范衛(wèi)琴，曾武華，張紅章

（1.三明學(xué)院 建筑工程學(xué)院，福建 三明 365004；2.三明學(xué)院 工程材料與結(jié)構(gòu)加固福建省高等學(xué)校重點實驗室，福建 三明 365004）

大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、動手能力、實踐能力及團結(jié)協(xié)作能力等為宗旨，以培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題能力為目標，在全國高校中盛行并不斷成長壯大[1-2]。福建省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽始于2008年，至今已成功舉辦十屆。每一屆結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽，均展現(xiàn)了別具一格的賽題、緊張而有序的模型制作過程、精彩而刺激的比賽加載現(xiàn)場以及做工精巧的結(jié)構(gòu)作品等，值得我們?nèi)ンw會、學(xué)習(xí)和傳承，但同時也存在一些瑕疵，需要我們?nèi)タ偨Y(jié)、回顧和反思。以福建省第十屆結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽為背景，從賽題的定制、模型優(yōu)化設(shè)計、計算書的制作、最終競賽和決賽等方面，探討了本次結(jié)構(gòu)競賽中的成功之處，同時反思了本次結(jié)構(gòu)競賽中的不足，以總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)。

1 賽事簡介

福建省第十屆大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽以“竹材建筑結(jié)構(gòu)模型設(shè)計、制作和加載試驗”為賽題，參賽者利用競賽組委會提供的竹條、竹皮、熱熔膠等材料，在規(guī)定條件下進行模型制作并編寫設(shè)計書，最后按要求對結(jié)構(gòu)加載。

1.1 模型要求

總體模型由加載臺和建筑模型兩部分組成，如圖1所示。模型加載平臺板為1 100 mm×1 100 mm的實木平臺（厚度18 mm），通過高強螺桿與加載臺底座連接，加載臺右側(cè)為水平向加載裝置。

上部建筑屬平面和立面不規(guī)則建筑。由三個總層數(shù)分別為 3、4和 5的子結(jié)構(gòu)組成，底層平面為“L”形（圖1和圖2，各子結(jié)構(gòu)的位置不允許變動）。建筑平面軸網(wǎng)尺寸為900 mm×900 mm，各擬設(shè)的柱子間距為150 mm，其中 6個角柱為必選項，均應(yīng)設(shè)置（用“□”符號表示，并進行了編號），而其余柱子為可選項（用“○”符號表示），按需設(shè)置。結(jié)構(gòu)層高最少為 210 mm（層高計算到樓面或屋面），同層樓（屋）面標高應(yīng)一致，總建筑高度（計算至最高點）不超過1 200 mm。結(jié)構(gòu)類型不限，但室內(nèi)空間不允許設(shè)置空間斜撐（垂直投影線與建筑軸線不共線的支撐均定義為空間支撐）。

1.2 施加荷載

賽題要求所制模型上部建筑各層每150 mm×150 mm的平面面積內(nèi)始終均施加500 g的豎向荷載。其他荷載的施加分兩階段進行。

第一階段：在模型加載平臺板的右側(cè)分級進行水平力的加載和釋放。第一級20 kg，第二級30 kg，第三級為自選項目，該級配重應(yīng)大于30 kg且增量最小單位為1 kg，加載上限為50 kg。 按等級由小到大依次加載，每級荷載施加完成后，在規(guī)定時間范圍進行荷載釋放，在確保結(jié)構(gòu)不發(fā)生失效的前提下進行下一級加載。

第二階段的加載是以第一階段模型完好為前提條件，以拆除底層柱的形式進行。該階段分二級進行拆除：第一級：拆除1個“角柱”（圖1所示）；第二級：為自選項目，拆除1個“中柱”。每一次加載完成后，模型靜置20 s不出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效，則判定該次加載成功。

圖1 建筑模型和加載臺平、立面示意圖Figure 1 The plane and elevation view of building model and loading table

圖2 建筑模型效果圖Figure 2 Design sketch of building model

2 競賽的反思與探討

2.1 關(guān)于賽題

賽題思路來源于美國 “9.11”世貿(mào)雙子塔倒塌事件，國內(nèi)外專家學(xué)者認識到傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)只保證“安全性、適用性和耐久性”的設(shè)計理念，在目前大環(huán)境下存在一定的不足或缺陷，并據(jù)此提出了另一項保證指標—— — 結(jié)構(gòu)魯棒性（Structural Robustness）。國際標準ISO 2394（1998）《結(jié)構(gòu)可靠性通則》將結(jié)構(gòu)魯棒性定義為：“結(jié)構(gòu)在火災(zāi)、爆炸、沖擊以及各種人為錯誤或破壞等突發(fā)事件作用下，不發(fā)生與初始破壞不成比例的大范圍倒塌的能力?！?/p>

