土木工程专业人才风险管控能力培养的课程群建设探索

时间：2024-05-18

王鼎，曹海莹，潘鹏程，徐珊，朱瑞广

（燕山大学建筑工程与力学学院河北秦皇岛 066004）

1 简介

土木工程包括人类从事生产和生活活动的各类基础设施，其安全性和可靠性直接关系到社会整体和个人的生命财产安全。土木工程在服役期内有一定概率受到地震、强风、地质灾害等极端灾害的影响，同时施工不规范、恐怖袭击等人为行为也会增加结构破坏的风险。美国911 恐怖袭击导致世贸双塔倒塌、汶川大地震导致建筑结构倒塌、东日本地震海啸导致福岛核电站泄露均是典型例子。因此，风险管控意识是新时代土木工程专业人才的必备素质。

我国土木工程专业教育日趋重视本科生风险管控能力的培养，但多采用在专业课程部分章节中进行介绍的教学方法，未形成系统的体系。近年来，课程群建设成为专业人才培养的重要途径，为风险管控能力培养提供了新思路。基于此，本项目进行了土木工程专业人才风险管控能力培养的课程群建设。课程群名称为“土木工程可靠性与风险管控”课程群，以岩土与地下工程专业方向为对象，采用案例教学的方式整合重组各课程中关于可靠性和风险分析的教学内容，明确课程群教学产出，实现毕业生风险管控能力提升的教学目标。

2 课程群建设必要性

现阶段推进土木工程风险管控能力培养存在如下难点：①风险管控以工程结构可靠性分析为基础，需要学生具有随机性思维。土木工程专业本科课程体系中，可靠性分析主要通过“工程结构荷载与可靠度设计原理”课程讲授，其他课程较少涉及可靠性相关内容。导致学生难以进行实际工程结构的可靠性分析并判断风险来源。②除可靠性理论教学外，土木工程风险意识培养须对比真实工程实例，抽丝剥茧地分析工程风险成因和防治技术。这需要多门课程统筹安排教学实例，明确每个实例的教学重点，实现风险管控相关知识点全覆盖。因此，培养学生的风险管控能力，需要多门课程在理论和应用两个维度配合教学。

以上难点可采用课程群建设与案例教学相结合的方式进行解决。这是因为：①课程群建设可以整合协调各课程的教学内容，将可靠性理论与工程风险分析实例相结合，从理论和应用两个维度培养学生的风险管控能力。②采用案例教学可以使学生理解可靠性分析的抽象概念，在复杂建造环境中准确寻找工程风险来源。

3 课程群构建思路

本课程群建设以土木工程专业岩土与地下工程方向为对象，包括“工程结构荷载与可靠度设计原理”“土力学”“岩土工程测试技术”“高层建筑基础”“地下工程施工技术”“建设工程经济与项目管理”等六门课程。“工程结构荷载与可靠度设计原理”是课程群的核心，学生通过本课程学习掌握可靠度分析方法，为工程风险管控奠定理论基础；“土力学”和“岩土工程测试技术”聚焦地基土参数的随机性，使学生掌握建造环境不确定性如何影响工程风险；“高层建筑基础”与“地下工程施工技术”聚焦实际工程结构的风险分析，将可靠度方法用于风险定量评价，分析实际工程事故的风险源；“建设工程经济与项目管理”重点讲授如何在成本约束下降低工程风险，介绍风险管控的实用方法。

4 实施方案

本课程群建设的具体实施方案包括：

第一，以“工程结构荷载与可靠度设计原理”课程为基础，在工程结构荷载统计、构件抗力统计的教学过程中强调土木工程和建造环境随机性的影响，树立学生利用可靠性评价结构工程的观念；在结构可靠度计算方法讲授中引入独立基础地基承载力案例，使学生掌握可靠度分析的原理。

第二，在“土力学”“岩土工程测试技术”两门课程中，针对地基土土层参数的随机性分析设置案例，使学生掌握工程建造环境的随机性及其带来的潜在风险。“土力学”课程通过多个工程实际案例，展示场地土层参数的实测数据、均值、变异系数，使学生具有工程建造环境随机性的定量认识；“岩土工程测试技术”要求学生对土层参数实测数据进行统计，掌握建造环境随机性的定量分析方法。

