本科土木工程专业人防工程加固施工技术教案

本科土木工程专业人防工程加固施工技术教案

一、教学背景分析

（一）课程定位与性质

本课程属于本科土木工程专业四年级地下工程方向的专业核心选修课，也是国防工程与城市防灾课程群中的重要模块。课程前置基础为混凝土结构设计原理、工程结构检测与鉴定、土木工程施工技术，后续支撑毕业设计及地下空间规划等综合实践环节。人防工程加固施工技术是响应“平战结合”国防政策、提升城市基础设施韧性的关键工程技术领域，课程兼具理论深度与实践强度。

（二）学情分析

授课对象为本科四年级学生，已完成结构力学、土力学与地基基础、钢筋混凝土结构设计等主干课程学习，具备基本的工程力学分析与结构识图能力，但普遍存在以下特征：对人防工程的构造特点与防护要求认知模糊；对加固技术背后的应力传递机理与界面协同工作机制理解不深；缺乏将检测数据转化为加固方案的系统决策思维；对现场施工流程、质量检验及安全控制缺乏工程直觉。同时，该阶段学生具备较强的信息检索能力和BIM、有限元分析软件的操作基础，适合采用问题导向与虚拟仿真相结合的教学模式。

（三）教材与参考资源

本课程采用自编活页讲义与校企合作开发的数字化工作手册式教材，主教材为《人民防空工程加固改造技术规范理解与应用》（中国建筑工业出版社，2022），配套参考文献涵盖《混凝土结构加固设计规范》（GB50367）、《人民防空工程质量验收与评价标准》（RFJ01-2015）以及近期相关的高被引学术论文、国家级工法汇编。同时接入学校土木工程虚拟仿真实验教学平台中的人防工程加固专项模块。

（四）课标要求与职业标准对接

课程设计紧密对接工程教育专业认证（华盛顿协议）毕业要求中的问题分析、设计/开发解决方案、研究、使用现代工具及工程与社会等指标点。同时深度融合注册结构工程师、注册建造师职业资格考试中“建筑结构加固”与“人民防空工程”考纲内容，强化规范术语的准确运用及强制性条文的敬畏意识。

二、教学目标设计

（一）知识与技能目标

能够准确复述人防工程的主体结构形式、防护等级分类及常见损伤劣化机理；能够解析五种主流加固工法（增大截面法、外粘型钢法、粘贴碳纤维复材法、置换混凝土法、预应力撑杆法）的受力机理、构造要点与适用范围；能够依据结构检测鉴定报告，初步编制加固施工技术方案并绘制关键节点构造详图；能够运用BIM技术进行加固构件的碰撞检查与工程量统计。

（二）过程与方法目标

通过“检测-诊断-决策-施工-检验”全流程案例推演，建立基于证据的加固方案比选思维；借助数值仿真模拟，理解加固层与原结构的协同工作应变滞后效应；在虚拟仿真实训中完成从材料进场复验到隐蔽工程验收的完整工序模拟。

（三）情感态度与价值观目标

树立“安全至上、修旧如故、最少干预”的文物保护式加固伦理观；强化人防工程是“地下长城”的国防安全意识；培育在既有空间约束下精耕细作的工匠精神与质量终身责任制意识。

（四）跨学科素养目标

融入近红外光谱无损检测技术（仪器科学）、高延性混凝土材料研发（材料科学与工程）、三维激光扫描逆向建模（测绘科学与技术）、施工过程碳排放估算（环境工程）等交叉学科视角，培养学生运用多学科工具解决复杂工程问题的能力。

三、教学重难点

（一）教学重点【重要】【高频考点】

1.增大截面加固法的界面处理与新旧混凝土整体工作条件；【高频考点】

2.外粘型钢及粘贴钢板法的锚固构造与胶粘剂选型；【重要】

3.碳纤维复材加固的剥离破坏形态及预防措施；【热点】

4.人防工程口部、临空墙、密闭通道等特殊部位的加固构造；【难点融合高频考点】

5.加固施工期间原结构的卸荷与支顶技术。【重要】

（二）教学难点【难点】

1.二次受力下加固材料的应变滞后机理及应力超前现象的定量概念建立；

2.不同加固方法组合运用时的界面传力路径协调；

3.人防工程防水与加固同步实施时的工艺冲突解决；

4.基于模糊层次分析法的多方案综合评估模型应用。

四、教学方法与策略

（一）教法设计

采用“一案到底”的项目式教学法，以一个真实的三等人员掩蔽部加固改造工程为载体，贯穿课程始终。综合运用翻转课堂、对分课堂、基于BIM的虚拟施工交底、结构力学求解器验算对比等多种形式。关键工艺节点引入VR安全体验与工艺拆解互动游戏。

