馬航海 畢永輝 張旭輝 龍 超 袁 野 梁嬌嬌

(西北民族大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730030)

鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)模型設(shè)計(jì)與制作研究★

馬航海 畢永輝 張旭輝 龍 超 袁 野 梁嬌嬌

(西北民族大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730030)

鑒于本科生對(duì)鋼結(jié)構(gòu)模型制作過程中出現(xiàn)的問題探討較少，其實(shí)際制作對(duì)學(xué)生難度較大，以單層鋼結(jié)構(gòu)廠房教學(xué)模型為例，研究了實(shí)際創(chuàng)新制作過程中出現(xiàn)的問題，包括方案、構(gòu)件選型、材料、制作工具、制作方法選擇等，并進(jìn)行了有效解決，對(duì)促進(jìn)本科生進(jìn)行科研創(chuàng)新具有積極的意義。

模型，鋼結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新，方案

隨著國(guó)家對(duì)科研工作的重視程度越來越高，民族高校內(nèi)本科生參與科研的熱情也迅速被激發(fā)，本科生參與科研的氛圍也非常濃厚。鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、自重輕、抗震性能好、施工周期短、密閉性好以及環(huán)保經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)成為發(fā)展迅速的結(jié)構(gòu)形式[1]。在給學(xué)生教授鋼結(jié)構(gòu)課程后不久，一個(gè)學(xué)生小組提出要制作一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)的教學(xué)模型，作為一項(xiàng)校級(jí)本科生科研創(chuàng)新項(xiàng)目。在學(xué)生自我探索科研的過程中，從教師的角度對(duì)學(xué)生進(jìn)行了針對(duì)性的指導(dǎo)。在這個(gè)過程中，學(xué)生和老師進(jìn)行了良好的溝通、交流，一起解決遇到的新問題，對(duì)雙方都有很好的啟發(fā)。

1 項(xiàng)目啟動(dòng)

針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)的難題[2]，即相關(guān)概念比較抽象，需要很強(qiáng)的空間想象能力，教學(xué)缺少實(shí)體建筑時(shí)，學(xué)生理解知識(shí)的難度較大。為了減少學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，計(jì)劃制作具有直觀化等優(yōu)點(diǎn)的教學(xué)模型[3]。正值學(xué)校開始大力推動(dòng)本科科研創(chuàng)新項(xiàng)目，兩者結(jié)合，項(xiàng)目化制作鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)模型的科研得以立項(xiàng)。

2 方案初選

為了確定方案，研究小組調(diào)查了市場(chǎng)上的主流成品，并分析各自的優(yōu)缺點(diǎn)。單層鋼結(jié)構(gòu)廠房方案的選定查詢了湖南、蘭州、北京等模型制作公司的成品資料，結(jié)果顯示涉及鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)的模型較少而且也不全面，且價(jià)格高、樣品固定、針對(duì)性教學(xué)用途不明顯，因此初步選定方案為：自制鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)模型。為了使模型更有針對(duì)性與實(shí)用性，本文選擇了教學(xué)上常用的柱子、梁、板等主要構(gòu)件所形成的單層廠房作為初選方案[4]。

1)構(gòu)件選型。a.構(gòu)件模型資料收集：由于市場(chǎng)上成品的針對(duì)性不足，在一定程度上影響了其利用價(jià)值。因此，本文主要基于教材范圍內(nèi)考慮設(shè)計(jì)內(nèi)容及形式以便更好貼近教學(xué)實(shí)踐及應(yīng)用。b.主要構(gòu)件:柱、梁、板。c.柱子類型選擇：采用綴板式、綴條式、工字形三種常用截面類型。d.梁組合形式選擇：采用受力簡(jiǎn)潔的桁架式屋架梁。e.圍護(hù)結(jié)構(gòu)：采用單層塑料板作為圍護(hù)隔斷。2)尺寸選擇：由于鋼結(jié)構(gòu)實(shí)體尺寸較大，為了制作和使用方便，模型采用縮小比例制作。3)材料選擇：4 mm燈飾塑料板材、泡沫板、螺栓、三氯甲烷。4)工具選擇：勾刀、鉆孔機(jī)、切割機(jī)、尺規(guī)、墨線筆、針管注射器。5)成果：?jiǎn)螌愉摻Y(jié)構(gòu)廠房模型。

