工程问题的概念范文

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中图分类号：U442 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）06（a）-0059-01

为满足人类之间的实践交流、跨越空间障碍的需求，政府部门投资建设了多数桥梁，随着社会的发展，桥梁也需要不断的地更新、改造。基于桥梁工程在社会经济发展中的重要地位，作为桥梁建造开端的桥梁设计显得尤为重要。而桥梁的概念设计是具体设计的先导，是对桥梁设计的总体把握与构思，其思想贯穿桥梁设计的全过程，并随着项目的进行而不断完善。在桥梁建造工程中，高达70%以上的生产成本取决于概念设计，做好桥梁工程的概念设计才能造出“精品”桥梁，才能从根源上节约工程的建造价值，提升美学内涵。

1 桥梁工程概念设计综述

1.1 桥梁概念设计的过程

桥梁的概念设计主要是在一定经济条件下，提出满足结构造型要求、耐久性和使用功能要求、满足形变与受力要求的合理设计方案。现行的桥梁建设主要以结构设计与桥梁施工为核心，按照时间进行相关组织与实施，设计人员的主要职责是依照必要规范产生经济安全的桥梁结构设计方案。桥梁的概念设计活动除包含上述功能外，还要综合考虑影响设计初步阶段的环境、人文、美学等要素，完善了传统设计的表现手法与设计理念。

1.2 桥梁的产品化概念设计

桥梁是一种特殊产品，它具备土木工程结构的基本特征，也具备产品的一般属性。桥梁产品的建设规模大、投资巨大；桥梁的建造一般由政府根据社会、经济、交通需求确立实施，与市场关系较小；桥梁的使用年限长，达到寿命后将成为废弃物，在其长寿命周期内需具备抵御环境侵害的能力。鉴于产品概念设计的思想和桥梁概念设计的重要指导，将现有的桥梁概念设计内容从桥梁设计各步骤里提炼归纳出来，形成如下的桥梁概念设计新思路。

（1）设计定位阶段主要包含环境总体分析、使用方式分析、用户群体分析和寿命期成本分析这四个层次[2]。只有充分分析影响桥梁设计的主客观因素，才能合理定位设计走向。环境分析主要是对拟建桥区的水文、地形、气象、地质等条件的分析，这将决定了桥梁设计的抗震、抗风设计需要；桥梁的用户群体主要是社会、业主和生态环境，设计中要注重桥梁的生态性、安全性、景观美学性、经济性等；使用方式决定了线性布置、建设规模的大小、上下部结构设计、断面布置等；寿命期成本主要包含间接成本、直接成本和灾害事故成本。桥梁概念设计的主体由设计、施工、运营、管养等多单位与部门构成，在其寿命期内的所有部门被称作利益共同体。

（2）方案初拟阶段是在对桥梁概念设计精准定位后，从结构体系、桥位、景观、桥梁造型、施工方案等方面拟定桥梁建造的初步方案。桥位选择将决定工程造价、施工和运营的安全性、施工操作的难易程度；结构体系的选择要注意结构的可达到性和可维护性，为今后的桥梁检修提供便利条件，整体节约桥梁寿命期的总成本；桥梁的造型与景观设计要以工程师为主导，同时邀请建筑师及其他专业人员加入，形成合理的设计模式；施工方案直接影响着桥梁工程的质量、安全、工期，在考虑结构、线性、桥位条件之后形成了初步的施工方案。经反复对比分析，筛选出两三个可行的推荐方案。

（3）方案比选阶段的主要工作是依据项目的相关规定和工程师的相关经验，从若干推荐方案中择优选取最终设计方案。经济指标是大多数桥梁最终方案决定的关键性要素，但在一些景区桥梁或标志性大桥的设计方案比选中，景观美学价值也是不容忽视的重要因素。

1.3 桥梁概念设计的阶段划分

桥梁的概念设计工作主要集中在工程的可行性分析、初步设计、施工图设计三个阶段。这三个阶段设计桥梁工程的技术层面的具体细部与结构设计，具体每阶段的概念设计内容如表1所示。