（二）学法指导

倡导“做学教合一”，学生以4人规模的BIM+加固技术攻关小组开展协作学习。每个小组扮演“加固改造项目部”角色，轮值担任项目经理、技术负责人、质量员、安全员。通过角色扮演强化岗位责任，驱动自主查阅规范、观看微课、操作仿真软件。

（三）信息化手段应用

依托超星学习通建立SPOC平台，前置发布规范条文解读微视频；课中利用投屏技术实时展示学生绘制的加固节点草图并进行集体批注；引入三维激光扫描点云数据，还原既有人防工程现状模型；采用有限元分析软件ABAQUS对典型加固节点进行局部应力云图展示。

五、教学准备

（一）教师准备

1.编制基于实际工程的结构检测鉴定报告精简版文档，隐去关键参数供课堂推演；

2.制作各类加固工法构造层次的1：1足尺局部模型（实物/3D打印）；

3.准备碳纤维布、结构胶、锚栓、灌浆料等加固材料样品，并配备材料力学性能展示试件；

4.在虚拟仿真平台中预设“加固方案错误-导致二次破坏”的风险事件分支；

5.开发配套的施工技术交底动画与工艺卡。

（二）学生准备

1.复习混凝土结构设计原理中正截面承载力计算、黏结锚固等内容；

2.以小组为单位实地走访校内早期人防工程（或观看全景视频），记录典型病害；

3.预先阅读《混凝土结构加固设计规范》第4章至第10章，摘录强制性条文。

（三）环境与资源准备

1.加固工艺实操区：设置模拟混凝土构件，配备电锤、灌浆机、粘贴压板等小型机具；

2.BIM实训室：安装Revit、Navisworks及PKPM加固设计模块；

3.云平台：存储有20个不同加固类型的工程案例库、事故分析库。

六、教学实施过程（核心环节）

（一）课前导学阶段

教师在SPOC平台发布任务单：观看微课《人防工程的前世今生——从防空洞到韧性城市》，时长15分钟，重点展示某市70年代砖混结构人防工程因地面新增荷载需进行托换加固的现场视频片段。各小组需在讨论区以“加固方案初步构想”为题提交不少于200字的方案草图，并完成在线测试题——测试题聚焦于结构加固的基本原则（安全、适用、耐久及经济性）。教师根据平台数据筛选出共性认知误区：约68%的学生将“提高承载力”作为唯一目标，忽视了加固对结构刚度的改变以及与周边环境的协调性。此数据将作为课中针对性破冰的靶向点。

（二）课中研学阶段（共计6学时，分3次课完成）

第一学时：情境锚定与核心概念重塑

1.情境导入，激发动机

教师展示某市早期人防工程因地铁下穿施工产生不均匀沉降的真实新闻报道视频，并出示该工程未加固前出现裂缝、渗漏、钢筋锈蚀的特写照片。提出总驱动问题：“作为加固改造项目技术负责人，面对净空仅2.2米、存在大量管线穿墙、且必须在30天内完成施工的任务，你将选择何种加固路径？”各小组紧急磋商3分钟，使用投票器选出“增大截面”“粘贴钢板”“增设柱”等初步方向。教师不立即评判，而是展示该工程最终的失败案例——因盲目增大截面导致结构自重激增、基础超载而引发更严重沉降。此环节目的在于制造认知冲突，引出加固工程的“红线思维”：加固不是原结构的无限增强，而是有明确目标、受边界条件约束的系统工程。

2.任务驱动，新知讲授（核心概念：二次受力与界面）

教师提出本课第一个核心科学问题：“为什么加固构件不能简单地按一次受力叠加计算？”结合简支梁模型，运用PPT动画展示：原梁在卸荷不完全状态下，已有一定的压应变和拉应变；新增部分在加载后期才开始参与工作，其应力始终滞后于原钢筋应力。教师现场演示教具——用两根不同长度橡皮筋共同提起重物，短橡皮筋（原结构）先受力伸长，长橡皮筋（新增部分）松弛，只有缩短长橡皮筋（相当于卸荷）才能让两者同步受力。此环节结束后，教师板书核心术语：“应变滞后、应力超前、卸荷系数、二次组合截面。”并明确标注【非常重要】【难点】。随后发布各组第一项挑战任务：根据给定的某梁检测数据（原梁截面、配筋、当前荷载下的裂缝宽度），利用简化公式估算卸荷至原梁弯矩40%时新增钢筋的应力超前系数。各组利用Matlab或Excel快速建模计算，教师巡回指导，重点纠偏将新旧钢筋简单按面积比分配内力的错误思维。

