黎永索

摘要：

為了提高大學生培養(yǎng)質量，探索學科競賽在高校人才培養(yǎng)中的作用，提高土建類大學生結構設計競賽的命題與組織水平，為土建類專業(yè)學科競賽營造一個公平的競爭環(huán)境，文章結合湖南省第二屆大學生結構設計競賽的命題設計和比賽實踐，分析了競賽規(guī)程和賽題設計的特色與創(chuàng)新點，探討了促進競賽公平的措施和競賽規(guī)程的不足。實踐表明，結構設計賽題對指導教師和參賽學生都是一個挑戰(zhàn)，學科競賽需要工程理論與實踐相結合，評分標準和權重需要深入探討。

關鍵詞：學科競賽；結構設計；土木工程；實踐教學

中圖分類號：G642461；TV318 文獻標志碼：A 文章編號：

10052909（2014）05012305

中國經(jīng)濟經(jīng)過多年發(fā)展已進入新的歷史時期，國家對高校培養(yǎng)應用型人才提出了新的要求，希望通過培養(yǎng)數(shù)以億計的工程師、高級技工和高素質職業(yè)人才，提高中國制造和中國裝備的市場競爭力，進一步促進經(jīng)濟提質增效升級，滿足人民群眾生產(chǎn)生活多樣化的需求[1-3]。以探索培養(yǎng)大學生創(chuàng)新意識、合作精神和工程實踐能力為目的的學科性競賽，為高等學校開展創(chuàng)新教育和實踐教學改革、加強高校與企業(yè)之間的聯(lián)系、推動學科創(chuàng)新活動起了積極的示范作用。因此從國家級到省級的學科性比賽，都得到了相關高校的積極響應[4-7]。湖南省第二屆大學生結構設計競賽于2013年12月6～9日在湖南城市學院舉行，對此次競賽的賽題設計和比賽實踐進行總結與研究，對促進學科競賽在土建類應用型人才培養(yǎng)中發(fā)揮更大的作用具有積極意義。

一、賽題簡介

湖南省第二屆結構設計競賽題目為“承受豎向偏心靜荷載的對稱木質結構模型設計與制作”，結構類型不限。該命題追求的是用最少的材料，制作最佳的結構模型，最大限度發(fā)揮材料的力學性能，體現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保的理念。

（一）結構設計的基本要求

結構模型尺寸按照空間直角坐標投影（偏差限為2.0 mm），模型寬度為300～400 mm，模型最大高度為100 mm，模型最小長度為1 200 mm（加載跨度l=1 200 mm）；模型橫截面具有豎向對稱軸，模型具有縱向對稱面；模型總質量不超過2 000g（偏差限2g）。

（二）模型制作的基本要求

由競賽組委會現(xiàn)場統(tǒng)一提供相同規(guī)格的房屋裝修材料，紅梨木線條作為結構模型制作材料，其長、寬、厚分別為2 200 mm、12 mm、4 mm?，F(xiàn)場統(tǒng)一提供相同規(guī)格型號的模型制作工具，包括美工刀、鋼鋸、鋸條、3 m鋼卷尺、60 cm直尺、三角板、2B鉛筆、白紙、砂紙、502膠、手套。

在指定時間和地點現(xiàn)場制作模型，結構模型制作必須且只能使用競賽籌備工作組現(xiàn)場統(tǒng)一提供的制作材料和工具制作模型。現(xiàn)場制作的結構模型必須與提交的設計文件一致，在模型上表面標示模型的跨中截面和縱對稱面位置，以便加載。

（三）加載裝置與加載要求

1.模型加載裝置

模型加載裝置及加載效果如圖1，模型加載為簡支加載方式，支座為兩根外徑20 mm的鋼管，一根固定，一根可滾動，支座跨度1 200 mm，加載位置為模型跨中截面。

圖1 加載效果圖

模型加載平面如圖2（a）所示，模型加載立面如圖2（b）所示，模型加載剖面如圖2（c）所示，上下加載梁平面圖分別如圖2（d）、圖2（e）所示。上下梁之間采用鋼桿剛性連接成框架，下加載梁通過鋼絞線經(jīng)變換方向后與加載吊籃連接，如圖1所示。

圖2 加載示意圖 （單位：mm）

在上梁上設置有2個加載點（加載點為長20 mm，直徑25 mm的實心金屬短圓柱體，間距150 mm），一個點作用于模型跨中截面對稱軸上，另一個點作用于模型跨中截面離對稱軸150 mm處。2個位移測點布置在相應加載點位置的上梁上表面。