2 桥梁设计的前沿设计理念

这里主要介绍三类较具代表性的设计理念，即桥梁的耐久性设计理念、桥梁的生态性设计理念和桥梁的全寿命周期设计理念。

（1）耐久性设计理念是指在桥梁的设计使用期限内，保证桥梁的安全性、使用性及外观功能的设计理念。耐久性的设计需要在明确设计中可能的侵蚀类型和不同状况下的耐久性要求；评估特定条件下的侵蚀严重程度；明确桥梁的各个构件对侵蚀作用的防护水平与防护方法；提出设计、养护、维修等后续方案。

（2）桥梁的生态设计理念是充分利用生态学的设计思想，综合考虑桥梁相关的生态环境，在桥梁的设计规划中，提出满足人们需求且与生态环境和谐共存的设计方案。生态设计中要坚持生态保护的原则，尽可能选取对周围植被、水文、气候破坏程度最小的施工方法，严格控制施工范围；施工坚持使用清洁能源，选取无毒无害的装饰与建造材料，从而利于桥梁报废后的物料回收；桥梁建造需保证施工工艺先进、材料先进、设计和施工组织合理。

（3）桥梁的全寿命周期设计包含桥位的规划、方案的设计、性能的分析、详图的设计、建造的施工、管理的养护和拆除这几个阶段的全面规划和系统考虑，从而达到最优目标。桥梁的全寿命周期设计将使用、资金、文化、生态等需求细化成具体指标，并采用恰当的方式实现桥梁寿命周期的各类指标要求。

3 结语

本文介绍了桥梁概念设计的具体定义、相关特点、设计的步骤和流程，并从定性分析、经验积累、合理估算的基础上总体把握桥梁设计构思。借鉴产品设计的成熟经验，将桥梁作为产品，尝试桥梁的产品化概念设计，进而深入探讨工程的可行性研究、初步设计、施工图设计三个阶段的技术层面的桥梁概念设计。最后，介绍了现今的一些前沿桥梁概念设计理念，如生态设计理念、耐久性设计理念、全寿命周期设计理念等，对以后的桥梁概念设计发展有一定的启迪意义。

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2教学改革思路及实施途径

2．1合理选择教材和教学内容

现在的教材可谓是五花八门，种类繁多，教材的质量也是参差不齐。如果选取的教材质量不高，概念描述不准确，内容编排杂乱，错漏较多，会严重影响教师的教学和学生的学习、理解。因此对教材的选择，应放在首要位置，一定要选择正规的、有一定知名度的出版社和业内有一定影响力的作者出版的教材。一般的建筑工程经济教材多偏重于经济学基本理论的讲解，对经济学基本概念和方法讲解比较透彻和深刻，但对这些方法的实际运用涉及不多。书中也有部分例题，但这些例题题干都很抽象或与建筑行业相关性不强，只是帮助学生理解例题前文中的某个公式或方法。考虑到加强学生实际运用知识的能力，我们在选择一本建筑工程经济教材的基础上再增加一本建造师执业资格考试所用的工程经济教材。这样做的好处是:建造师执业资格考试教材中有非常多的实际案例，而且都是与建筑行业密切相关的案例，更能更好的帮助学生理解和运用所学的知识;但建筑师教材对基本概念和原理的讲解很少或很简单，需要再配备一本专业教材来讲解基础知识;建造师教材的内容都是与时俱进的，反映的是现在工程实际的最新情况，避免了知识的滞后。由于有两本教材，内容难免庞杂，因此需要任课老师对实际教学内容进行合理的选取和安排，灵活调整。当教学内容和方法成熟并积累了一定经验后，也可以结合老师和学生的特点和人才培养方案的需求，编写校本教材更好的满足自身的需要。

2．2采用案例教学法

为了增强学生灵活运用知识解决问题的能力，最有效的方法就是案例教学法。现在的执业资格考试大都采取案例的方式来考察考生的知识运用能力，可见案例是与实际非常接近的。教师在课堂教学过程中，可以通过引入案例，引导学生运用所学知识解决工程问题。案例教学的形式可以多种多样，教师可以先设置一定的情景，将案例再现，把里面的具体的任务分配下去，可以采取课堂讨论、情景再现、角色扮演等多种形式，或个人独立思考或小组分工合作，逐步帮助学生思考和讨论问题，并最终得到解决问题的方法。案例教学可以让学生摆脱枯燥的理论学习，增加学生的代入感，激发学生的学习兴趣，将课堂教学由学生被动接受为主动思考。案例呈现的也是以后工作中可能出现的具体问题，通过案例教学解决了实际问题，将大大增强学生应对具体问题，分析并解决问题的能力。

