孫凌云　張啟初

【摘 要】本文以廣西第六屆大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲獎(jiǎng)作品為例。從隊(duì)員組成、賽題分析、結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件sap2000模擬、模型制作、心得體會(huì)五個(gè)方面總結(jié)了參加結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽的經(jīng)驗(yàn)，得出大學(xué)生結(jié)構(gòu)競(jìng)設(shè)計(jì)賽對(duì)土建類學(xué)生在工程結(jié)構(gòu)實(shí)踐能力以及視野開(kāi)拓方面有莫大的幫助，引領(lǐng)大學(xué)生開(kāi)拓創(chuàng)新結(jié)構(gòu)形式。

【關(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽；多層建筑結(jié)構(gòu)；模型制作；SAP2000分析；結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

由廣西建設(shè)教育協(xié)會(huì)主辦，南寧學(xué)院承辦的廣西第六屆大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽于2015.12.15-18日在南寧學(xué)院體育館舉行，歷時(shí)四天，共有23所廣西高校的46支隊(duì)伍參加。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽賽題為“多層建筑結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)”。筆者有幸代表桂林理工大學(xué)博文管理學(xué)院參加了此次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽。最終，經(jīng)過(guò)激烈角逐，我校派出的兩支隊(duì)伍不負(fù)眾望，參賽作品“云天展覽館”獲得“一等獎(jiǎng)”，另一隊(duì)作品“金字塔”獲得“二等獎(jiǎng)”。我校獲得“優(yōu)秀組織獎(jiǎng)”，2位指導(dǎo)老師獲得“優(yōu)秀指導(dǎo)老師”稱號(hào)。作為一名參賽隊(duì)員，在收獲喜悅的同時(shí)，也將模型制作、加載過(guò)程中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)寫出來(lái)，供各位參考，與兄弟院校共同切磋。

1 隊(duì)員組成

一個(gè)學(xué)校要將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽發(fā)展強(qiáng)大和傳承下去，最好有2到3個(gè)不變的指導(dǎo)老師，每年負(fù)責(zé)指導(dǎo)，指導(dǎo)老師必須對(duì)材料性能以及比賽賽題制勝關(guān)鍵點(diǎn)了如指掌。

本人認(rèn)為一個(gè)較為完美的隊(duì)伍成員由兩男一女或者三男組成，女生不宜超過(guò)2名。將女生列為一個(gè)成員主要是女生較為細(xì)心，男生看不到的細(xì)節(jié)將由女生來(lái)完成，成員沒(méi)有女生的必須有一個(gè)較為細(xì)心的男生。參賽隊(duì)員最好選用不同年級(jí)的學(xué)生，采用二帶一，即兩個(gè)高年級(jí)學(xué)生帶一個(gè)低年級(jí)學(xué)生。只要參加過(guò)一次區(qū)賽的同學(xué)就會(huì)對(duì)模型的制作與構(gòu)思產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。保留一個(gè)低年級(jí)的目的就是為了給下一屆比賽打基礎(chǔ)。

合理分配每名成員的任務(wù)，一隊(duì)長(zhǎng)二成員。必須將三人分配在最拿手的位置。想在規(guī)定時(shí)間內(nèi)快速制作好模型必須爭(zhēng)分奪秒不浪費(fèi)任何時(shí)間。比賽所提供的桌子的面積不一定能夠容下三個(gè)人裁紙，所以只需要兩個(gè)裁紙，在這個(gè)過(guò)程中應(yīng)該先將短小的，一個(gè)人能卷成桿件的紙裁出來(lái)的，由不裁紙的隊(duì)友來(lái)卷起這些短桿。裁紙完成后將停下來(lái)卷短桿，這個(gè)時(shí)候先將長(zhǎng)桿和必要的桿件卷起。

2 賽題分析

每一屆區(qū)賽的題目都不一樣，參賽者必須要對(duì)賽題非常熟悉！能夠把賽題里面所有的內(nèi)容背下來(lái)只算是對(duì)賽題有所認(rèn)識(shí)。能從賽題里找出關(guān)鍵得分點(diǎn)才算是熟悉賽題。最好按1、2、3的順序把賽題要求列出，并將注意點(diǎn)標(biāo)出來(lái)，一目了然。如本屆賽題荷載性質(zhì)為豎向荷載和水平荷載。豎向荷載加載位置要考慮對(duì)結(jié)構(gòu)、對(duì)水平荷載加載有利。多層建筑要求縱橫向跨數(shù)不能少于兩跨，有的參賽隊(duì)伍沒(méi)有注意到這一點(diǎn)，非常遺憾。

