劉健+陳英杰+朱海燕

[摘 要] 土木工程專業(yè)全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽已成為培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力的一個(gè)重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。文章從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽中材料選用和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則的角度出發(fā)，分析了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽在培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算能力、創(chuàng)新能力和綜合競賽能力的作用，探討結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模型制作應(yīng)注意的事項(xiàng)以及與實(shí)際工程的關(guān)系。

[關(guān)鍵詞] 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽；模型制作；創(chuàng)新能力；土木工程

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2017. 23. 108

[中圖分類號(hào)] G420 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1673 - 0194（2017）23- 0216- 02

0 前 言

全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽是培養(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)科性競賽，能夠提高大學(xué)生的創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力。從2005 年在浙江大學(xué)舉行第一屆全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽開始至今，今年將在武漢大學(xué)舉行第十一屆大賽。

通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽，使學(xué)生從專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)入手，通過理論分析、結(jié)構(gòu)計(jì)算和動(dòng)手制作等多個(gè)環(huán)節(jié)，通過合作溝通有效提高團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力，為高等學(xué)校實(shí)踐教學(xué)改革、加強(qiáng)校企合作和開展創(chuàng)新教育起到積極示范作用。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽題目來源于實(shí)際工程，故其模型設(shè)計(jì)需緊扣實(shí)際工程設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)過程需要土木工程專業(yè)專業(yè)知識(shí)，是了解學(xué)生是否掌握力學(xué)原理與分析方法、工程材料的基本性能和適用條件、結(jié)構(gòu)構(gòu)件的力學(xué)性能和計(jì)算原理等的最直接檢驗(yàn)[1-6]，可為學(xué)生今后從事工程設(shè)計(jì)、施工、管理和研發(fā)等工作奠定基礎(chǔ)。但是由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽制作的模型在材料選用、材料性能、設(shè)計(jì)原則和制作工藝等方面存在很大的差異。

1.1 材料選用不同

實(shí)際工程常用的結(jié)構(gòu)材料有混凝土、鋼材、砌體等。研究人員對(duì)材料的力學(xué)性能已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，按設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)使用。而全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽中，一般模型尺寸很小，多以便于手工制作的木片、竹片、有機(jī)玻璃、PVC 材料、硬卡紙或鋁材等作為模型制作材料，桿件之間采用膠作為粘結(jié)劑。這類材料的材性因生產(chǎn)廠家、外界環(huán)境、制作工藝等多種因素影響而存在較大差異性，沒有定性的指標(biāo)參考。

1.2 設(shè)計(jì)原則不同

實(shí)際工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)的以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)使用過程中結(jié)構(gòu)可能同時(shí)出現(xiàn)的荷載，按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分別進(jìn)行最不利荷載組合，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[1]。為保證結(jié)構(gòu)的可靠度，通過在設(shè)計(jì)表達(dá)式中采用作用分項(xiàng)系數(shù)和抗力分項(xiàng)系數(shù)來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，應(yīng)該對(duì)局部缺陷不敏感，不會(huì)因局部構(gòu)件破壞影響結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，因此，結(jié)構(gòu)應(yīng)有一定的安全儲(chǔ)備。

建筑設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)過程中最重要的兩個(gè)環(huán)節(jié)，建筑設(shè)計(jì)決定了建筑物的外形、布局和使用功能，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中占主導(dǎo)地位，因此，實(shí)際工程中更注重建筑方案的美觀、新穎和標(biāo)新立異，這往往使得結(jié)構(gòu)工程師不能選擇最經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)體系。

而競賽中則重在模型質(zhì)量和剛度，考查結(jié)構(gòu)體系的經(jīng)濟(jì)合理性，模型的外觀評(píng)分不超過 10% 。因此優(yōu)秀的模型結(jié)構(gòu)布置簡單、傳力路徑明確、質(zhì)量輕、剛度高、力學(xué)性能突出，而造型復(fù)雜、外形新穎、注重美觀的模型評(píng)分較低。