2．3结合建造师考证

中职学校建筑施工专业的学生毕业后主要的就业方向是施工单位一线施工技术人员，其理想的职业发展目标就是担任项目经理。为了让学生的发展有可持续性，并更容易达到目标，在学习的学习当中就应该有针对性。注册建造师的考试中也有工程经济课程，因此在学校的教学中就及时引入建造师考试的内容作为课堂内容，执业资格考试用书作为教材，让学生的学习有明确的目标。同时执业资格考试的教材经常更新，能够让学生掌握最新的知识和动态。考虑到课堂教学时间有限，同时中职学生的基础比较薄弱，不可能将建造师执业资格考试的内容都涉及到，因此需将课堂讲授内容根据人才培养方案和教学大纲的要求对教材内容进行合理的取舍和安排。

2．4丰富教学手段

教学手段是指师生教学时相互传递信息的工具或媒介。由于建筑工程经济课程教学内容较多，在教学上也要采用多种教学手段相结合。传统的教学手段就是“一本书、一块板、一支笔、一张嘴”。教师讲，学生被动听，遇到学生难理解的概念或事物，任凭教师如何极尽所能的描述，学生可能还是不理解。现代化的教学手段都是采用电化的多媒体教学，在课件中可以利用多种形式，如图片、声音、动画等手段，将一些事物直观的展示在学生面前，帮助学生理解。

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一、重视学习模型的创设

《框架》提出了跨学科概念，约瑟夫・科瑞柴科（Josepb Krajcik）认为，美国先前的科学教育都是由一些零散的科学事实所构成。学生在接受了这些科学事实后，并不能很好地应用于解决实际问题，这是由于缺少对众多事实间联系的关注。我国的小学科学教育，课改后教师的教育观念得到了一定的改变，但还是处于浅层次的探究学习，局限于某个学科内某些具体问题的探究过程。跨学科概念，就是要寻找出零散于各学科的相似之处，从各个学科问}的解决过程中，形成一个学生能够接受的解决问题的模型，为更高层次的学习建立一个框架，便于后续学习能在此框架内进行演绎、推理。

二、扎实开展科技实践活动

工程、技术和科学的融合，是STEM教育背景下《框架》的显著特点，也是我国小学科学教育变革的重点。科学的学习过程为工程和技术提供理论基础，在工程和技术过程中又能提出新的科学问题，科学问题的解决同样也离不开工程和技术的支持。

我国现有的小学科学教材，已经有很多把工程、技术和科学三者融合的课例，在教材的编写上也很具合理性。教科版每个单元的最后一课，大多是实践课。六年级上册《形状和结构》单元，安排了8个教学内容，前面七课是科学知识的学习。为第八课造“桥”做理论准备，同时在前面的学习中除了科学知识的积累，还帮助学生形成一定的技术，如做框架时皮筋的扣结方式。造“桥”就是一项工程，需要学生充分运用所学知识与技术，方能搭建一座坚固的“桥梁”。但是科学知识的学习，技术的形成，工程的实施都需要时间作保障。特别是工程的实施，以造“桥”为例，按照教材编排的两个板块“用纸造‘桥’要考虑哪些问题”和“介绍评价我们的‘桥’”，一课时显然是不够的。教科版六年级上册四个单元32课，以一个学期20周来计算，每周2节科学课，共40节，考虑到假期和其他因素。难以保证教学活动保质保量开展。所以，科技实践活动的切实开展需要时间保障，让学生以工程的方式，充分运用知识与技术，不断改进工程质量，以达到工程、技术和科学融合的目的。

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中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）06-0199-02

