装配式结构在结构模型设计与制作课程教学改革中的探索与实践
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作者:黄皓
[摘 要] 以结构模型设计与模型课程为例，针对高职学生逻辑思维能力不强、杆件拼装方法不当、杆件尺寸容易弄错的特点，尝试将装配式结构理念融入课程的教学模式和教学方法，提高学生制作模型的水平和专业知识的运用能力，并对装配式建筑理念有初步认识，为后续进阶装配式课程的学习打下基础。
[关键词] 装配式结构;结构模型设计与制作;教学改革
[作者简介] 黄 皓（1986—），男，广西南宁人，硕士研究生，讲师，研究方向：高职力学教育。
[中图分类号] G712 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2020）25-0377-02 [收稿日期] 2020-03-09
一、装配式结构
装配式建筑是构件工厂预制化生产、现场装配式安装的施工模式，是实现建筑产品节能、环保、全周期价值最大化的可持续发展的新型建筑生产方式。装配式结构指的是梁、板、柱等建筑结构部分的装配，是建筑中起到骨骼作用并能传递荷载的体系。对于装配式建筑来说，要求多专业的装配和配合，是一个复杂而系统的工程。针对结构模型设计与制作课程实际，本文仅讨论装配式结构。在我国，传统的建筑设计和建造方式已不适应工业化发展的需要。装配式建筑技术的发展是实现建筑工业化的途径[1]。
二、结构模型设计与制作课程现状
结构模型设计与制作课程是基于高职土木工程专业基础核心课程建筑力学的实训课程，该实训课主要运用白卡纸和白乳胶的材料特性，设计符合一定要求的结构模型，从模型的设计方案、制作工艺以及承载能力三方面进行综合评估的实训。本课程采用项目教学法，基于工作过程，围绕模型设计、模型初步方案制作、模型试加载与优化、最终加载测试这条主线，将实训分成若干子项目让学生分步完成[2]。在项目教学法模式下，学生还是很难在短时间内完成精美、质轻、高强的模型，存在的问题如下。
1.二维图纸易导致学生识图错误。本课程的模型制作需要学生对每一根杆件在模型中的位置进行精确的识读，而传统二维图纸识读由于需要较强的空间想象能力，往往造成学生对图纸信息的误读，导致制作出来的模型与原设计方案不符。
2.模型对杆件尺寸精度要求较高。传统的绘图方式以线代替杆件，没有考虑杆件连接时的连接角度问题。杆件的节点处外观尺寸会有改变，经常出现在实际连接时需要对杆件进行裁剪或杆件尺寸不足的情况。如果在模型杆件节点实际搭接后才发现问题，节点的调整将不可避免的对模型已经成型的部分造成损伤，影响到模型成型后的承载能力。
3.模型对杆件拼装顺序有要求。学生制作模型采用预先制作杆件，再将各部位杆件进行连接的方式。模型需要在平面上用杆件预制好某个平整的平面，再将这些平面按照一定的顺序拼装。杆件之间的搭接顺序会影响模型最终成型的质量。当模型杆件数量较多时，学生没能对模型装配顺序进行预先模拟优化，将会出现模型拼装错误。
4.模型制作流程复杂。模型制作过程包括了结构模型选型、模型受力分析、杆件截面设计、模型理论荷重比计算、模型试拼装、模型试加载、模型方案优化、正式模型加载八个子项目学习。在较短的实训周期中，学生很难把握子项目当中的操作细节。
基于以上原因，导致学生制作模型时间过长，浪费材料过多，最终模型加载承载力偏低，消磨了学生的学习兴趣，没能真正锻炼学生综合运用知识的能力。
三、装配式结构在结构模型设计与制作课程中的应用探索
装配式结构的理念与结构模型设计与制作课程的课程目标相吻合，即在短时间内建造型美意巧，轻质高强的结构。装配式结构的标准化设计、管理信息化、工厂化生产、装配化施工的特性与课程项目式教学有共通之处，将装配式结构的这些特性优势与课程环节融合，对教学设计、教学手段进行改革，简化教学环节，能有效解决课程现存的问题。
（一）建筑信息模型（BIM）建模辅助结构模型方案比选
BIM技术是保证装配式建筑质量的必备手段，在结构模型设计与制作课程中起到相同的作用。利用BIM技术在计算机中构建三维模型，相比传统的二维图纸结构模型方案设计，三维模型的可视化使观看模型更直观，避免二维图纸识图错误，学生通过三维模型的观察、平移、旋转和缩放以及漫游等功能从任意角度观察形体，不断拓展思路，提高空间想象力，了解模型结构空间构成和杆件节点搭接的难易程度，便于快速对结构模型方案进行确认，如图1所示。
