[摘 要] 根据建筑抗震设计这门课程的特点和存在的问题，紧扣最新颁布的规范，从教学内容、教学方式和考核方法三个方面进行了改革探索，指出了在教学中要重视基本概念和基本原理的讲授，重视抗震概念设计，注重引导学生思路，提升学生的认识高度；通过多媒体的教学手段、学生参观兰州地震博物馆和亲自动手参与振动台的模拟试验，激发学生的学习热情和兴趣，拓展学生的视野；课后大作业的综合训练和独具一格的考核模式，为大四的毕业设计以及后续的深造和工作都打下良好基础。
[关键词] 建筑结构抗震；教学改革；多媒体
[中图分类号] TU352.1 [文献标志码] A [文章编号] 1005-4634（2014）01-0069-04
0 引言
《建筑抗震设计》是土木工程专业建筑方向的一门主要的专业课，该课程具有如下特点：（1）综合性。该课程理论多、概念多、涉及学科较广、与工程实际联系密切，是建筑工程专业学生知识结构中重要的组成部分。内容涉及数学、结构力学、钢筋混凝土基本原理、钢结构基本原理、砌体结构、单层厂房、大跨度空间结构、地基基础、建筑材料和高层建筑等，不同于单一内容的课程。（2）复杂性。在地震作用下，建筑的破坏过程是十分复杂的。（3）知识更新快，与规范结合紧密。建筑行业常用规范平均10年就做一次大的调整和修订，平时也会根据实际情况做些局部变动。鉴于该课程的这些特点和兰州交通大学仅设置32课时的现状，结合新版的抗震规范（GB50011-2010），从教学内容、教学方式、考核方法等几方面做了探索和尝试，为专业课之间起到桥梁作用，为最后的毕业设计打下坚实的基础。
1 教学内容
地震是一种严重的自然灾害，地震造成的人员伤亡和经济损失非常巨大，如1976年728河北唐山7.8级地震，死亡24万人，伤残16万人，直接经济损失近百亿元，震后恢复重建近百亿元；2008年512四川汶川发生8.0级特大地震，死亡人数69227人，直接经济损失8451亿元；2011年312日本福岛发生9.0级地震，死亡人数27475人，经济损失2097亿美元[1]。为了减轻震害，结构抗震设计是关键。建筑抗震设计包括三个层次：首先要进行建筑抗震的概念设计，其次是抗震计算，最后为抗震措施。
1.1 抗震设防目标“一条主线、两个分支”的思 维模式
建筑物的抗震设计应达到什么目标？对此，应让学生在建筑抗震设计中有一个清晰的思路及明确的目标。我国《抗震规范》考虑国家的经济实力提出的建筑物抗震设防目标为“三水准，两阶段”，即要求建筑物应做到“小震不坏、中震可修、大震不倒”。第一阶段设计：按多遇地震烈度对应的地震作用效应和其它荷载效应的组合验算结构构件的承载能力和结构的弹性变形，保证了第一水准的强度要求和变形要求。第二阶段设计：按大震作用下验算结构的弹塑性变形，保证结构满足第三水准的抗震设防要求。在设计中，通过良好的抗震措施使第二水准的要求得到实现。
1.2 重点讲授基本概念
正确理解基本概念是掌握和灵活运用理论知识的前提，这一点往往容易被学生忽略。
如在讲授地震作用的概念时，讲清其实质是地震动引起的结构动态作用，即在振动过程中作用在结构上的惯性力。地震作用与一般的荷载不同，不仅与地面运动有关，而且与结构自振周期（只随结构的刚度和质量而发生变化，是结构本身的特性）、振型和阻尼等结构动力特性有关。
在介绍反应谱这部分内容时，搞清反应谱是结构抗震中最重要的概念之一，它既可以反映地震动的特性，又是结构抗震设计的基础。要注意讲清楚单个地震动的反应谱与规范中抗震谱曲线的区别与联系。单个地震动的反应谱用作设计是不可靠的，但单个地震动的反应谱是规范抗震设计谱的基础，根据同一类场地所得到的强震记录分别计算的反应谱曲线统计分析而得到抗震设计反应谱，目的是要对建筑结构在其使用期限内可能遭受的最大地震作用进行预估。该法虽然考虑了结构动力特性产生的效应，然而在结构设计中实质仍然把地震惯性力按照静力来对待，所以该法只能称为准动力理论。反应谱理论没有考虑地震动持续时间对结构破坏程度的重要影响，不能给出结构地震反应的全过程，只能给出结构整体的最大反应，不能给出地震过程中各构件进入弹塑性变形阶段内力和变形状态，无法给出薄弱环节。
“抗震措施”和“抗震构造措施”是抗震设计非常重要的方面，但这两个概念既有联系又有区别，初学者非常容易混淆。在讲解这两个概念时，首先阐明各自所涵盖的内容以及二者的包含关系，使学生认识到二者的区别。在混凝土框架结构设计中，具体哪些属于抗震措施（如梁柱杆件内力调整以及强剪弱弯、强柱弱梁、强节点的调整等），哪些内容属于抗震构造措施（如框架梁和柱的尺寸要求、配筋要求、柱轴压比要求等），课后让学生列表、归纳总结，让学生加深对这两个重要概念的理解，而且也培养了其积极学习的主观能动性。