一直以来，我国土木工程专业本科培养的学生具有一定的理论水平，但应用实际工程的能力较差，独立和创新的工程意识较低。原因是以往的教学中，教师单纯地讲授理论知识，学生实践能力训练不足，缺乏理论与实际工程相结合的锻炼，教学与实践无法有效衔接。目前，土木行业越来越多的地方用到了概念设计，这种理念在很多实际的建筑方案中得以应用，对土木工程影响巨大[1]。因此，概念设计在土木建筑工程专业教学环节中应当加以体现、反映。针对这样的现状，土木工程专业进行《结构概念与创新设计》课程教学研究就十分有意义。这对改革工程教育的教学模式有利，又能检验学生对所学理论知识的掌握，并且锻炼他们提出问题、分析问题、解决问题的能力，激发其建立工程意识和培养创新能力[2]。

一、《结构概念与创新设计》课程教学内涵和意义

土木工程结构概念设计是工程当中结构设计的灵魂，是利用设计概念并以自身为主线贯穿全部设计过程的一种设计方法。概念设计是完整和全面的设计过程，它将设计者繁复的感性和瞬间思维上升到统一的理性思维从而完成整个设计[3]。社会经济的飞速发展，人们的生活水平日益提高，对建筑结构设计也有了一个更高的要求。如何打破土木工程结构设计过于墨守成规，能将结构工程师的创新能力充分发挥出来，对于现代社会是迫切需要的。因为他们才是结构设计革命的推动者和执行者[4]。

《结构概念与创新设计》课程是在原《结构创新设计》课、《结构概念与体系》课及《事故分析与结构原理》等土木工程专业课程基础之上，发展整合及改造后新设立的课程。该课主要是以学生创新性设计制作实验为主线，训练学生工程意识、动手能力、创新能力、实践能力等。它体现了工程教育的特色，以结构设计制作实验项目为载体，探索在干中学、理论与实践紧密结合的教学模式。把工程培养所必要的基础知识、工程设计思想和方法、自学和终身自学的能力和兴趣的培养等内容放在第一位。《结构概念与创新设计》课提出建筑结构概念设计的概念和原则，并结合学生的创新性设计制作实验案例进行点评分析。概念与体系部分介绍结构概念设计的背景、思路、基本做法、设计过程中经常用到的结构概念。

该研究的理论意义和实际意义在于探索通过该课程的教学设计，教学内容和教学方法的改革研究，适应新的教育理念和人才培养模式。培养学生的创新和实践能力，掌握善于主动学习的方法，形成良好的学习和工作习惯。

二、我校的教学改革研究的基础和环境

1.专业建设基础好。河北工程大学土木工程学院以开设创新性结构设计大赛10年。完成了校教研项目《土木工程专业创新性结构实验探索研究》和《结构创新设计等系列课程的教学研究》两项。学院已开设《结构创新设计》、《结构概念与体系》、《事故分析与结构原理》、《混凝土结构设计》、《结构抗震设计》等课程。

2.师资力量强。上述这些课程由多位建筑工程系的老师担任，职称结构合理，形成了相对稳定的老中青队伍结构。因此，对于结构概念与创新设计教学改革研究的可持续性提供了保证。

3.实验室基地条件良好。本专业下设的结构实验室是河北省结构实验教学示范中心，为学生建立模型实验提供了科学的、可靠的硬件条件。

三、《结构概念与创新设计》课程教学方案设计

1.教学目标。初步形成《结构概念与创新设计》课的教学理念和教学思想，完成《结构概念与创新设计》课的教学大纲制定，确定教学内容，初步形成教学方法和教学模式，为指导其他工程设计课程教学改革探索经验。

2.教学内容。《结构概念与创新设计》课程教学内容包括教学设计、教学内容和教学方法研究。

教学内容：创新性设计制作实验项目的设计，项目要包含若干个结构和力学的概念的运用，如拉、压、弯、剪、扭、稳定、倾覆等，使用材料应宜于制作，实验的方法要直观。项目的要求应是概括性的，应用较少的约束，以使学生开阔思路。给出的条件应尽量少，要学生自己寻找所需的条件。布置结构设计制作实验项目，首先让学生以小组形式讨论分析项目，提出问题。学生分析问题并寻找解决问题的方法，通过自学、讨论、查阅相关资料等方法解决问题。学生应经过结构方案设计、一定的计算分析、绘制施工图、施工制作结构模型、进行结构实验、实验分析、总结等过程。