另外一方面要注意的問(wèn)題是：往往比其他選手略勝一籌之處就是賽題中的薄弱點(diǎn)，也可以說(shuō)是賽題的“缺陷不足和漏洞”，只要賽題沒(méi)有再次補(bǔ)充這些薄弱點(diǎn)都是可以采用這些薄弱點(diǎn)進(jìn)行模型改進(jìn)。一般在這種情況下制作出來(lái)的模型是更輕巧更穩(wěn)定。因?yàn)闆](méi)有真正違規(guī)，只是制作的模型趨向于違規(guī)，評(píng)委會(huì)是沒(méi)有理由說(shuō)明你模型違規(guī)的。這就跟建筑在滿足使用條件的情況下，配筋取最小值是同一個(gè)道理，這種情況下使用的材料最少，花費(fèi)將大大減少。如本屆賽題只規(guī)定了支座尺寸，沒(méi)有規(guī)定每層建筑的外圍尺寸，就可以縮小尺寸減輕自重，還可以縮小上層尺寸，提高荷重比。總之，把比賽當(dāng)作游戲，要遵循并合理地利用游戲規(guī)則。

3 計(jì)算機(jī)模擬

對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行整體概念構(gòu)思和設(shè)計(jì)，對(duì)確定的方案利用結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件SAP2000建立模型，對(duì)模型進(jìn)行施加荷載和優(yōu)化。本次比賽豎向加載方式是在結(jié)構(gòu)各加載層處放置砝碼。豎向和水平撓度均不得超過(guò)2厘米、模型損壞、砝碼滑出掉地等均算加載失敗。在SAP2000軟件建模分析時(shí)采用頂層和底層施加節(jié)點(diǎn)荷載模擬豎向荷載，加載要仔細(xì)閱讀規(guī)則，預(yù)計(jì)一切可能出現(xiàn)的不利因素。為了消除計(jì)算機(jī)模擬與實(shí)際產(chǎn)生的誤差，在該節(jié)點(diǎn)施加1.1倍砝碼產(chǎn)生的重力。模型通過(guò)豎向荷載加載后，需要進(jìn)行水平荷載測(cè)試。在SAP2000分析時(shí)采用節(jié)點(diǎn)施加水平力模擬水平荷載，為了消除計(jì)算機(jī)模擬與實(shí)際產(chǎn)生的誤差，在該節(jié)點(diǎn)施加1.1倍砝碼產(chǎn)生的水平力。

4 模型制作

模型確定好以后進(jìn)入下一階段：結(jié)構(gòu)模型制作。要熟悉材料性能，用到的材料主要有白卡紙、白乳膠。

4.1 白卡紙屬性

白卡紙由三層紙膜組成。光滑面受拉性能最強(qiáng)，中間層最差?？梢圆捎脛冸x紙來(lái)減輕結(jié)構(gòu)重量，根據(jù)不同需要可將白卡紙分成三層，或者兩層來(lái)制作桿件，光滑面用來(lái)加固節(jié)點(diǎn)。白卡紙厚度約為0.3毫米，為各向異性材料，力學(xué)性能為：順紋極限拉應(yīng)力22.2MPa，順紋極限壓應(yīng)力為7.0MPa。

2 白乳膠

要注意白乳膠的濃度，太稀，內(nèi)含水分太多，凝固時(shí)間長(zhǎng)；太稠，粘結(jié)不牢，都不可取。對(duì)于紙質(zhì)模型，一般采用較稀的乳膠，尤其是卷?xiàng)U使用的乳膠應(yīng)盡量稀薄，這樣既可以保證涂抹的均勻性，又能減輕結(jié)構(gòu)自重。對(duì)于木材，建議使用較為濃稠的乳膠。

4.3 桿件

考慮到材料性能、賽題要求、實(shí)際情況中不同截面的受力性能、制作工藝等，我們采用圓管截面的桿件。圓管截面的極軸分布均勻，受力性能好。

一個(gè)模型由大量的桿件相互連接而成。在施加荷載時(shí)每個(gè)桿件受力情況都不一樣。模型設(shè)計(jì)時(shí)盡量把拉桿設(shè)計(jì)得較多，其次就是壓桿，盡可能的避免受剪、受扭兩種不利情況，因?yàn)槭軌喝菀资Х€(wěn)，材料的抗剪、抗扭的能力不如受拉好。然后由受力大小選取直徑最為合適的圓鋼來(lái)卷?xiàng)U，一般選取直徑不大于10mm，紙桿層數(shù)不多于2層。