“每150 mm×150 mm的平面面積內(nèi)始終均施加500 g的豎向荷載”這一階段模擬的是結(jié)構(gòu)承受的豎向荷載；第一階段的水平振動模擬的是建筑物承受地震、撞擊等因素引起的振動作用；第二階段中拆除角柱和中柱的設(shè)計則是模擬結(jié)構(gòu)物局部發(fā)生破壞對結(jié)構(gòu)整體的影響，即體現(xiàn)結(jié)構(gòu)魯棒性。賽題與時俱進，凸顯了新的時代下人們對保障建筑物安全的更高準則，也是本次競賽的創(chuàng)新所在。

賽題的本意是希望模型的主體結(jié)構(gòu)在承受豎向荷載和水平振動之后，主體受力構(gòu)件一旦失效，結(jié)構(gòu)剩余部分還有抵抗連續(xù)倒塌的能力。從參賽作品來看：學(xué)生充分分析了加載要求，利用賽題漏洞，為保證第二階段加載的絕對安全，在后續(xù)將要截斷的柱子范圍內(nèi)設(shè)置是受力忽略不計的構(gòu)件（圖3），圖3中藍色填充的方框表示本次競賽參賽作品出現(xiàn)的主要受力柱子的平面布置情況，黑色未填充的方框表示賽題強制設(shè)置的柱子位置，為減輕模型重量，此位置處的柱子都是用竹皮或最細的竹條做象征性的擺設(shè)而已。雖然沒有違反賽題規(guī)則，但其實從結(jié)果來看，這樣的模型在賽題所規(guī)定的加載過程中并沒有真正體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的魯棒性。如要真正體現(xiàn)賽題設(shè)計的初衷，筆者認為賽題應(yīng)該規(guī)定為：拆除對象為主要受力構(gòu)件之一——不論主要受力構(gòu)件置于何處。

從建筑抗震理念出發(fā)，圖3所示的設(shè)計方法也違背了建筑結(jié)構(gòu)抗震原理。若果要讓建筑更有利于抗震，應(yīng)該增加建筑物的整體剛度。這意味著：在用料相同的前提下，應(yīng)該是將主要受力構(gòu)件分散在結(jié)構(gòu)周邊布置更合理[3-4]，但是圖3中所有的主要受力柱均布置在結(jié)構(gòu)內(nèi)部。

除此之外，結(jié)構(gòu)自始至終均施加500 g的豎向荷載，是以標準形式的鐵塊放置在150 mm×150 mm的平面內(nèi)來實現(xiàn)的，賽題的初衷是模擬建筑物要承受的豎向恒載和活載，既然是房屋，從使用功能上講，肯定是會設(shè)置樓面板的，賽題沒有明確要求有樓板設(shè)置，所以很多作品為了減輕重量，理所當然的在樓板的區(qū)間沒有設(shè)置樓板，僅用幾根竹條或竹皮來做了次梁，這種做法也違背了建筑結(jié)構(gòu)的基本使用功能。

圖3 柱子所在位置的平面布置圖Figure 3 The plane layout of the column position

賽題命題是保證競賽成功、競賽有意義有水平的關(guān)鍵，這就要求題目不能天馬行空不切實際，既要從實際中來，又要求難度不能過大，還要防止漏洞，同時也要考慮到競賽評審的科學(xué)性和可操作性，以及測試儀器研發(fā)和指標設(shè)定的科學(xué)性、準確性、客觀性，減少人為主觀因素的干擾，以體現(xiàn)競賽的公平性和公正性。

2.2 關(guān)于計算書

賽題中計算書評分部分僅占總分的10%，存在只重視模型的制作，不重視理論分析的現(xiàn)象。實際參賽中，大部分學(xué)生是先把模型制作好，結(jié)構(gòu)定型后才進行受力分析并制作計算書。由于模型制作的成本不高，所以學(xué)生實際是將模型進行多次的加載試驗來優(yōu)化設(shè)計，嚴重缺乏理論分析。這與結(jié)構(gòu)先設(shè)計后施工的工程順序相悖。賽題也沒有明確計算書與加載結(jié)果的匹配要求，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)實際內(nèi)力與計算書差異較大，計算分析其實并沒有在結(jié)構(gòu)選型和優(yōu)化設(shè)計中起到重要作用，模型的設(shè)計過程具有一定的盲目性。