教学方法：本课程的教学手段主要以讲课、学生设计、模型制作和模型实验相结合的方式，从不同的角度和理念启发学生将所掌握的基本结构概念有机地结合起来，培养学生的创造力。在模型实验之前教师上课以引导为主，主要由学生自学、讨论和分析计算设计制作出结构模型。教师引导学生将自己的设计与所学内容联系起来，甚至产生出学生还未学到的问题，让学生自己思考分析。

教师的教学主要以指导为主，如结构概念设计的原则、路线、方法，基本思路、基本做法以及设计中常用到的结构概念等，并结合学生的创新性设计制作实验案例进行点评分析。

基本教学过程：布置题目――学生以小组讨论学习――提出问题――教师指导学生分析问题解决问题（教师重点要起到启发、督促、指导、控制进度的作用）――学生形成方案――教师根据方案指导学生改进方案――学生制作模型――学生实验――教师点评总结（重点是设计思路和设计方法及学生学习方法的总结）――学生总结（学习过程总结）

3.存在的问题。（1）如何将“培养学生提出问题、分析问题、解决问题的能力，培养学生自学和终身学习的能力等”教学理念落实到教学实践中，是本教学课程首要解决的关键问题。（2）研究创新性设计制作实验题目。研究题目的内涵、题目的难易程度、题目的适用性、题目的趣味性、题目对学生学习的引导性等。（3）研究课程的教学内容和教学方法，形成即稳定又灵活的教学内容和方法。稳定是要教学理念要坚持不懈，总结提高，教学模式要稳定形成套路和程序，便于教师掌握和控制教学进度。灵活是具体的教学内容，比如涉及的结构概念很多不可能在课堂上全讲，需教师具有灵活性和启发性的教学方法指导学生学习。（4）初步形成课程所需的教学文件。如教学大纲、教学设计、教学教案、教学讲义、题目库、教学录像等内容。

四、《结构概念与创新设计》课程的实施

我校土木工程专业开设《创新性结构设计》等一系列课程以来，我们在不断探究和改进教学方法，对于启发式教学、案例教学、项目教学法均有了一定程度的研究，并取得了阶段性成果。我们已经完成了《土木工程专业创新性结构实验探索研究》和《结构创新设计等系列课程的教学研究》两项校级的研究，并开设了相应的课程。相关教师在工程教育方面有长期的思考和教学实践探索，并且已成功组织土木工程结构大赛10年。已开设《结构创新设计》、《结构概念与体系》、《事故分析与结构原理》、《混凝土结构设计》、《结构抗震设计》等课程，相关教师教学水平高，有丰富的教学经验。具体实施如下：

1.修订《结构概念与创新设计》课程教学大纲，包括课程目标、内容安排及学时安排。

2.选择土木工程专业和工程力学专业大学三年级学生的第二学期开始该课程教学。

3.自土木工程专业和工程力学专业大学三年级学生的第一学期期末，研究确定题目及相应的教学安排。

4.将大学三年级专业学生按班级分给不同的教师，教师则分头实施教学，定期讨论交流改进教学。在教学实践中，将教师授课、学生设计、模型制作和模型实验相结合，启发学生将理论知识与工程实际相结合，培养学生工程概念设计与创新能力、自学能力。

5.在大学三年级专业学生的第二学期期末，教师对课程实践进行总结，提出改进措施和方法。

五、总结和探讨

本文方案结合新的科研成果开设出新的课程以及课程标准化建设。探索建立新课程的教学理念、教学内容和教学方法。本方案突出土木工程专业特色，加强了实践教学环节的创新研究与实践。将工程项目、创新能力培养融入课程体系建设中，进行课程计划和实践内容的一体化设计，培养学生的工程创新意识。本方案突出启发式教学和指导式教学，培养学生的学习兴趣、善问求知和动手实践能力。

参考文献：

[1]张海峰，乔安宇.论建筑结构设计中的概念设计及其措施[J].黑龙江科技信息，2012，（12）：36-39.