第三，在“高层建筑基础”“地下工程施工技术”两门课程中，分别针对筏板基础设计和隧道施工设置案例，使学生掌握实际工程结构可靠度分析的方法，加深学生对灾害随机性导致工程风险的理解。“高层建筑基础”课程利用之前土层参数随机性的分析结果，进行框架结构筏板基础地基承载力的可靠度计算，使学生了解土层参数随机性带来的结构失效风险，并利用可靠度结果定量评估风险；“地下工程施工技术”讲解多个隧道事故实例，使学生了解忽视风险防控会导致严重的后果。

第四，以“建设工程经济与项目管理”课程为落脚点，从经济损失角度讲授降低工程风险的必要性和措施，介绍降低风险的实用方法，培养学生在立项―设计―施工―维护全过程中管控风险的意识。

在实际操作过程中，本课程群采用案例式教学方法。案例教学是理论联系实际的重要途径，能够将学生置于真实案例环境中，培养其解决实际问题的能力，也能够提高学生的学习兴趣。本课程群的六门课程均设置了专门的案例，以支撑专业人才风险管控能力培养的目标。

“采用一次二阶矩方法的独立基础地基承载力可靠度计算案例”“地基土指标的随机性分析案例”和“静力触探法测量地基承载力的实测数据分析与统计案例”三个案例以独立基础地基承载力验算这一学生易于理解的问题入手。

“采用一次二阶矩方法的独立基础地基承载力可靠度计算案例”以一独立基础的地基承载力验算作为工程问题，考虑荷载、基础尺寸与地基土强度的随机性，要求学生构建功能函数，并利用一次二阶矩方法求解可靠指标。同时要求学生进行探索，分析荷载、基础尺寸、地基土强度的均值和标准差变化如何影响可靠指标与可靠度，进而增加地基失效的风险。本案例可以使学生理解工程风险的来源，为之后的风险评估提供分析工具。

“地基土指标的随机性分析案例”展示5 组实际工程现场测定的地基土指标，计算指标均值与变异系数，评价不同种类地基土性质的离散性。任课教师回顾之前的独立基础地基承载力可靠度计算案例，要求学生针对本案例的5 组实际地基土指标重新进行可靠度分析，优化基础设计方案，促使学生将可靠度分析方法应用到实际工程中。

“静力触探法测量地基承载力的实测数据分析与统计案例”要求学生利用静力触探法获得的数据计算地基土的强度指标值，并利用可靠度计算中的误差传递公式计算原始数据测量误差导致的强度指标误差，分析测量误差导致的基础承载力可靠度变化。本案例可以使学生在理性上认识工程设计建造中各随机因素造成的风险，掌握工程风险的定量评价方法。

以上三个案例具有统一的工程背景，由理论分析逐步过渡到实用计算，从可靠度概念入手逐步引导学生探索工程风险产生原因，层层深入。之后的“筏板基础地基承载力的可靠度计算与风险评估案例”“隧道工程的事故实例分析”与“岩土与地下工程的风险识别与应对措施案例”三个案例侧重土木工程在真实建造环境下的风险分析，设置目的是使学生能够进行复杂土木工程问题的风险评估与管控。

“筏板基础地基承载力的可靠度计算与风险评估案例”要求学生计算更为复杂的筏板基础的可靠性。与独立基础相比，筏板基础的基底反力分布不均匀，土层指标的随机性对基础内力和可靠度的影响更明显。案例教学过程中要求学生对比独立基础和筏板基础的可靠度，分析相同地基土环境中不同基础形式失效风险的差别，并分析成因。

“隧道工程的事故实例分析”通过展示6 个工程实例，聚焦隧道建设、运行过程中出现的事故。案例覆盖突水突泥、塌方、洞内机械设备故障、交通事故引起火灾等隧道常见的事故类型，分析事故发生的自然和人为原因。本案例使学生了解真实工程的风险并非具有单一来源，相较建造环境和材料属性的随机性，设计施工错误可能造成更为严重的事故。提高设计、施工与管理人员的职业素养和专业能力是降低风险的重要途径。

“岩土与地下工程的风险识别与应对措施案例”针对前一案例的隧道事故实例，介绍工程风险的管控措施。风险管控的核心是降低各类事故发生的概率，提高土木工程建造和使用的可靠度。本案例详细介绍土木工程设计、施工和运营过程中的风险管控措施，要求学生制订风险预防和应对方案，并通过小组讨论的形式完善方案，激发学生的团队合作意识。

本课程群的6 个案例具有清晰的逻辑关系，层层深入，兼顾土木工程风险管控的理论深度与应用广度。