2 模型競賽對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)的提高

2.1 創(chuàng)新能力

土木工程專業(yè)大學(xué)生的創(chuàng)新能力是指運(yùn)用專業(yè)理論知識(shí)，在土木工程領(lǐng)域中不斷提供具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值、社會(huì)價(jià)值、生態(tài)價(jià)值的新思想、新理論、新方法和新發(fā)明的能力?！皠?chuàng)新”可以是創(chuàng)造前所未有的結(jié)構(gòu)形式，也可以是在模仿和仿造的同時(shí)在結(jié)構(gòu)局部體現(xiàn)新的發(fā)展。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽為學(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)，學(xué)生可以運(yùn)用專業(yè)知識(shí)和理論大膽嘗試新穎的結(jié)構(gòu)形式。在結(jié)構(gòu)模型的選型、計(jì)算分析、軟件應(yīng)用、計(jì)算書的編寫、模型制作和最終加載的各個(gè)環(huán)節(jié)，參賽學(xué)生需分工明確和通力合作，能有效提高學(xué)生的分析能力、計(jì)算能力、動(dòng)手能力、合作能力和應(yīng)變能力。

由此可見，即使根據(jù)結(jié)構(gòu)模型的受力特性可在實(shí)際生活中找到結(jié)構(gòu)原型，但為了更加追求結(jié)構(gòu)競賽的高分，參賽學(xué)生們的設(shè)計(jì)創(chuàng)意依舊會(huì)帶給大家耳目一新的感覺。

2.2 計(jì)算能力

一個(gè)優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)模型作品，不僅應(yīng)滿足競賽規(guī)定的外形尺寸和合理的結(jié)構(gòu)布置，還應(yīng)在靜力和動(dòng)力加載環(huán)節(jié)具有足夠的承載力和較好的剛度。雖然結(jié)構(gòu)模型剛度與質(zhì)量的關(guān)系很大。構(gòu)件截面因構(gòu)件制作的不同，剛度會(huì)有很大的差異，但是通過計(jì)算分析可以掌握結(jié)構(gòu)體系的傳力路徑、內(nèi)力分布和桿件受力特性。充分利用拉桿的抗拉性能對(duì)減小模型重量有很大幫助，而判斷構(gòu)件的拉壓性質(zhì)需通過對(duì)各加載工況進(jìn)行充分的受力分析方能判別，這就需要學(xué)生掌握一種常用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件或有限元分析軟件，如 sap2000、MIDAS和 ANSYS 等。因此，參賽學(xué)生認(rèn)真揣摩賽題后，需要利用專業(yè)知識(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化，通過計(jì)算分析確定合理的結(jié)構(gòu)型式，最終動(dòng)手制作模型。歷屆結(jié)構(gòu)模型競賽的結(jié)果表明，取得優(yōu)異成績的參賽作品均對(duì)結(jié)構(gòu)體系的受力特性做了充分研究分析，因此在結(jié)構(gòu)選型、荷載計(jì)算、內(nèi)力分析和承載能力估算過程中，學(xué)生的計(jì)算分析能力得到不斷的提升。

2.3 綜合能力

大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽目的在于鼓勵(lì)學(xué)生將理論與實(shí)踐相結(jié)合。參賽團(tuán)隊(duì)成員靈活運(yùn)用專業(yè)知識(shí)，鍛煉學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽要求學(xué)生組成3人小組參賽，由于在結(jié)構(gòu)方案確定、計(jì)算分析、計(jì)算書整理以及模型制作過程中有大量的工作要做，模型制作均在比賽現(xiàn)場完成。這就要求小組成員具有團(tuán)隊(duì)合作精神，成員之間分工明確、配合默契、通力合作，才能制作出精良的作品、最終在競賽中取得優(yōu)異的成績。學(xué)生在整個(gè)競賽過程中自然而然會(huì)主動(dòng)掌握很多知識(shí)，有些知識(shí)已超出了對(duì)本科生能力的要求，這也正是這類競賽活動(dòng)的意義所在。

為取得優(yōu)異成績，參賽學(xué)生需要制作多個(gè)模型進(jìn)行試加載，而加載成功與否對(duì)學(xué)生心智的磨練是其他教學(xué)活動(dòng)無法替代的。失敗乃成功之母，在失敗中找到結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)后不斷改進(jìn)，這樣不僅鞏固了團(tuán)隊(duì)的專業(yè)知識(shí)，同時(shí)也提升了團(tuán)隊(duì)克服困難的毅力，這正是土木工程專業(yè)人才所需要的素質(zhì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽促使學(xué)生有興趣、有目的、有動(dòng)力地學(xué)習(xí)，綜合能力得到極大提高。

3 結(jié) 論

通過對(duì)比大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽設(shè)計(jì)和實(shí)際工程設(shè)計(jì)，從材料選用和設(shè)計(jì)原則的角度出發(fā)，闡述結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)和實(shí)際工程設(shè)計(jì)的差異，分析了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽在培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力、計(jì)算能力和綜合能力等方面的培養(yǎng)。

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