2.模型加載方式

加載總重量包括加載框架及吊籃重量約8.5 kg和砝碼150 kg。加載框架及吊籃重量作為預加載，吊籃安裝后位移計清零。模型跨中布置3個加載點，如圖2（a）所示，由各校選派的學生監(jiān)督代表指定其中的兩個加載點位置加載（目的是確定模型是否縱向對稱），可以指定最弱點加載，參賽隊不得有異議。監(jiān)督代表與參賽模型為同一學校的采用回避制。

每件參賽模型分二級加載（加載只能單調增加荷載，不允許先卸載后加載），第一級加載100 kg，第二級加載50 kg。加載吊籃穩(wěn)定15秒后，位移計清零。每級加載保持持20秒后，讀取相應級別位移。兩級加載砝碼的時間間隔不得超過40秒。

3.加載及測試

將結構固定在加載臺上，穩(wěn)定后進行砝碼加載；加載成功后測撓度；保留荷載，進行下一級的加載；加載結束。

加載過程由參賽隊自己完成；加載過程只允許加載圓柱底面接觸模型；加載不可以撤銷，一旦砝碼完全接觸到加載吊籃，就必須加載下去，不可返回操作，由工作人員監(jiān)督。

（四）模型合格性與雷同性評審

（1）加載前由競賽評比委員會對模型進行合格性評審。使用了比賽規(guī)定以外的材料、超出模型限制尺度，以及其他不適應賽事主辦方提供的檢測裝置的模型視作不合格模型，不合格模型不予加載機會。

（2）同一參賽學校模型的雷同性評判由競賽評比委員會投票表決，在加載前對同一個參賽學校的模型進行雷同性審查。同一學校的模型雷同性定義為主要的結構體系相同，同一參賽學校結構模型形式由競賽評比委員投票表決，超過50%的專家投票認為雷同的則認定雷同，認為雷同的模型允許全部加載，但只取其中成績最好的模型，其他雷同的模型取消成績。

（五）模型加載試驗

（1）加載分二級，由各競賽組學生自己操作，工作人員協(xié)助。

（2）位移測量：位移測量由工作人員讀數(shù)并記錄，記錄表一式兩份，一份交評委組，一份由競賽組保存。endprint

（3）操作要求：在跨中截面設置兩個豎向位移測量點，測試設備為電子位移計及相關采集儀，位移精確到0.01 mm；當測點豎向位移超過位移計量程（量程為50.00 mm）時，視為模型加載失敗。如果是第一級荷載下位移超過量程，則該模型無位移成績。如果是在第二級加載下超過位移量程，則第一級為有效加載，第一級荷載位移成績作為評獎候補。

（六）競賽評分細則

總分為100分，分三項計分，其中理論分析10分，結構體系與模型制作10分，加載試驗80分，按照總分確定排名。

1.理論分析評分

按設計說明書、方案圖和計算書內(nèi)容的完整性、正確性評分。理論分析由競賽評比委員會在結構模型加載前進行評定。

評分前每件結構模型的設計資料隱去任何有關參賽單位（參賽隊）的信息，只標注由競賽籌備工作組統(tǒng)一提供的分組序號。評分方式采取去掉最高分、最低分后，得分取平均值。

2.結構體系與模型制作評分

根據(jù)模型結構的構思、造型和結構體系的合理性、實用性和創(chuàng)新性，以及制作工藝情況評分。評分前，每件結構模型只標注統(tǒng)一提供的分組序號，由競賽評比委員會在結構模型加載前進行評定。評分方式采取去掉最高分、最低分后，得分取平均值。

模型重量、模型尺寸及材料使用不符合設計制作要求的，或參賽中有其他違規(guī)現(xiàn)象的將直接被淘汰，不進入加載試驗階段。

3.加載試驗評分標準

二、賽題創(chuàng)新性分析

（一）加載試驗的創(chuàng)新性

賽題設計來源于工程實踐，荷載模擬汽車偏心荷載靜止作用在橋梁上，需考慮橋梁的橫向分布系數(shù)。為簡化試驗，僅模擬2個輪壓，考慮結構模型的高度限制，結構模型整體主要考慮承受彎矩和扭矩作用，結構的多樣性與復雜性給設計提出了更多的想向空間，可以激發(fā)學生的創(chuàng)新性與創(chuàng)造性。