1.3 重视概念设计
“概念设计”贯穿于结构设计的整个过程，比“计算设计”更为重要。由于地震的不确定性、随机性和复杂性，以及结构计算假定与实际结构情况的差异（计算模型、非结构构件对结构刚度的影响、材料时效、阻尼变化等），使得地震时造成建筑破坏的程度很难准确预测。因此，进行精确的抗震计算是比较困难的。结构的抗震性能在很大程度上取决于良好的概念设计，在教学过程中要强调概念设计的重要性。如砌体结构的整体性问题，在大震作用下，构造柱和圈梁约束紧箍建筑物裂而不倒，提高墙体的延性，保证居住者有足够的逃生时间，对于结构抗倒塌具有重要意义。如多道设防问题，框架结构中填充墙充当第一道防线，框架为第二道防线。当第一道抗侧力防线破坏，第二道防线接替后，建筑物自振周期将出现较大幅度的变动，与地震动卓越周期错开，使建筑物的共振现象得以缓解，提高了建筑物吸收和耗散地震能量的能力，减轻地震的破坏作用，从而提高了整个建筑的抗震能力。再比如结构的“延性”问题，良好的抗震建筑在满足强度和刚度同时，还应具有足够的延性。延性好的结构，在地震中通过结构的塑性变形吸收和消耗地震输入能量，从而减轻震害。
1.4 掌握抗震设计基本理论
强调建筑抗震的概念设计的重要性，并非不重视数值计算，而是为了给抗震计算创造有利条件，使计算分析结果更能反映地震时结构反应的实际情况。目前建筑结构抗震计算方法大致分为三种：底部剪力法、振型分解反应谱法和时程分析法。三种方法进行抗震设计的流程图见图1。该部分内容为本课程的重点之一，给学生讲清三种方法的主要内容、各自适用条件、计算步骤和优缺点，让学生能灵活掌握不同的结构体系、不同烈度、不同场地条件、不同高度的建筑进行抗震设计应采取的相应计算方法。
1.5 增加隔震与消能减震的内容
隔震与消能减震是建筑结构减轻地震灾害的新技术，要让学生理解隔震、消能减震的思想、基本原理和设计计算方法，搞清与传统抗震的不同。就像大禹治水，一种方法是修筑高高的河堤“围堵”（相当于抗震），另一种方法就是“疏顺导滞”（相当于减隔震），这样一个复杂的专业问题就可以让学生能更容易的理解和掌握。
2 教学方式
2.1 多媒体教学
抗震课具有概念多、公式多、综合性强、难度大等特点，决定了传统的讲授法已不能满足当前形势的需要，利用现代化手段来进行教学势在必行。通过制作多媒体课件，在课件中加入国内外大地震的震害，通过多个地震灾后情况的对比让学生知道一个国家防震、抗震水平的高低直接影响震后的生命、财产损失的大小，这些数据也从一个侧面反映了国家经济实力的强弱，由此激发学生的学习热情和爱国热情，提高学生的敬业精神。收看下载的新闻视频，用专业的眼光解读新闻，解释地震术语，如震级、震中、震源、震源深度和地震烈度等，搞清一次地震只能有一个震级，但可以有多个烈度。采用图片和动态提示，生动、形象地课堂讲解，适当结合传统板书，使单位时间内传递的信息量增加，既加快了教学进程，增强了学生听课的注意力，也开阔了学生的眼界，使书本知识向课堂外延升，提高了学生学习本课程的兴趣[2]。
2.2 参观地震博物馆
组织学生在开课第一周参观兰州地震博物馆。该馆始建于1989年，是目前我国规模最大、收藏最丰富的唯一专业地震博物馆。博物馆洞门开在一个非常典型的几百年前的地震断裂带上，洞门上面的山体层面和破碎带清晰可见。学生来到馆门前，就有身临其境的感觉。进入馆内，在老师带领和讲解下，得知馆内有地震知识壁画馆、实物史料馆、地震泥塑馆、地震仪器馆、音像馆和地震字画馆6个分馆。壁画馆设在主洞道，壁画上面绘制了383个真实的地震故事和1000多个人物；实物史料馆陈列着300多件地震文物和史料；地震泥塑馆再现了公元138年张衡地动仪测出的兰州地震时的情况；字画馆收藏有许多国内外罕见的地震文物和史料，如万年以前地震生成物——固化沙柱和碳化断层泥珍品，固原大地震铜币“沙板”，我国第一张地震烈度图，清代山西平陆大地震后钦差大臣手绘地震烈度御览图，宋代“天下地震第一碑”文献碑刻等。通过老师风趣的讲解以及与学生的互动，让学生了解地震的相关知识，如震前动物的反应、地震仪的工作原理、地震历史以及一些地震时逃生的方法，使学生进一步认识地震这一自然灾害的突发性和毁灭性，鼓励其投身到结构的抗震设计、防震减灾事业中。