第二学时：主流工法深度解构与构造精讲（上）

1.增大截面加固法专题【非常重要】【高频考点】

教师从3D打印的围套混凝土模型入手，逐层拆解：界面凿毛、植筋、焊接箍筋、浇筑灌浆料。强调两个致命细节：一是植筋钻孔遇到原主筋时的避让原则（不得切断受力筋，偏移量通过增加附加筋补强）；二是灌浆料流动度与终凝收缩补偿。教师播放现场施工延时录像，显示围套混凝土因未设置排水孔在养护期间出现空鼓。学生分组手持混凝土回弹仪与超声波检测仪，在模拟构件上对预设的“缺陷区域”进行无损探测，并将探测数据输入平板电脑中的BIM模型，生成缺陷可视化云图。教师结合规范GB50367第5.6条，以案例形式讲解叠合构件受弯承载力计算的“二阶段受力”调整系数，并随机抽取小组口述计算步骤，完成该知识点在职业资格考试真题中的嵌入。

2.粘贴碳纤维复材加固法【热点】【难点】

教师展示一段飞机蒙皮修复视频，类比引出碳纤维片材轻质高强的特点。本环节核心聚焦于剥离破坏的预控。教师利用有限元软件演示U型箍锚固、压条锚固、机械锚固三种措施下界面剪应力峰值的变化曲线，学生直观看到无锚固时端部剪应力是允许值的3.2倍。教师在仿真环境中“故意犯错”——将碳纤维布延伸至受压区，随即显示受压区屈曲波形图。随即下发实操任务：每组一张200mm×500mm的碳纤维布、环氧树脂胶、橡胶刮板，在规定时间（8分钟）内完成对模拟梁受拉区底部的粘贴，并制作一个抗剥离的附加锚固构造（可选择碳纤维压条或钢板压条）。完成后使用电子显微镜观察气泡分布，并进行180°剥离测试（模拟工况）。教师点评各组操作规范性，重点纠偏树脂搅拌方向、浸渍程度、指干时间判断等工艺细节。

第三学时：主流工法深度解构与构造精讲（下）及方案决策

1.外包型钢加固法与外粘钢板加固法辨析【重要】【高频考点】

教师展示两种工法的节点模型。强调外包型钢法通过缀板连接形成整体钢构架，本质是改变结构体系；而粘贴钢板法则侧重于受拉区补强。教师通过BIM模型展示人防工程口部段采用外包型钢时对建筑净空的侵占影响，引导学生从建筑功能、防护密闭要求、施工噪声控制等多个维度权衡。引入工程造价数据库，对比单位承载力增量成本的比值：粘贴钢板约为外包型钢的75%，但耐久性维护费用更高。学生以小组为单位，针对特定工程约束条件（如施工期不能中断上部办公、严禁明火），运用层次分析法快速赋值权重，在电子白板上拖拽排序得出推荐方案。此环节高频互动，学生需口头陈述决策依据，教师即时反馈权重合理性。

2.裂缝修补与防水堵漏加固集成技术【难点】【基础】

人防工程渗漏多发生于变形缝、施工缝及穿墙管位置。教师展示传统注浆法、面层法及近期推广的电化学沉积修复技术的案例。针对注浆工艺，教师利用透明亚克力板模拟裂缝，使用红、蓝两种染色浆液演示压力注浆时气流通道阻塞导致的假充填现象。各小组在仿真平台上调节注浆压力、粘度参数，观察浆液扩散半径与饱满度。教师强调：渗漏治理必须遵循“先止水、后加固、再装饰”的顺序，严禁在带压渗漏情况下直接粘贴钢板，否则胶粘剂无法固化，此为施工验收强制红线。

3.综合案例推演：某三级人防工程加固方案比选（跨课时综合应用）

教师下发完整版的工程检测报告，内容包括：结构现状评级、混凝土强度推定值、碳化深度、钢筋保护层厚度、砌体砂浆饱满度、口部垂直度偏差等。各小组扮演“加固改造联合体”，需在50分钟内完成以下连贯任务：（1）依据鉴定报告圈定必须加固的构件区域【基础】；（2）为每一类损伤匹配三种可行性加固工法【重要】；（3）从施工可行性、防护效果恢复度、造价、工期四个维度进行量化比选，得出推荐方案【非常重要】【高频考点】；（4）使用Revit软件对推荐方案进行三维建模，并在模型中标记关键施工工艺控制点及检验批划分位置【热点】；（5）编制一份5分钟内的模拟技术标答辩PPT提纲。教师在此过程中循环播放6段不同加固工艺出错导致返工的短视频，每个视频播放后暂停30秒，各小组在抢答器中输入“所犯错误违反了哪条规范强制性条文”。此环节将规范条文的死记硬背转化为情境辨析。