3 方案申報(bào)

3.1 方案特點(diǎn)與創(chuàng)新點(diǎn)

本項(xiàng)目可以幫助教師增加教學(xué)方式，改善教學(xué)效果；同時(shí)可以鍛煉學(xué)生的科研能力；創(chuàng)新點(diǎn)在于學(xué)生自己設(shè)計(jì)、自己選材、制作模型，充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新思維，使制作的模型相對(duì)實(shí)用，教學(xué)針對(duì)性更強(qiáng)。

3.2 研究意義、價(jià)值

教學(xué)模型按照一定的比例制作，可以立體、直觀、部分透明地展示建筑物的各種構(gòu)件的組合，科學(xué)合理的展示建筑構(gòu)件、建筑節(jié)點(diǎn)、建筑結(jié)構(gòu)層次及建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)[3]。本項(xiàng)目提出一種以模型表現(xiàn)其受力及構(gòu)造實(shí)物情景，不僅幫助學(xué)生理解鋼結(jié)構(gòu)的整體和具體構(gòu)件，還能以實(shí)物分析其構(gòu)造，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并幫助他們樹立學(xué)習(xí)的信心。為學(xué)生提供直接的幫助，也在一定程度上減少了教師的教學(xué)壓力，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的有效提升。

3.3 可行性分析

1)本項(xiàng)目采用有機(jī)玻璃制作鋼構(gòu)件，模型直觀性好。2)材料：有機(jī)玻璃市場(chǎng)易得，材料性能符合模型要求。3)粘結(jié)材料：采用有機(jī)玻璃專用膠結(jié)材料。4)工具：根據(jù)切割及制作要求，在市場(chǎng)上購買相應(yīng)制作工具。5)場(chǎng)地：學(xué)院模型制作專用教室。6)項(xiàng)目制作時(shí)間相對(duì)靈活，組員可自己選擇在空閑時(shí)間制作，為項(xiàng)目提供時(shí)間支持。組員動(dòng)手能力較強(qiáng)、愛思考、勤奮刻苦；指導(dǎo)老師從事了多年鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)、積累了大量的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，這些都將為項(xiàng)目的順利進(jìn)行提供保障。

3.4 研究進(jìn)度計(jì)劃

1)全體組員實(shí)行動(dòng)態(tài)制作機(jī)制，以便充分利用時(shí)間，并定期開會(huì)討論：變更方案及解決制作難題。2)制圖時(shí)間為1個(gè)月，采用CAD軟件繪制，同時(shí)統(tǒng)計(jì)材料使用量。3)購買材料和工具為期10 d。4)制作階段計(jì)劃4個(gè)月。共計(jì)用時(shí)6個(gè)月左右。

3.5 研究成果

1)總結(jié)在項(xiàng)目進(jìn)行過程中的經(jīng)驗(yàn)和有益結(jié)論，整理并匯總，作為本科科研創(chuàng)新的一項(xiàng)成果。2)通過將制作好的模型應(yīng)用于教學(xué)，為學(xué)生節(jié)省大量理解記憶的時(shí)間，減小學(xué)習(xí)難度，減少教師的教學(xué)壓力，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對(duì)教學(xué)產(chǎn)生良好促進(jìn)。

3.6 經(jīng)費(fèi)預(yù)算

本項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)主要用于材料和制作工具的購置。具體計(jì)劃為：板材購買花費(fèi)約1 000元；工具購買約300元；輔助材料約200元；資料、交通費(fèi)約300元；共計(jì)1 800元。

4 制作方案確定

4.1 制作方案意見匯總及討論過程

1)指導(dǎo)老師就自制教學(xué)模型方案做了如下建議。盡量完成一個(gè)復(fù)雜單體的制作以方便綜合學(xué)習(xí)；柱子、梁等構(gòu)件類型應(yīng)多樣；考慮其制作的精密，采用具有腐蝕性的粘結(jié)材料三氯甲烷；如時(shí)間緊，也可采用熔融玻璃膠粘結(jié)；組員分工應(yīng)明確，確保全員參與。2)小組討論意見。屋面采取泡沫質(zhì)材料以便于細(xì)部裁剪制作及整體塑形與修改；柱子錨固螺栓采用普通螺栓以便于材料購買及安裝，提高模型的真實(shí)性。經(jīng)討論決定采用指導(dǎo)老師提議及小組方案的結(jié)合為實(shí)施方案。