圓鋼分為實(shí)心圓鋼和空心鋼管。卷?xiàng)U選用實(shí)心圓鋼，一般只有主要受力桿件會(huì)選用直徑為10mm、8mm、6mm的圓鋼作為卷?xiàng)U工具，特殊受力桿除外。次要桿件采用直徑為4mm、3mm、2mm的圓鋼作為卷?xiàng)U工具，特殊純拉桿可采用1mm圓鋼。圓鋼的準(zhǔn)備數(shù)量可能比所需卷的桿件數(shù)量多，目的是保證在紙桿沒(méi)干，圓鋼不能拔出來(lái)時(shí)，有用圓鋼繼續(xù)卷?xiàng)U。空心鋼管較為輕質(zhì)，一般在不拔出鋼管，紙桿搭接模型時(shí)用到。

主要受壓桿件盡可能采用8mm和6mm的桿件，根據(jù)受力情況不同，卷的層數(shù)不一樣，不宜超過(guò)3層。白卡紙較硬可用濕抹布稍稍抹濕，抹濕后較為柔軟，此時(shí)卷好桿件，桿件保持在實(shí)心圓鋼內(nèi)不拔出，這時(shí)將用濕抹布蘸取已經(jīng)稀釋好的白乳膠在白卡紙外表面均勻快速抹上一層，用吹風(fēng)機(jī)吹干后再次在外表面再抹一層膠水再次吹干，在整個(gè)桿件沒(méi)有完全干之前實(shí)心圓鋼不可以拔出，防止桿件沒(méi)有完全干而產(chǎn)生較大的彎曲。通過(guò)這種工序制作出來(lái)的桿件受壓性能非常好，桿件整體剛度高。受拉桿件采用直徑一般不大于6mm，純拉桿可采用2mm、3mm，采用白卡紙光滑層來(lái)制作，多層。在同等極限拉應(yīng)力作用下只用光滑層制作出來(lái)的桿件自重遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他制作方式，只在接口處涂膠水其余均不加膠水，防止桿件產(chǎn)生脆性。

4.4 節(jié)點(diǎn)處理

提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型的承載能力，要綜合考慮各方面因素。整體概念設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，節(jié)點(diǎn)處理要給以特別重視，用精湛的工藝制作出合格的構(gòu)件[1]。

根據(jù)桿件的受力情況不同對(duì)節(jié)點(diǎn)采用不同的連接方式進(jìn)行連接。大部分受力較小的桿件采用圖2連接方式粘接好膠水干后在外表面再次抹上膠水。

受力較大的拉壓桿件采用內(nèi)接涂膠再外包加固的方式連接如圖3。采用紙皮層包扎，紙皮層數(shù)看節(jié)點(diǎn)受力大小選取，節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力過(guò)大時(shí)可以在節(jié)點(diǎn)桿件內(nèi)部塞紙片以防止局部失穩(wěn)。

搭接最大的問(wèn)題就是角度問(wèn)題。要想快速準(zhǔn)確的搭接好每個(gè)角度，需要一個(gè)較為精細(xì)的模板，模板主要是確定角度與位置問(wèn)題。根據(jù)自身需要自己制作模板，模板數(shù)量可以超過(guò)2個(gè)，保證在膠水干之前有模板繼續(xù)搭接模型。搭接好之后必須對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢查，重新處理節(jié)點(diǎn)。為了避免部分桿件過(guò)于集中受力，整個(gè)模型拼接完成，膠水基本干后對(duì)接地桿件底部用砂紙刷平保證整個(gè)桿件底部全部接地。

4.5 傳力方式

最好的傳力方式是直接通過(guò)柱子傳到底部，不需要經(jīng)過(guò)任何梁傳遞給柱子。白卡紙做成的桿件軸向承載力高，抗彎抗剪抗扭性能非常差。若存在大量或者受力較大的剪力、彎矩的桿件，必須重新審視自己的模型該如何改進(jìn)，按照結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)來(lái)布置結(jié)構(gòu)體系，好鋼要用在刀刃上，保證荷載能快速傳到地面，這樣做成的梁與斜桿只要提高整體剛度與穩(wěn)定性就可以了，此時(shí)梁與斜桿受力將大大減小。對(duì)于水平力必須由斜桿直接傳遞到地面，不經(jīng)過(guò)柱子傳。這樣可以大大減小柱子的彎矩。制作任何一個(gè)模型主要還是設(shè)計(jì)出一個(gè)傳力好的結(jié)構(gòu)。保證最簡(jiǎn)潔快速的傳給地面。圖4為做好的模型正在豎向加載，滿載，即所提供的砝碼全部放置在上面。圖5對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行水平加載，水平荷載測(cè)試方法為保持豎向荷載狀態(tài)下指定在卸扣區(qū)域的節(jié)點(diǎn)施加水平荷載，一級(jí)加載成功，方可進(jìn)入下一級(jí)加載。加載成功是指模型在每一級(jí)荷載作用下，10秒過(guò)后，其結(jié)構(gòu)的變形和承載力仍能滿足要求。