（三）课后拓学阶段

1.虚拟仿真闯关作业

学生登录土木工程虚拟仿真实验平台，进入“人防工程加固施工综合演练”模块。该模块设置了三类难度递进的随机工况：工况一为单构件加固方案设计与施工模拟；工况二为包含多个损伤构件的局部区域加固任务分配与工期优化；工况三为在动态沉降过程中进行加固过程干预。系统记录每一步操作的规范性，例如植筋钻孔深度是否达到10d、清孔次数是否满足要求、胶粘剂配比是否称量。平台会根据施工日志自动生成质量问题清单，学生需撰写2000字以内的质量事故分析报告。此环节作为形成性评价的核心依据之一。

2.跨学科拓展阅读任务

教师在学习通上推送三篇前沿文献：第一篇为《基于压电陶瓷的加固界面黏结健康监测》，涉及结构健康监测与智能材料；第二篇为《废弃混凝土再生骨料在加固工程非受力构件中的应用》，涉及绿色建造与循环经济；第三篇为《BIM+GIS在人防工程群加固改造全寿命管理中的应用》，涉及城市信息学。学生需以小组为单位选择一篇文献制作思维导图，并撰写300字短评，重点阐述该技术如何赋能传统加固工艺。

3.校企双导师实战工坊

邀请合作企业的教授级高工在线直播，内容为某大型单建掘开式人防工程逆作法加固施工实录。企业导师将展示现场的施工日志、监理日志及检测原始记录，并发布一个真实的工程痛点问题——如何在不停运状态下完成人防电站机组的隔震加固。学生通过弹幕提问，导师实时解答，并针对优秀提问提供企业实习面试直通卡。此环节打破了校园与工程现场的壁垒，使学生直面真实的进度、成本、安全约束。

七、教学评价设计

（一）过程性评价

1.课堂表现（权重25%）：包含投票器应答准确率、小组讨论贡献度积分、仿真平台操作轨迹记录、VR体验中安全规范执行次数。学习通系统自动采集数据，生成个人雷达图。

2.作业与测试（权重30%）：包含课前测、课中计算练习、课后虚拟仿真闯关得分、规范条文检索作业。特别强调对【高频考点】类作业的二次订正，学生需针对错题录制1分钟讲解视频，以验证真正理解。

3.小组协作成果（权重25%）：以加固方案比选报告、BIM模型精度、PPT答辩逻辑、跨学科短评质量作为小组评分依据。引入组内互评系数修正个人得分。

（二）终结性评价

1.期末大作业（权重20%）：完全基于真实工程背景（提供完整的勘察、设计、检测图纸），每位学生独立完成指定人防工程某一防护单元的加固施工技术方案。方案必须包含方案比选、施工部署、主要工艺方法、质量安全保证措施、监测方案以及BIM工艺模拟截图。教师制定详细的评分细则，如“是否提及卸荷要求”“是否注明结构胶的耐湿热老化指标”“裂缝修补是否有压力流量记录”等颗粒度极细的采分点。

（三）增值性评价

通过前测与后测的重合题目得分变化，衡量学生在“二次受力理解”“规范条文检索习惯”“加固伦理认同”三个维度的增值幅度。对于初始基础薄弱但提升显著的学生，授予“最大进步奖”，并在课程总评中附加5分激励。

八、教学反思与优化

（一）预设效果

通过“一案到底”与虚实结合，预计95%以上的学生能够独立完成单构件加固计算与构造选型，85%以上的学生能够综合多因素完成小型工程的方案决策，70%以上的学生能够敏锐识别施工图中常见的构造错误。学生将形成查阅规范而非死记规范的良好职业习惯。

（二）意外应对

针对可能出现的软件卡顿、仿真平台服务器超载，已准备离线版施工工艺卡片与纸质计算任务单。针对部分学生对定量计算产生畏难情绪，组建由课代表与研究生助教构成的“助学攻坚组”，在课后开展二次受力计算专题小班辅导。

（三）持续改进

将本次课中学生通过BIM建模发现的典型构造冲突问题（如加固钢板与人防门框锚固点冲突）收录进课程案例库，并转化为下一轮教学的课堂讨论辩题。同时，依据企业导师对小组方案的评价，反向修订教学案例中某些过于理想化的边界条