4.2 采購過程方案修改意見

由于采購過程中發(fā)現(xiàn)制作板材中PVC板材質(zhì)強(qiáng)度較低，后改為強(qiáng)度韌度較高的燈飾板材；制作工具采用刻畫勾刀，方便加工。

4.3 初步制作過程方案修改意見

初步制作過程發(fā)現(xiàn)柱子高度不能按照實(shí)際尺寸做，后將高度縮小為1∶5，橫截面保留原尺寸；由于刻畫勾刀使用過程中損壞較大、制作精度低、批量化操作工作效率下降，導(dǎo)致制作時(shí)間增加，后采用高速旋轉(zhuǎn)型砂輪切割機(jī)提高了工作效率；由于鉆孔機(jī)打眼導(dǎo)致板材碎裂，后改用三氯甲烷腐蝕融洞法解決了鉆孔問題，但三氯甲烷化學(xué)試劑的使用增加了制作的危險(xiǎn)性。

4.4 最終制作方案

1)尺寸規(guī)格：各主要部件：柱子360 mm×800 mm；軌道梁100 mm×1 000 mm；屋架為：60 mm×1 200 mm。2)總平面：1 200 mm×2 000 mm×1 200 mm。3)材料：4 mm燈飾塑料板材、泡沫、螺栓、玻璃膠棒、三氯甲烷。4)工具：勾刀、切割機(jī)、尺規(guī)、墨線筆、針管注射器。

5 制作實(shí)施

1)圖紙繪制：方案效果圖(見圖1，圖2)、總平面圖、各構(gòu)件詳圖；圖紙校核。2)板材裁制：繪制裁割線、裁剪、片材磨修、粘結(jié)、組合、校核。3)構(gòu)件粘結(jié)、校核、模型修改、美化。

6 結(jié)語

模型用于教學(xué)應(yīng)用效果明顯，學(xué)生能夠節(jié)省大量理解記憶的時(shí)間，并且為學(xué)習(xí)易誤解處、難理解處帶來了特別直觀的認(rèn)識(shí)，為教學(xué)帶來很大便利，很好地體現(xiàn)了項(xiàng)目的初衷。在實(shí)踐過程中組員的動(dòng)手能力、分析、協(xié)同合作、解決問題的能力都得到了很好的鍛煉，與老師之間的溝通能力也顯著提升，對(duì)科研有了更多的理解和個(gè)人感受，有效地激發(fā)了學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)和創(chuàng)新的興趣。

[1] 戴國(guó)欣.鋼結(jié)構(gòu)[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2012.

[2] 劉凌云.鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)改革初探[J].教育與職業(yè)，2007(29)：35-36.

[3] 余志紅，林從華，蔡壁新，等.建筑模型在建筑設(shè)計(jì)教學(xué)中的運(yùn)用[J].高等建筑教育，2008(6)：53.

[4] 劉 捷，馬 馳.房屋建筑模型教具制作探討[J].武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院黨報(bào)，2010(1)：21-22.

[5] 郭榮玲.輕松讀懂鋼結(jié)構(gòu)施工圖[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

Research on teaching model design and production of steel structure★

MA Hang-hai BI Yong-hui ZHANG Xu-hui LONG Chao YUAN Ye LIANG Jiao-jiao

(CivilEngineeringCollege,NorthwestUniversityforNationalities,Lanzhou730030,China)

In view of the problems discussion were less of undergraduates in steel structure model production process, its actual production to students with larger difficulty, taking the workshop teaching model of monolayer steel structure as an example, this paper researched the problems in practical innovation production process, including scheme, component selection, materials, production tools, production methods etc., and conducted effective to solve, had positive significance for scientific research and innovation to promote undergraduates.

model, steel structure, innovation, scheme

1009-6825(2014)34-0248-02

2014-09-20★：2014年西北民族大學(xué)校級(jí)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目

馬航海(1980- )，男，碩士，講師

G642.0

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