高职建筑工程技术专业大二下学期《钢结构基础》第七章 创新连接技术 教学设计

高职建筑工程技术专业大二下学期《钢结构基础》第七章创新连接技术教学设计

一、教学背景与设计理念

本章节内容为“创新连接技术”，是在学生系统学习了钢结构材料性能、焊缝连接和螺栓连接等传统连接方式的基础上，针对现代钢结构建筑向大跨度、复杂造型、高抗震性能及工业化装配方向发展的需求而设置的前沿性章节。本章的教学设计遵循成果导向教育理念，深度融合“岗课赛证”综合育人模式，以真实工程项目为载体，旨在引导学生突破传统思维定式，建立基于全寿命周期的结构设计观。教学过程中，不仅强调力学原理的扎实应用，更注重融入材料科学、智能制造、项目管理等多学科知识，培养学生解决复杂工程问题的综合能力与创新意识。本设计将教学过程重构为“探境·融创·赋能”三个递进阶段，通过虚拟仿真与实体模型相结合、案例分析与企业标准相对接的方式，使学生深度理解并掌握新型连接技术的核心构造、力学性能、设计方法及工程应用。

二、教学内容与教学目标

（一）教学内容

本章教学内容围绕“创新”二字展开，打破传统教材单纯罗列技术的模式，按照技术演进逻辑与工程应用场景，将内容整合为三大模块：

1、模块一：高性能连接材料的应用与设计（基础）。涵盖高韧性焊材、高强度螺栓用钢、新型粘接剂及形状记忆合金连接件等材料的性能特点、选用原则及设计参数。重点阐释新材料如何改变连接节点的力学行为模式。