（二）BIM模型参数化减少结构模型组装错误
BIM模型的参数化使模型构件的精细制作成为可能。BIM模型的参数包括模型体积、杆件长度、杆件直径、杆件内壁厚度、材料容重、材料许用应力和材料弹性模量等参数。利用这些参数，可以快速精确计算出模型结构的自重、制作杆件的纸张层数和厚度。BIM模型的参数可以实时调整，当结构模型试加载后，可以通过BIM模型对结构模型参数进行快速的参数优化，相比传统课程用手算和Excel表格计算，通过BIM计算更便捷直观，学生更易掌握。
对于装配式结构来说，杆件的拆分是施工的难点之一，对结构模型也是如此。利用BIM模型，可以直观的从模型受力、构件制作、模型装配等方面考虑结构模型的拆分，利于结构模型的精确建模。传统课程用二维图纸指导模型组装，经常出现在实际连接时需要对杆件进行裁剪或杆件尺寸不足，在杆件接头實际裁剪调整的过程中不可避免地导致杆件搭接处表面接触不充分，甚至构件或杆件破损的情况。通过BIM建模拆分，精确了解构件或杆件搭接处的形状和尺寸，提高了结构建模的质量，减少了材料的浪费。
（三）BIM施工模拟技术提供结构模型装配最佳方案
杆件之间的搭接顺序会影响模型成型的质量，错误的杆件搭接顺序会导致结构模型的变形。通过BIM施工模拟技术，将BIM模型导入到施工模拟软件中进行动态模拟，能详细、系统、直观的表达和体现结构模型施工工艺的各个细节、施工流程，避免杆件搭接、模型组装出现错误，以便提前修改和调整结构模型装配方案。 （四）信息化教學管理平台提高教学质量
装配式结构的信息化管理可以提高生产效率和管理水平，课堂教学同样可以信息化管理。搭设基于翻转课堂的结构模型设计与制作混合教学网络平台，创建以能力为核心、以过程为重点的线上线下教学质量保障体系和学习考核评价体系。线上以装配式BIM信息结构模型、装配三维仿真动画、制作视频等资源教学，线下在教师指导下学生进行模型组装加载，通过平台进行考核，构建线上线下立体课堂，如图2所示。
四、结语
综上所述，将装配式结构理念融入结构模型设计与制作课程教学，从三维建模、参数化调整、装配施工模拟、信息化管理四个方面创新课程，简化教学流程，提高教学质量，人才能力与人才标准接轨，为实训教学提供了新的思路和方法。
参考文献
[1]戴超辰，徐霞，张莉，等.我国装配式混凝土建筑发展的SWOT分析[J].建筑经济，2015，36（2）：10-13.
[2]黄皓，王曼.基于结构模型设计的建筑力学教学方法优化[J].企业科技与发展，2015，（10）：130-131.
Abstract：Taking the course of Structural Model Design and Production as an example，in view of vocational students' weak logical capability，improper assembly methods of rods，and incorrect understanding of dimensions of rods，this article aims to integrate the concept of prefabricated structure into the teaching model and teaching methods.The teaching reform can improve students' ability to make models and the ability to use professional knowledge，and help students get a preliminary understanding of the concept of prefabricated buildings，which will lay a foundation for the subsequent study of advanced prefabricated courses.
Key words：prefabricated structure;Structural Model Design and Production;teaching reform
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