2.3 關(guān)于制作材料

賽題材料主要采用不同規(guī)格的竹條、竹皮及502膠水。結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽中，選材要考慮加工方便，力學(xué)性能穩(wěn)定、手工制作還要考慮材質(zhì)要具備一定的安全性，歷屆制作模型的材料呈現(xiàn)多樣化：有巴西白卡紙（牛皮紙）、木材、竹材、有機玻璃、鐵質(zhì)易拉罐、3D打印、棉紗線（鉛絲線）和白乳膠、502膠水等。這些材料中，有的隨環(huán)境的變化其力學(xué)性能不夠穩(wěn)定，比如白卡紙等。這些材料與建筑材料的性質(zhì)都相去甚遠，會影響模型的后期承載力，可能無法體現(xiàn)參賽隊伍的真實水平。比如：502膠容易滲進竹材，滲入太多導(dǎo)致模型自重加大，這是不可忽視的，所以要在制作的時候既要保證該有的粘結(jié)度，又不能過多的使用。用上述材料做桿件，除了桿件本身的手工制作水平會影響到桿件質(zhì)量外，桿件之間的連接是否牢固對于整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也至關(guān)重要，從這點上來講，結(jié)構(gòu)的可靠性能很大程度上取決于學(xué)生的手工技巧，目前結(jié)構(gòu)競賽顯得過于強調(diào)手工的制作水準。

結(jié)構(gòu)大賽目的主要是培養(yǎng)學(xué)生運用所學(xué)專業(yè)知識動手解決問題的能力。今后的賽題中材料選擇除了考慮安全、穩(wěn)定、制作方便外，最好還能夠模擬現(xiàn)場實際運用較廣泛的或者環(huán)保的材料。前者如鋼筋、混凝土、砌塊、以及現(xiàn)在很流行的3D打印材質(zhì)等，后者如工業(yè)廢料、生活垃圾等。

2.4 關(guān)于加載設(shè)備

本次結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽采用長螺桿頂部設(shè)置加載平臺、剪斷配重塊拉繩的方式，來模擬結(jié)構(gòu)遭受沖擊、爆炸等突發(fā)破壞作用。設(shè)備簡單且能夠達到競賽的要求，反映出主辦方在賽題設(shè)計和設(shè)備制作方面投入的精力，是智慧的結(jié)晶。但是，本次加載設(shè)備不能重復(fù)利用，也沒有利用之前的競賽構(gòu)件或本科教學(xué)設(shè)備配件，同時，設(shè)備也不能用于本科教學(xué)，存在資源浪費現(xiàn)象。因此在賽題選擇時，應(yīng)遵循厲行節(jié)約的原則，加載設(shè)備盡量從本科教學(xué)實驗器材中或往屆競賽設(shè)備中選取或改造而來，降低成本，不能讓參賽的費用成為比賽的障礙。

2.5 學(xué)生對于競賽的把握

把握賽題規(guī)則，除了要弄清題目模型尺寸方面的要求外，還應(yīng)該提前熟悉加載設(shè)備。

本次加載由一定重量的砝碼預(yù)先作用在模型加載平臺板上，平臺板由此帶動模型一起移動一段距離，隨后釋放砝碼重量，從而平臺板隨模型一起做往返振動，通過這種方式來模擬地震作用，那么這種方式下的振動幅度有多大，對結(jié)構(gòu)造成的影響有多少，很多學(xué)生沒有現(xiàn)場觀察和試驗，憑自己主觀經(jīng)驗感受來估計了模型的振動幅度，直到比賽的時候才發(fā)現(xiàn)真實的振動幅度遠比想象中的要小很多，造成了結(jié)構(gòu)材料浪費，結(jié)構(gòu)安全度過高的后果。

其次，很多同學(xué)對建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計概念有大致的把握，但是卻鮮有同學(xué)認真分析和計算結(jié)構(gòu)的受力和變形，例如題目已知材質(zhì)的抗拉和抗壓強度，很少同學(xué)認真分析每根桿件受到的壓力有多大，這樣的壓力對于竹材來講需要多大的橫截面積，全憑主觀意識，沒有充分認識到材質(zhì)的受力性能，導(dǎo)致材料的浪費。

雖然學(xué)生在競賽中存在如上需要改進的方面，但是競賽也能激勵學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。例如賽題要求要有相應(yīng)的計算書，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，手算精度不高且難度較大，所以必須用有限元軟件來進行，而這些計算軟件目前本科教學(xué)并沒有開設(shè)相關(guān)課程，學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)課程來學(xué)習(xí)，也可以主動請教老師，無論通過哪種渠道，前提均要求學(xué)生有自主學(xué)習(xí)的興趣和能力，學(xué)生能夠投入到課外學(xué)習(xí)中來，由此大大擴展了他們的知識面。