2、模块二：新型连接节点构造与力学性能（核心）。包括但不限于：

（1）梁柱连接创新形式：如狗骨式连接（RBS）、盖板加强式连接、悬臂梁段拼接等抗震节点。

（2）装配式钢结构连接技术：如模块化建筑间的插接式连接、预应力自复位节点、全螺栓干式连接系统。

（3）组合结构中的连接创新：如钢管混凝土柱与钢梁的连接节点、钢-混凝土组合梁的剪力连接件创新形式。

（4）特殊连接技术：如铸钢节点、索穹顶结构的锚固连接、钢结构加固中的粘钢与碳纤维连接技术。

3、模块三：基于数字技术的连接设计与优化（拓展）。介绍BIM技术在复杂节点深化设计中的应用，以及有限元分析在连接节点性能模拟与参数优化中的实践。

（二）教学目标

1、知识维度：

（1）识记并理解【基础】高韧性焊材、高强度螺栓、铸钢件等新型连接材料的力学性能指标与适用范围。

（2）掌握【重要】狗骨式连接、全螺栓干式连接、自复位节点等典型创新连接节点的构造形式、传力机理与破坏模式。

（3）理解【非常重要】创新连接技术在提升结构抗震韧性、实现快速装配、适应复杂建筑造型等方面的核心价值。

2、能力维度：

（1）能够【重点】依据给定的结构设计条件和抗震设防目标，初步完成创新连接节点的选型与构造设计。

（2）能够【难点】运用有限元分析软件对典型创新连接节点进行建模与受力性能分析，解读分析结果并提出优化建议。

（3）具备【跨学科】查阅中英文技术资料、行业标准图集及企业产品手册，获取创新连接技术最新应用信息的能力。

3、素养维度：

（1）树立严谨的工程科学态度，深刻理解连接节点的可靠性与结构整体安全的内在关联。

（2）培养基于全寿命周期成本和可持续发展的工程设计伦理观，关注连接技术的可建造性、可检测性与可维护性。

（3）激发创新意识，勇于探索传统技术之外的更优解决方案，形成批判性思维与团队协作精神。

三、教学重难点与高频考点

【教学重点】

1、狗骨式连接（RBS）的削弱原理、构造尺寸确定及其对塑性铰外移的贡献。【重要】【高频考点】

2、装配式全螺栓干式连接系统的构造组成、传力路径与安装工艺。【热点】【非常重要】

3、基于BIM技术的复杂节点深化设计流程及碰撞检查方法。【基础】【拓展】

【教学难点】

1、理解自复位节点的力学原理，分析预应力筋与耗能元件在往复荷载下的协同工作机制。【难点】【前沿】

2、创新连接节点的有限元建模方法，包括材料本构关系的选取、接触非线性与几何非线性的设置。【难点】

3、在综合考虑承载力、延性、造价、施工便捷性等因素下，进行连接方案的比选与优化。【难点】【高频考点】

四、教学对象分析

授课对象为高职建筑工程技术专业大二下学期学生。他们已经完成了《建筑力学》、《建筑结构》、《钢结构基础》（前六章）等前序课程的学习，具备了基本的力学分析能力和钢结构专业知识。学生对传统的焊接和螺栓连接已经有了较深的理解，但对于将前沿技术应用于解决实际工程难题尚缺乏系统性训练。该阶段学生思维活跃，对新鲜事物充满好奇，具备一定的计算机操作能力，这为引入虚拟仿真和BIM技术提供了良好基础。同时，他们也渴望了解行业最新动态，对“创新”主题有较高的学习期待。但学生对复杂力学概念的理解深度参差不齐，需要教师在授课中加强直观演示与案例分析。

五、教学方法与资源

（一）教学方法

1、案例教学法：贯穿全程，以国家速滑馆“冰丝带”屋面索网锚固节点、雄安新区装配式钢结构住宅连接节点、港珠澳大桥钢管复合桩连接构造等真实工程案例为引线和载体，剖析创新技术的应用背景与价值。

2、探究式教学法：针对每个技术点，设置“问题情境-假设提出-模拟验证-总结归纳”的探究链条。例如，提出问题：“如何让一个在地震中受损的钢框架快速恢复使用功能？”引导学生探究自复位节点的原理。

3、项目驱动教学法：将班级分为若干项目组，每组选择一个特定建筑场景（如高层办公楼、大跨度体育场、模块化公寓楼），要求其在课程结束时，完成该场景下关键连接节点的创新设计方案，并进行汇报答辩。

4、混合式教学法：课前通过在线平台推送企业最新的节点产品手册、前沿文献和微课视频；课中精讲难点，组织研讨与实操；课后布置拓展性仿真分析任务。

（二）教学资源

1、教材与参考书：国家级规划教材《钢结构基础》、行业标准《钢结构设计标准》（GB50017）、《高层民用建筑钢结构技术规程》、企业标准图集（如《多高层建筑钢与混凝土组合结构节点构造详图》）。

2、数字化资源：自主研发的“钢结构节点创新设计虚拟仿真系统”、ANSYSWorkbench或Abaqus有限元分析教学版、BIM软件（如TeklaStructures）、国家级钢结构虚拟仿真实训基地。

3、实体模型：3D打印的狗骨式节点、装配式螺栓球节点、自复位节点力学演示模型、各类新型螺栓与连接件实物。

4、视频资料：国内外重大工程钢结构施工纪录片、企业创新连接技术宣传片、节点抗震拟静力试验录像。

六、教学实施过程（核心环节，共6学时，每学时45分钟）

（一）第一学时：探境·创新之源——新型连接材料的突破（总时长45分钟）

1、导入新课（5分钟）：播放一段关于某地地震后钢结构建筑受损情况的新闻片段，画面聚焦于梁柱连接区域的焊缝撕裂或螺栓断裂。教师引导提问：“传统连接方式在极限荷载下暴露出哪些不足？如果我们从‘材料’这个源头进行创新，能否赋予节点更强的生命力？”由此引出本章主题“创新连接技术”，并展示新标题。此环节旨在激发学生的危机感与探究欲。

2、核心知识讲授（25分钟）：

（1）高韧性焊材的应用（10分钟）：【基础】首先回顾传统焊材的局限性，如低温脆性。进而引入高韧性焊材的概念，通过展示其冲击韧性试验数据对比图表，说明其在抑制焊接冷裂纹、提高节点耗能能力方面的显著优势。讲解在《钢结构设计标准》中对于特殊部位（如梁端、柱拼接）选用高韧性焊材的强制性条文。教师结合一个超高层建筑核心筒钢板剪力墙的焊接案例，说明选材原则。

（2）高强度螺栓用钢的演进（8分钟）：【重要】对比8.8级和10.9级螺栓的性能差异，引入更高强度级别（如12.9级）及耐候钢螺栓。通过实物展示，讲解其化学成分和热处理工艺对性能的影响。强调其在承受重载和恶劣环境下的优势，并介绍摩擦型连接中高强螺栓滑移系数的概念。

