（3）、（4）問題，故無(wú)需再次改正。

五、按GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的解答

《12荷載規(guī)范》參考了近年來(lái)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和研究成果，順風(fēng)向風(fēng)振系數(shù)的計(jì)算表達(dá)式和風(fēng)荷載高度變化系數(shù)相比《01荷載規(guī)范》有較大調(diào)整，有必要將例題按照《12荷載規(guī)范》進(jìn)行重新計(jì)算。

最終，按《12荷載規(guī)范》中規(guī)定計(jì)算結(jié)果如表3所示，相應(yīng)考慮x方向風(fēng)荷載投影的結(jié)果在表中最后一列也已給出。從本例題計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，與《01荷載規(guī)范》計(jì)算結(jié)果相比，按《12荷載規(guī)范》計(jì)算的風(fēng)荷載數(shù)值在15層以下偏小，15層時(shí)相當(dāng)，15層以上偏大。《12荷載規(guī)范》適當(dāng)加大了高度較高處的風(fēng)荷載，提高了較高建筑風(fēng)荷載設(shè)計(jì)時(shí)的可靠度。

六、結(jié)語(yǔ)

（1）教師從引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的過程中發(fā)現(xiàn)自己教學(xué)的疏漏，互相促進(jìn)，教學(xué)相長(zhǎng)。

（2）土木工程高等教育的目的是培養(yǎng)土木工程師，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的能力，牢固樹立采用現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行工程建設(shè)活動(dòng)的意識(shí)和訓(xùn)練正確計(jì)算、采用表格方式進(jìn)行計(jì)算的基本功。

（3）教材內(nèi)容不但要及時(shí)更新，例題也要按現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行更正。參考文獻(xiàn)：

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[8] GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社， 2012.

[9] 錢稼如， 趙作周， 葉列平. 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].2版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社， 2012.

Abstract：

In the teaching of tall building structure design for undergraduates of civil engineering， we found that an example about wind load in the textbook does not calculated correctly according to the “Load code for the design of building structures” at that time. When the example was assigned to students as an exercise， most students found the problem and corrected errors. Furthermore， a student put forward a new idea to calculate wind load from the example. It is a typical instance to learn from the students， which shows that teaching benefits teachers as well as students.

Keywords： civil engineering； tall building structure design； wind load； load design code； teaching benefits teachers as well as students

（編輯周沫）