（二）加載裝置的創(chuàng)新性

為確保加載試驗裝置的安全、穩(wěn)定性，實現(xiàn)加載試驗的公平性，命題組通過深入分析，研究出一種安全性高、操作簡單的多功能結構模型試驗裝置，并申報了專利“建筑結構模型實驗裝置”。該裝置通過滑動滑桿和改變加載梁上加載金屬圓柱的位置，可進行多種方式的加載實驗。采用該裝置進行實驗，操作簡單，加載功能多，容易實現(xiàn)結構設計競賽的目的，效果好，成本低。

（三）評審創(chuàng)新性

湖南省大學生結構設計競賽已經(jīng)舉行多次，由于制定的規(guī)則欠嚴謹，很多學校過于追求競賽的成績，常利用規(guī)則的漏洞獲取理想的成績。比賽中同一所學校的參賽隊伍制作的模型雷同率非常高，限制了學生創(chuàng)新性的發(fā)揮，比賽結果也常受到質疑，沒有達到競賽的目的。此次競賽規(guī)程明確提出在比賽前對競賽模型進行合格性與雷同性評審，將爭議解決在比賽前。同時，通過雷同性評審也促使同一所學校的各代表隊發(fā)揮創(chuàng)意，避免雷同。有了雷同性評審的要求，比賽過程中沒有出現(xiàn)同一所學校有雷同性結構模型的現(xiàn)象，比賽比往年更具創(chuàng)新性，也更加精彩。

三、作品創(chuàng)新性解析

（一）特色制作工具

比賽指定了比賽制作工具，不能自帶工具進場。吉首大學的參賽隊伍利用提供的工具制作的微型刨子是仿照木工的刨子制作而成的（圖3），獲得專家和學生的好評?！肮び破涫拢叵壤淦鳌?，由于工具的優(yōu)越性，吉首大學的學生制作模型時得心應手，制作的模型也是最輕的，具有很大的優(yōu)勢，加之準備充分，最終獲得優(yōu)異的成績。

圖3 用自制刨子加工木條

（二）特色結構模型分析

參賽要求制作的是一個承受偏心荷載的空間結構，其力學分析不能簡單地簡化為平面結構，不能精確計算，用軟件計算對參賽選手的要求較高，給結構模型的設計和制作增加了難度。從獲得較好成績的作品來看，縱向2品桁架較3品桁架具有優(yōu)勢，而湖南城市學院3個參賽作品（圖4）特色明顯。3個作品各具特色，不具雷同性，圖4（a）空間結構受力明顯，結構輕盈；圖4（b）和圖4（c）有異曲同工之妙，均有將中間受力點上的荷載向縱向承重桁架的支座移動的特點，可以有效減小縱向承重桁架的跨中的彎矩和變形。類似簡支梁受力與彎矩圖見圖5。

圖4 湖南城市學院參賽作品

圖5 簡支梁荷載等效與彎矩圖

（三）參賽策略性分析

結構模型是現(xiàn)場制作，各參賽隊伍選手之間可以相互交流和借鑒。長沙理工大學的幾只參賽隊伍在模型制作的時候，都是先制作3品桁架，最終只拼裝了2品桁架，這時作品制作已經(jīng)進入尾聲，不可能再進行調整，達到了誤導別人的目的。長沙理工大學的參賽作品都比較輕，取得的綜合成績也最好。此外，還有幾所學校采取的思路頗具孫臏賽馬的策略，參賽作品的模型重量差別明顯，以期在比賽中獲得預期效果。

四、結語

（1）結構設計賽題對指導教師和參賽學生都是一個挑戰(zhàn)。結構模型超常規(guī)設計與制作是制勝的關鍵因素之一，沒有創(chuàng)新性的作品，很難從眾多參賽作品中脫穎而出。作品的創(chuàng)新性，需要發(fā)揮指導教師和參賽學生的智慧。

（2）理論與實踐相結合具有重要意義。賽題不同于一般的工程實踐，光有理論是不夠的，需要經(jīng)過不斷的實踐，在實踐中發(fā)現(xiàn)問題，再設法解決問題。綜合成績比較好的幾所高校，都是比較注重實踐操作的，準備也非常充分。

（3）模型重量分與變形控制分權重的合理性。作為賽題命題方，期望比賽能夠反映低碳理念，但對結構的強度和剛度的計算權重確定不盡合理?；谥谱髂Ｐ偷哪静碾x散性較大，且沒有進行詳盡的實驗分析，模型重量計分權重為45%，變形控制分權重為35%，其權重的合理性有待進一步探討。參考文獻：

[1] 盧惠民，李 迅，徐曉紅，等.合作學習教學模式在學科競賽中的應用研究[J].高等教育研究學報， 2013，36（3）：80-82.