（3）新兴连接材料的展望（7分钟）：【拓展】简要介绍形状记忆合金（SMA）在自复位节点中的应用前景，演示SMA棒材在超弹性效应下实现变形恢复的原理动画。介绍建筑结构胶在粘钢加固中的创新应用，强调其与机械连接的协同工作机理。此部分重在开拓学生视野，播下创新的种子。

3、互动研讨（10分钟）：组织学生以小组为单位，讨论“在沿海高腐蚀地区的高层钢结构建筑中，核心筒与外框架梁的连接节点，应从材料角度做哪些特别的考量？”引导学生综合考虑钢材耐候性、焊材匹配性、螺栓防腐等问题。每组派代表发言，教师进行点评与总结。

4、小结与任务布置（5分钟）：快速回顾本学时核心知识点。布置课后任务：以小组为单位，收集一种新型连接材料（如耐候钢螺栓、陶瓷焊材等）的技术资料，制作成一张A4大小的技术卡片，下节课分享。

（二）第二学时：融创·抗震新核——耗能型节点设计（总时长45分钟）

1、复习导入（5分钟）：展示上节课优秀的技术卡片，快速回顾高韧性焊材和高强螺栓的关键性能。随后，教师提出一个更深入的问题：“材料性能再优越，如果节点构造本身不能让塑性铰发生在理想位置，地震能量依然会集中在脆弱的焊缝区，怎么办？”引出本学时的核心——耗能型节点。

2、核心知识讲授与探究（30分钟）：

（1）狗骨式连接（RBS）（20分钟）：【非常重要】【高频考点】【难点】首先，利用动画模拟一个刚性连接框架在侧向力作用下的破坏过程，直观展示焊缝处脆断的严重后果。教师引出“塑性铰外移”的设计思想。接着，详细讲解狗骨式连接的削弱原理：通过对梁翼缘进行圆弧形削弱，形成薄弱截面，引导塑性铰在削弱区形成，从而保护梁柱连接焊缝。利用板书推导演算削弱部位的尺寸参数（a、b、c）与塑性弯矩承载力之间的关系。然后，播放一段RBS节点的低周往复加载试验录像，让学生观察其饱满的滞回曲线和稳定的耗能过程。教师强调其构造简单、效果显著的特点，使之成为抗震设计的经典之作。

（2）盖板加强式连接（8分钟）：【重要】作为与RBS相对应的“加强”思路，教师讲解在梁翼缘外侧加盖板的方式来提高节点承载力，同样可以将塑性铰外移。通过有限元应力云图对比RBS和盖板加强式连接的应力分布差异，引导学生理解殊途同归的设计哲学。

（3）悬臂梁段拼接（2分钟）：【基础】简要介绍工厂预先焊接悬臂段，现场在远离柱面位置进行高强螺栓拼接的做法，说明其兼有保证焊接质量和现场快速安装的双重优势。

3、探究实践（5分钟）：在虚拟仿真系统中，学生两人一组操作，对同一个框架模型分别赋予刚性连接和狗骨式连接属性，运行一个地震波，观察两种连接方式下梁端应力的变化和塑性铰出现的位置。教师巡回指导，解答操作疑问，引导学生记录观察现象。

4、小结与思考（5分钟）：教师总结三种抗震节点的设计逻辑，强调“强节点、弱构件”原则在创新中的灵活体现。提出一个思考题：“RBS节点削弱了梁截面，是否会影响结构的竖向承载力和刚度？设计中如何权衡？”为下节课内容埋下伏笔。

（三）第三学时：融创·装配新构——工业化连接体系（总时长45分钟）

1、问题导入（5分钟）：展示一组我国建筑工业化、绿色建筑发展的政策与数据图片，提出问题：“在高层钢结构住宅中，如果所有梁柱连接都采用现场焊接，会面临哪些挑战？（如：高空焊接量大、质量难控、施工速度慢、环境污染等）有没有一种连接，能像搭积木一样快速、可靠、干净？”由此引出装配式连接体系。

2、核心知识讲授（25分钟）：

（1）全螺栓干式连接系统（15分钟）：【热点】【非常重要】这是当前工程界研究和应用的热点。教师利用Tekla模型和3D打印实体模型，详细讲解一种典型的梁柱全螺栓连接节点：柱采用方钢管或H型钢，梁端焊接带有端板的连接件，通过长螺栓或对穿螺栓将梁端板与柱壁紧固连接。重点讲解其传力路径：弯矩由端板受弯、螺栓受拉传递；剪力由端板与柱壁间的摩擦力或抗剪键传递。分析其优点：全螺栓作业，无焊接，施工速度快，易于拆卸和回收利用。同时，也指出其【难点】：柱壁可能因螺栓拉力发生局部屈曲，需设置加劲肋或采用厚壁钢管。结合企业标准图集，讲解此类节点的设计选型流程。

