钢结构教学模型设计与制作研究★

马航海 毕永辉 张旭辉 龙 超 袁 野 梁娇娇

(西北民族大学土木工程学院，甘肃 兰州 730030)

钢结构教学模型设计与制作研究★

马航海 毕永辉 张旭辉 龙 超 袁 野 梁娇娇

(西北民族大学土木工程学院，甘肃 兰州 730030)

鉴于本科生对钢结构模型制作过程中出现的问题探讨较少，其实际制作对学生难度较大，以单层钢结构厂房教学模型为例，研究了实际创新制作过程中出现的问题，包括方案、构件选型、材料、制作工具、制作方法选择等，并进行了有效解决，对促进本科生进行科研创新具有积极的意义。

模型，钢结构，创新，方案

随着国家对科研工作的重视程度越来越高，民族高校内本科生参与科研的热情也迅速被激发，本科生参与科研的氛围也非常浓厚。钢结构具有强度高、自重轻、抗震性能好、施工周期短、密闭性好以及环保经济等优点成为发展迅速的结构形式[1]。在给学生教授钢结构课程后不久，一个学生小组提出要制作一个钢结构的教学模型，作为一项校级本科生科研创新项目。在学生自我探索科研的过程中，从教师的角度对学生进行了针对性的指导。在这个过程中，学生和老师进行了良好的沟通、交流，一起解决遇到的新问题，对双方都有很好的启发。

1 项目启动

针对钢结构教学的难题[2]，即相关概念比较抽象，需要很强的空间想象能力，教学缺少实体建筑时，学生理解知识的难度较大。为了减少学生的学习难度，计划制作具有直观化等优点的教学模型[3]。正值学校开始大力推动本科科研创新项目，两者结合，项目化制作钢结构教学模型的科研得以立项。

2 方案初选

为了确定方案，研究小组调查了市场上的主流成品，并分析各自的优缺点。单层钢结构厂房方案的选定查询了湖南、兰州、北京等模型制作公司的成品资料，结果显示涉及钢结构教学的模型较少而且也不全面，且价格高、样品固定、针对性教学用途不明显，因此初步选定方案为：自制钢结构教学模型。为了使模型更有针对性与实用性，本文选择了教学上常用的柱子、梁、板等主要构件所形成的单层厂房作为初选方案[4]。

1)构件选型。a.构件模型资料收集：由于市场上成品的针对性不足，在一定程度上影响了其利用价值。因此，本文主要基于教材范围内考虑设计内容及形式以便更好贴近教学实践及应用。b.主要构件:柱、梁、板。c.柱子类型选择：采用缀板式、缀条式、工字形三种常用截面类型。d.梁组合形式选择：采用受力简洁的桁架式屋架梁。e.围护结构：采用单层塑料板作为围护隔断。2)尺寸选择：由于钢结构实体尺寸较大，为了制作和使用方便，模型采用缩小比例制作。3)材料选择：4 mm灯饰塑料板材、泡沫板、螺栓、三氯甲烷。4)工具选择：勾刀、钻孔机、切割机、尺规、墨线笔、针管注射器。5)成果：单层钢结构厂房模型。

3 方案申报

3.1 方案特点与创新点

本项目可以帮助教师增加教学方式，改善教学效果；同时可以锻炼学生的科研能力；创新点在于学生自己设计、自己选材、制作模型，充分发挥学生的创新思维，使制作的模型相对实用，教学针对性更强。

3.2 研究意义、价值

教学模型按照一定的比例制作，可以立体、直观、部分透明地展示建筑物的各种构件的组合，科学合理的展示建筑构件、建筑节点、建筑结构层次及建筑内部结构[3]。本项目提出一种以模型表现其受力及构造实物情景，不仅帮助学生理解钢结构的整体和具体构件，还能以实物分析其构造，提高学生的学习兴趣，并帮助他们树立学习的信心。为学生提供直接的帮助，也在一定程度上减少了教师的教学压力，促进教学质量的有效提升。

3.3 可行性分析

1)本项目采用有机玻璃制作钢构件，模型直观性好。2)材料：有机玻璃市场易得，材料性能符合模型要求。3)粘结材料：采用有机玻璃专用胶结材料。4)工具：根据切割及制作要求，在市场上购买相应制作工具。5)场地：学院模型制作专用教室。6)项目制作时间相对灵活，组员可自己选择在空闲时间制作，为项目提供时间支持。组员动手能力较强、爱思考、勤奋刻苦；指导老师从事了多年钢结构教学、积累了大量的教学经验，这些都将为项目的顺利进行提供保障。