2.6 競賽后續(xù)的環(huán)節(jié)

教育部卓越工程師計劃的培養(yǎng)目標中強調(diào)：加強學(xué)校和社會的聯(lián)系，在人才培養(yǎng)過程中加大工程實踐教學(xué)的比例，加強學(xué)生工程實踐能力的培養(yǎng)。通過競賽可以培養(yǎng)團隊合作精神、提高動手能力、設(shè)計、測量的能力、還可以增強學(xué)生自主學(xué)習(xí)的意識，擴展學(xué)生的知識面，讓學(xué)生在過程中體現(xiàn)出更多的創(chuàng)新，提高他們再遇到困難時解決問題的能力[5-7]。

傳統(tǒng)的競賽方式主要有兩方面：學(xué)生提交模型和計算書、進行加載同時并對自己的模型進行匯報，加載完成即意味著結(jié)構(gòu)競賽告一段落。此后，絕大部分學(xué)生就覺得任務(wù)完成了，作為學(xué)校和組織者，應(yīng)該還可以增加一些反思的環(huán)節(jié)，包括老師和學(xué)生都應(yīng)該盡可能的從中得到更多的收獲，反思的方式可以是讓參賽學(xué)生撰寫心得體會、總結(jié)報告。把整個過程中的收獲和遺憾好好總結(jié)，為自己下次競賽或者下一屆同學(xué)的比賽提供寶貴的經(jīng)驗教訓(xùn)；教師應(yīng)該也設(shè)計合理的問題，在學(xué)生中展開相關(guān)的調(diào)查問卷，反思、改進每一年的競賽方案，進一步完善和規(guī)范化競賽的制度，做到題目多變，材料多樣化，以創(chuàng)新研究為目標，鼓勵學(xué)生多了解課外專業(yè)知識，發(fā)揮競賽的輻射作用。同時，應(yīng)設(shè)置一個有效交流平臺，對比賽過程中及賽后存在的問題及時反饋給舉辦方及組織者，可對以后的比賽起改善和促進作用。

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

福建省第十屆結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽以結(jié)構(gòu)魯棒性為主旨，抓住了時代脈搏，聯(lián)系了工程實際，競賽中激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)知識的興趣，增強了學(xué)生理論聯(lián)系實際的意識，培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新實踐精神，增強了學(xué)生動手能力、試驗水平和團隊協(xié)作能力。學(xué)生充分利用所學(xué)知識并發(fā)揮自學(xué)能力，通過觀察實體結(jié)構(gòu)，去理解專業(yè)理論知識，并把所學(xué)運用在模型制作上來；從加載失敗的模型中學(xué)會總結(jié)分析并進行合理的優(yōu)化和加固，同時極大地促進和推動了各高校實驗教學(xué)改革和實驗室、創(chuàng)新設(shè)計實踐基地的建設(shè)，成為高校實踐教學(xué)改革的切入點。競賽得到了社會企業(yè)的大力支持和資助，企業(yè)在為競賽提供良好條件的同時，也吸引了畢業(yè)生到企業(yè)工作，體現(xiàn)了社會參與教育、教育回報社會的良性互動關(guān)系。

3.2 展望

命題的好壞是競賽能否成功舉辦的關(guān)鍵所在，應(yīng)仔細考慮，減少歧義和漏洞，今后可以考慮用趣味競技方式與結(jié)構(gòu)問題相結(jié)合的題目，還可以考慮公開征集命題，拓寬題型；加載設(shè)備應(yīng)簡單且要厲行節(jié)約為原則，充分利用歷屆加載設(shè)備及教學(xué)器材；制作材料不斷要考慮學(xué)生加工制作的方便性，而且要盡量與工程實體材料吻合；結(jié)構(gòu)設(shè)計制作要體現(xiàn)工程實際工藝，充分把握材料、構(gòu)件和模型的實際性能；競賽過程中及賽后，應(yīng)建立有效的合作交流平臺，總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)；應(yīng)逐漸對競賽進行標準化管理，包括組織機構(gòu)、組織程序和流程、競賽過程規(guī)范化管理等方面制定相應(yīng)標準，固定統(tǒng)一模式，從命題、競賽組委會組織、專家聘任、場地布置、評審表格等方面制定統(tǒng)一標準和要求，使競賽管理更加規(guī)范化和標準化，實現(xiàn)資源共享，確保競賽質(zhì)量水平和品牌形象。

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