（2）预应力自复位节点（8分钟）：【难点】【前沿】延续前两节课关于抗震的讨论，教师展示一个更高级的创新节点。播放一段自复位钢框架振动台试验视频，节点在经历大震后，梁柱相对转角几乎为零，结构恢复了原位。教师揭示其原理：通过布置在梁中的预应力钢绞线提供恢复力，同时在梁柱连接处设置角钢或摩擦耗能器等可更换元件来耗散能量。讲解预应力筋的布置方式、锚固构造及耗能元件的作用。对比其与传统节点的优势：不仅保护主体结构，还能实现功能可恢复，是韧性城市建设的核心技术。

3、深化研讨（10分钟）：围绕“全螺栓干式连接在高层住宅应用中可能面临的问题”展开辩论。教师将学生分为正反两方。正方强调其施工速度、环保、可拆卸的优点。反方则可能提出螺栓用量大、用钢量可能增加、柱壁稳定需加强、防火防腐处理难度等质疑。通过辩论，促使学生全面、辩证地看待一项新技术。

4、总结（5分钟）：教师总结两种装配式连接的核心思想：干式作业和功能可恢复，强调它们是实现“像造汽车一样造房子”理念的关键技术支撑。

（四）第四学时：融创·组合新力——混合结构连接突破（总时长45分钟）

1、情境导入（5分钟）：展示一座钢管混凝土柱（CFST）与钢梁组成的混合结构高层建筑图片。提问：“混凝土和钢材这两种性能差异巨大的材料，如何在一个节点中协同工作，共同受力？”引出组合结构连接这一兼具挑战性与创新性的领域。

2、核心知识讲授与探究（30分钟）：

（1）钢管混凝土柱-钢梁节点（20分钟）：【重要】【难点】此节点是组合结构的关键。教师首先介绍其核心难点：如何保证框架梁的内力（特别是弯矩）能够有效传递到钢管内部的混凝土核心？接着，分类讲解几种典型的创新节点形式：

①外加强环板节点：【基础】讲解环板的构造，传力机制类似于柱的“环箍”，将梁翼缘的拉力扩散到整个钢管截面。通过有限元分析结果，展示环板下的应力分布，说明其对钢管局部稳定的加强作用。

②内隔板节点：【基础】讲解在钢管内部对应梁翼缘位置设置内隔板，梁翼缘拉力通过钢管壁传递给内隔板，再由内隔板压向核心混凝土。教师展示一个剖开的节点实体模型，让学生直观感受内部构造。分析其优点：传力直接，不占用外部空间；难点：焊接内隔板需要开设浇筑孔和透气孔，钢管内部焊接空间小，质量难以保证。

③穿心式节点：【重要】讲解采用高强螺栓或钢筋穿过钢管直径，将梁端板与贯穿件连接。分析其传力路径更加直接可靠，但对钢管的削弱问题需谨慎处理。播放一段穿心节点浇筑混凝土前的3D透视图，展示其复杂构造。

（2）钢-混凝土组合梁剪力连接件创新（10分钟）：【拓展】从传统的栓钉连接件出发，引入PBL连接件（开孔钢板连接件）的创新。展示PBL连接件的构造：在钢梁上翼缘焊接开孔钢板，混凝土穿过孔洞形成混凝土榫，实现抗剪。讲解其抗剪刚度大、疲劳性能好的优点。介绍群钉效应及新型大直径、高强栓钉的应用。

3、案例深度剖析（10分钟）：选取港珠澳大桥连续组合梁桥的某个桥墩顶部的负弯矩区节点，作为综合案例。引导学生分析该节点中，为抵抗负弯矩区混凝土开裂，除了采用预应力技术外，在连接件布置、钢梁构造上做了哪些特殊创新设计。教师补充讲解相关构造细节。