3.4 研究进度计划

1)全体组员实行动态制作机制，以便充分利用时间，并定期开会讨论：变更方案及解决制作难题。2)制图时间为1个月，采用CAD软件绘制，同时统计材料使用量。3)购买材料和工具为期10 d。4)制作阶段计划4个月。共计用时6个月左右。

3.5 研究成果

1)总结在项目进行过程中的经验和有益结论，整理并汇总，作为本科科研创新的一项成果。2)通过将制作好的模型应用于教学，为学生节省大量理解记忆的时间，减小学习难度，减少教师的教学压力，增加学生的学习兴趣，对教学产生良好促进。

3.6 经费预算

本项目经费主要用于材料和制作工具的购置。具体计划为：板材购买花费约1 000元；工具购买约300元；辅助材料约200元；资料、交通费约300元；共计1 800元。

4 制作方案确定

4.1 制作方案意见汇总及讨论过程

1)指导老师就自制教学模型方案做了如下建议。尽量完成一个复杂单体的制作以方便综合学习；柱子、梁等构件类型应多样；考虑其制作的精密，采用具有腐蚀性的粘结材料三氯甲烷；如时间紧，也可采用熔融玻璃胶粘结；组员分工应明确，确保全员参与。2)小组讨论意见。屋面采取泡沫质材料以便于细部裁剪制作及整体塑形与修改；柱子锚固螺栓采用普通螺栓以便于材料购买及安装，提高模型的真实性。经讨论决定采用指导老师提议及小组方案的结合为实施方案。

4.2 采购过程方案修改意见

由于采购过程中发现制作板材中PVC板材质强度较低，后改为强度韧度较高的灯饰板材；制作工具采用刻画勾刀，方便加工。

4.3 初步制作过程方案修改意见

初步制作过程发现柱子高度不能按照实际尺寸做，后将高度缩小为1∶5，横截面保留原尺寸；由于刻画勾刀使用过程中损坏较大、制作精度低、批量化操作工作效率下降，导致制作时间增加，后采用高速旋转型砂轮切割机提高了工作效率；由于钻孔机打眼导致板材碎裂，后改用三氯甲烷腐蚀融洞法解决了钻孔问题，但三氯甲烷化学试剂的使用增加了制作的危险性。

4.4 最终制作方案

1)尺寸规格：各主要部件：柱子360 mm×800 mm；轨道梁100 mm×1 000 mm；屋架为：60 mm×1 200 mm。2)总平面：1 200 mm×2 000 mm×1 200 mm。3)材料：4 mm灯饰塑料板材、泡沫、螺栓、玻璃胶棒、三氯甲烷。4)工具：勾刀、切割机、尺规、墨线笔、针管注射器。

5 制作实施

1)图纸绘制：方案效果图(见图1，图2)、总平面图、各构件详图；图纸校核。2)板材裁制：绘制裁割线、裁剪、片材磨修、粘结、组合、校核。3)构件粘结、校核、模型修改、美化。

6 结语

模型用于教学应用效果明显，学生能够节省大量理解记忆的时间，并且为学习易误解处、难理解处带来了特别直观的认识，为教学带来很大便利，很好地体现了项目的初衷。在实践过程中组员的动手能力、分析、协同合作、解决问题的能力都得到了很好的锻炼，与老师之间的沟通能力也显著提升，对科研有了更多的理解和个人感受，有效地激发了学生对学习和创新的兴趣。

[1] 戴国欣.钢结构[M].武汉：武汉理工大学出版社，2012.

[2] 刘凌云.钢结构教学改革初探[J].教育与职业，2007(29)：35-36.

[3] 余志红，林从华，蔡壁新，等.建筑模型在建筑设计教学中的运用[J].高等建筑教育，2008(6)：53.

[4] 刘 捷，马 驰.房屋建筑模型教具制作探讨[J].武汉工程职业技术学院党报，2010(1)：21-22.

[5] 郭荣玲.轻松读懂钢结构施工图[M].北京:机械工业出版社,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年西北民族大学校级教育教学改革研究项目

马航海(1980- )，男，硕士，讲师

G642.0

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