5 心得體會(huì)

從校內(nèi)選拔賽到廣西區(qū)比賽歷時(shí)兩個(gè)月，在此期間我們用了大量時(shí)間對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與改進(jìn)。模型制作完成后，對(duì)模型施加荷載，施加荷載過(guò)程中我們還錄制了視頻，回放過(guò)程中抓取每一次首個(gè)破壞點(diǎn)，從受力分析和制作工藝方面不斷改進(jìn)模型。所制作的結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)能真實(shí)的模擬實(shí)體，通過(guò)模擬實(shí)體能直接表現(xiàn)出使用功能，施加荷載充分體現(xiàn)出承載能力。

參加廣西第六屆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)竟賽，我感到很充實(shí)很快樂(lè)，代表學(xué)校參加比賽，是我最大的榮譽(yù)。獲取獎(jiǎng)杯就是我們的目標(biāo)，努力做到最好就是我們前進(jìn)的動(dòng)力。要將結(jié)構(gòu)模型制作的更加完美必須將：結(jié)構(gòu)、手工、組織能力、分析能力、交流能力、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題解決問(wèn)題的能力，細(xì)心，耐心等集于一身。通過(guò)比賽，不僅可以認(rèn)識(shí)到很多新朋友，而且還提供有利機(jī)會(huì)，與其他院校學(xué)生相互交流和學(xué)習(xí)。競(jìng)賽過(guò)程中學(xué)到了許多知識(shí) ，見(jiàn)識(shí)了眾多學(xué)生的獨(dú)特創(chuàng)意。

結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)競(jìng)賽為大學(xué)生提供了一個(gè)展示自己結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力的平臺(tái)。同時(shí)能有效的培養(yǎng)和增強(qiáng)自身的計(jì)算分析能力、動(dòng)手實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)合作能力和逆境處理能力。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)竟賽可以發(fā)揮學(xué)生的聰明才智，對(duì)結(jié)構(gòu)形式創(chuàng)新，可以創(chuàng)新前所未有的結(jié)構(gòu)形式，也可以模仿和仿造已有的結(jié)構(gòu)局部，體現(xiàn)新的發(fā)展和突破。作為一個(gè)參賽選手必須知道：只有自己想不到的，沒(méi)有別人做不到的！在不違規(guī)的前提下，想法超越現(xiàn)實(shí)都是允許的，因?yàn)闆](méi)有人知道未來(lái)的發(fā)展情景，也許你的想法在未來(lái)就能成為現(xiàn)實(shí)。結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)競(jìng)賽歷時(shí)長(zhǎng)，雖然很累，但是能堅(jiān)持下來(lái)，你將會(huì)發(fā)現(xiàn)對(duì)你的成長(zhǎng)之路非常有用。大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽是培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、合作精神和工程實(shí)踐能力的學(xué)科性競(jìng)賽，為高等學(xué)校開(kāi)展創(chuàng)新教育和實(shí)踐教學(xué)改革、加強(qiáng)高校與企業(yè)之間聯(lián)系、推動(dòng)學(xué)科創(chuàng)新活動(dòng)起到積極示范作用[2]。參加結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽可以增強(qiáng)大學(xué)生的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐能力，全面考驗(yàn)土建專業(yè)大學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、設(shè)計(jì)技能、實(shí)踐動(dòng)手能力、合作精神等綜合素質(zhì)，這是土建類學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很好的第二課堂。

【參考文獻(xiàn)】

[[1]常建梅，郭飛宇.談結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽紙質(zhì)模型承載力提高措施[J].山西建筑，2011，40（15）：34-35.

[2]祝賀.全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽對(duì)大學(xué)生實(shí)踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的影響[J].科技視界，2014（28）：98，301.

[責(zé)任編輯：李書培]