4、小结（5分钟）：教师总结组合结构连接的核心在于“协同”，通过机械咬合、摩擦、粘结等多种手段，实现钢与混凝土两种材料性能的深度融合与优势互补。

（五）第五学时：赋能·数字建连——BIM与仿真技术应用（总时长45分钟）

1、导入（5分钟）：展示一张传统2D图纸绘制的复杂铸钢节点，再展示一个基于BIM的三维信息模型。提问：“面对上百根杆件交汇的复杂节点，传统设计手段会遇到哪些瓶颈？如何利用数字技术提升设计质量和效率？”引出数字化赋能。

2、核心知识与技能实践（35分钟）：

（1）BIM在复杂节点深化设计中的应用（20分钟）：【基础】【拓展】教师以TeklaStructures软件为例，演示一个空间管桁架结构相贯节点的建模过程。

①建模与可视化：演示如何建立多根圆管相贯的模型，自动生成相贯线。强调利用软件的碰撞检查功能，快速发现杆件间的空间冲突。

②出图与制造：展示软件如何自动生成二维深化图纸，包括零件图、构件图，并标注焊缝、坡口角度等关键信息。演示如何导出数控加工设备可识别的数据文件（如DSTV），实现从设计到制造的数据贯通。

③信息集成：说明如何在模型中附加材料信息、力学性能参数、施工安装信息等，为全生命周期管理奠定基础。让学生明白BIM不仅是三维可视化，更是信息的集成与管理。

（2）有限元分析在节点性能验证中的应用（15分钟）：【难点】回到第二学时的狗骨式连接。教师以ANSYSWorkbench为例，简单演示对该节点进行单调荷载作用下的弹塑性分析过程。

①建模与前处理：演示如何从BIM模型简化几何、定义材料非线性本构、设置接触对（如梁柱接触面）、划分网格（重点显示削弱区的网格加密处理）。

②求解与后处理：提交计算后，演示如何查看节点的VonMises应力云图、塑性应变发展过程、荷载-位移曲线。通过云图直观验证塑性铰是否在削弱区形成，并与理论分析结果进行对比。

③参数优化：引导学生思考，如果削弱尺寸a、b、c发生变化，节点的承载力和延性会如何变化？演示通过简单的参数扫描，初步探究最优尺寸组合的思路。

3、小结与任务布置（5分钟）：总结数字技术在创新连接设计中的重要作用：BIM让构造变得“可视、可算、可管”，有限元让性能变得“可预、可评、可优”。布置项目任务：各小组基于自己选择的建筑场景，选定一个核心节点，利用课上学习的有限元方法（可在课后利用简化软件或在线仿真平台），对其受力性能进行初步分析，并撰写分析报告，计入期末项目成绩。

（六）第六学时：赋能·项目赋能——综合应用与方案答辩（总时长45分钟）

1、课堂组织（5分钟）：各项目组（每组4-5人）准备5分钟的方案汇报PPT或展板。邀请1名企业技术专家（可事先录制视频参与）或由另一位专业课教师担任评委。

2、项目汇报与答辩（35分钟）：

（1）汇报内容要求：每组需围绕其选定的建筑场景（如超高层办公楼、大跨度体育场、模块化公寓楼、工业厂房改造等），阐述其关键连接节点的创新设计方案。必须包含：

①场景描述与设计需求分析（荷载、抗震、施工等要求）。

②选定的创新连接节点名称与构造详图（可用BIM模型截图或手绘图）。

③传力机理与设计思路（为什么要选这个节点）。

④关键设计参数确定（如RBS的削弱尺寸、螺栓规格等）。

⑤性能分析结果简述（如有限元分析得出的承载力、滞回曲线等，鼓励呈现）。

⑥方案的创新点、优势与潜在不足。

（2）答辩互动：每组汇报完毕后，接受教师和同学们的提问。问题应聚焦于设计逻辑的合理性、技术细节的掌握程度以及跨学科知识的应用。例如：“你们组选择全螺栓连接，是否考虑了防火保护的成本？”“你们如何证明这个铸钢节点的铸造工艺是可行的？”此环节旨在锻炼学生的应变能力、批判性思维和团队协作精神。

3、教师与企业专家点评（5分钟）：教师对每组方案的亮点与不足进行总结性点评，重点评价其创新意识、工程合理性和表达逻辑。企业专家则从行业实际应用角度，肯定优点，提出改进建议。教师最后进行课程总结，强调创新不是凭空想象，而是基于扎实基础、遵循科学原理、服务工程需求的迭代优化过程。鼓励学生关注行业发展，持续学习，勇于成为未来钢结构建造技术的创新者。

七、教学评价与考核

本课程采用过程性