2.3 实际参与小型振动台的模拟试验
为了参加第五届全国大学生结构设计大赛，兰州交通大学购买了WS-Z30小型精密振动台，利用这一现成仪器，让学生自己动手，按照要求制作多层结构模型，用振动台模拟水平地震作用。振动台输入的地震波可以是实际的强震记录，也可以是人工模拟地震波，并通过等比例调整使峰值加速度放大为1000gal，作为加载所用的基准输入波，考察模型抵抗地震的能力。通过这样的实践活动，不仅使专业知识融会贯通，而且能提高学生的动手能力，提高学生灵活运用所学知识分析问题、解决问题的能力以及创新能力，激发学生对抗震课程的学习热情。
2.4 课堂教学和自学、讨论相结合
为了获得较好的教学效果，除了常规的课堂教学外，采用“思考题”形式的自学讲课、课堂讨论做为补充。自学讲课有以下优势：（1）学生上课时的注意力更加集中。因为他们内心有一种渴望，希望知道自己对思考题的理解与教师讲解的是否一样。（2）教师课堂讲解时，有思考题做引导，更能做到条理清楚、目的性强，通过实时提问，可以检验学生的自学效果。
设定一个主题，学生在课堂上以小组为单位进行讨论，鼓励学生踊跃发表自己的见解，活跃课堂气氛。通过讨论和讲解，增加大家对抗震概念设计的理解，并提高解决实际工程的能力。比如图2中的两座建筑在经历不同周期特点的地震作用下，哪座建筑更易破坏？针对这一主题，同学们七嘴八舌展开了激烈讨论，最后老师给出正确结论为：图2a场地的卓越周期较长，说明场地土较弱，自振周期较长的高层建筑更容易破坏（图3a）；图2b场地的卓越周期较短，场地土较坚硬，在硬土上低层建筑相比于高层建筑受震害影响更大（图3b）。当建筑物的自振周期与场地的卓越周期相等或接近时，建筑物发生共振，建筑物的震害会加重。经过分析讨论，让学生搞清楚场地条件与建造在上面的建筑周期的关系。在以后的建筑抗震设计中，应使建筑物的自振周期避开场地的卓越周期，以避免发生共振现象，减轻建筑物的震害。
2.5 进行框架结构设计大作业的综合练习
布置一道钢筋混凝土框架结构设计题目，从选择结构方案和抗震结构体系入手，然后进行结构布置，初步确定材料强度等级及构件截面尺寸（理解建筑结构设计的不唯一性），确定结构计算简图，进行水平地震作用的计算和层间侧移检算，取框架结构的其中一榀典型横向框架计算，选用合适的结构内力分析方法（如D值法）计算水平地震作用下的内力并绘制内力图，该榀横向框架在竖向荷载作用下的内力计算，选择一根梁、一根柱内力组合和内力调整，并进行截面设计和某一中节点设计等。通过大作业的练习，加深学生对规范的理解和应用，体会抗震措施在具体工程中是怎样实现的，增强学生的工程意识，为毕业设计以及后续的深造和工作都打下良好基础。
3 考核
在课程结束时为了比较客观地检查学生的掌握情况，全面客观地反映学生对该课程的掌握程度，总评成绩采用四六开，即课程考试占总评成绩的60%，平时考核占40%。平时考核综合了上课考勤、课堂讨论、课后习题与课后大作业等各项指标。课后安排一定的答疑时间，加强对学生的自学辅导，并通过网站答疑和课堂集中讲评及时解决学生在学习过程中遇到的问题。
关于课程考试，采用部分闭卷和部分开卷相结合的考试形式，闭卷部分以基本理论知识和“概念设计”内容为主，约占50%，题目为选择题、填充题和简答题，考核学生对课程理论的掌握程度，在1小时时间内完成。开卷部分以基本的内力计算和结构构造要求为主，约占50%，题目具有综合性，主要考查学生对所学理论知识的应用和分析问题的能力，通过内力计算、荷载组合、截面设计或截面校核，考核学生对结构计算的掌握程度，在1小时时间内完成，答题时学生可以查看教科书和相应的设计规范，这与国家注册结构工程师专业考试的模式相匹配。一方面反映学生理解和应用规范的能力，另一方面解决了学生只重视知识的死记硬背和计算能力的提高而忽视了结构抗震的概念设计和构造要求的问题。
4 结束语
建筑抗震设计这门课程采用多媒体的教学手段，自己动手的实践教学，参观地震博物馆，大作业的综合训练，独特的考试方式取得了良好的教学效果。实践证明近几届学生工作态度严谨，专业基础知识扎实，概念清楚，适应面宽，实践能力强，有较强的分析问题和解决问题能力，基本具备了结构工程师的专业素养。
参考文献
[1]薛素铎，赵均，高向宇.建筑抗震设计第三版[M].北京：科学出版社，2012.
[2]梁炯丰，易萍华，何春锋.多媒体条件下案例教学法在建筑抗震设计中的应用[J].高等建筑教育，2009，18（1）：134-136.