[2]張學敏.學科競賽驅動下的大學生自主開放實驗創(chuàng)新探索[J].現(xiàn)代教育技術，2013，23（5）：113-116.endprint

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[4]程濤. 結構模型競賽與土木工程應用型人才的培養(yǎng)[J].實驗技術與管理， 2010， 27（5）： 133-136， 139.

[5]柏連陽， 蔣建初， 盛正發(fā). 基于學科競賽的新建本科院校技術創(chuàng)新人才培養(yǎng)探析[J].中國高教研究， 2010，（8）： 65-67.

[6]王素坤. 競教結合提升學生科技創(chuàng)新能力的實踐[J]. 中國高?？萍寂c產(chǎn)業(yè)化， 2010，（9）： 48-49.

[7] 藺永政 朱紅巖. 學科競賽促進計算機類創(chuàng)新型人才培養(yǎng)和深化實踐教學改革的探討[J]. 大學教育， 2013， （6）：114-115.

Design and practice of the undergraduate structural design competition

LI Yongsuo

（School of Civil Engineering， Hunan City University， Yiyang 413000， P. R. China）

Abstract：

In order to improve the undergraduates training quality，the role in the competition of talent cultivation in colleges and universities was explored，the proposition and organizational level of civil engineering structure design competition were improve，and a fair competition environment in civil engineering disciplines was build. Combined with the proposition design and game practice hosted the second session of the university student structural design competition in hunan province，the competition rules and the problem characteristics and the innovation points of contest problems design were analysis，to discuss the measures to promote fair competition and the lack of competition rules. The practice shows that it is a challenge to take part in the course contests of structural design for both guide teacher and students， which needs the theory and practice of engineering be combined， criteria and weight of scoring be discussed.

Keywords： course contests； structure design； civil engineering； practice teaching

（編輯 王 宣）endprint

[3]薛艷茹，劉敏，趙彤，等. 依托學科競賽提高地方院校大學生創(chuàng)新能力[J].實驗技術與管理，2013， 30（6）：170-173.

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Design and practice of the undergraduate structural design competition

LI Yongsuo

（School of Civil Engineering， Hunan City University， Yiyang 413000， P. R. China）

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In order to improve the undergraduates training quality，the role in the competition of talent cultivation in colleges and universities was explored，the proposition and organizational level of civil engineering structure design competition were improve，and a fair competition environment in civil engineering disciplines was build. Combined with the proposition design and game practice hosted the second session of the university student structural design competition in hunan province，the competition rules and the problem characteristics and the innovation points of contest problems design were analysis，to discuss the measures to promote fair competition and the lack of competition rules. The practice shows that it is a challenge to take part in the course contests of structural design for both guide teacher and students， which needs the theory and practice of engineering be combined， criteria and weight of scoring be discussed.

Keywords： course contests； structure design； civil engineering； practice teaching

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[3]薛艷茹，劉敏，趙彤，等. 依托學科競賽提高地方院校大學生創(chuàng)新能力[J].實驗技術與管理，2013， 30（6）：170-173.

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[6]王素坤. 競教結合提升學生科技創(chuàng)新能力的實踐[J]. 中國高?？萍寂c產(chǎn)業(yè)化， 2010，（9）： 48-49.

[7] 藺永政 朱紅巖. 學科競賽促進計算機類創(chuàng)新型人才培養(yǎng)和深化實踐教學改革的探討[J]. 大學教育， 2013， （6）：114-115.

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LI Yongsuo

（School of Civil Engineering， Hunan City University， Yiyang 413000， P. R. China）

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In order to improve the undergraduates training quality，the role in the competition of talent cultivation in colleges and universities was explored，the proposition and organizational level of civil engineering structure design competition were improve，and a fair competition environment in civil engineering disciplines was build. Combined with the proposition design and game practice hosted the second session of the university student structural design competition in hunan province，the competition rules and the problem characteristics and the innovation points of contest problems design were analysis，to discuss the measures to promote fair competition and the lack of competition rules. The practice shows that it is a challenge to take part in the course contests of structural design for both guide teacher and students， which needs the theory and practice of engineering be combined， criteria and weight of scoring be discussed.

Keywords： course contests； structure design； civil engineering； practice teaching

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