积极参与模型大赛提升学生综合素质

陈玉骥

摘要：本文根据这几次比赛的具体情况并结合工程实践经验，叙述了“结构模型设计大赛”的意义，阐述了作者指导我校学生参加“结构模型设计大赛”的认识与体会。

关键词：结构模型设计大赛；土木工程专业；意义；认识

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）09-0186-02

一、引言

为了加强中南地区高校土木类专业本科生的学习交流，促进土木工程专业教学质量的提高，由华南理工大学发起，中南地区高等院校土木类专业教学指导委员会主办，深圳大学建筑与土木工程学院承办的第一届中南地区高等院校土木工程专业“结构模型设计大赛”，于2005年11月在深圳大学举行。共有华南理工大学、湖南大学、广西大学、深圳大学和我校等十几所高校的三十多件作品参赛。随后，2007和2009年又分别在湖南科技大学和三峡大学举办了第二和第三届“结构模型设计大赛”。随着该项赛事影响的逐渐加大，参赛学校不断增加。第一届比赛，仅13个学校参赛，到第三届比赛，参赛学校达到42所。历次比赛，现场上同学们跃跃欲试，气氛紧张而有序，热烈而又精彩，充满了团结友好的气氛。为了加强学校品牌活动，促进结构力学精品课程建设，我校每次均派队参赛，目前，共获得二等奖两项、三等奖一项，取得了良好的成绩。

二、结构模型设计大赛的简介

每次比赛都有一个主题。如，第一至三届比赛的题目分别是“承受竖向静力荷载的简支结构模型设计”、“设计承受局部静荷载的纸质受力结构模型”和“两跨连续渡槽模型设计”。指定的材料为图纸，乳胶和棉线。模型质量、模型的长度、宽度、高度都做了具体限制。在规定时间内各对要设计并制作完成模型。比赛排名由模型承载重量和模型自重比值（Q/W）大小确定。此外，大赛主委会还对参赛选手、参赛作品、说明书、答辩、加载等提出了具体要求。如第一届中南地区结构模型大赛的要求为：

1.作品应力求有创造性，贴近实际、结构合理、制作精巧。

2.参赛选手必须为土木类专业本科生。

3.完整的作品包括以下部分：结构设计说明书、结构制作图、结构模型。

4.每个队比赛时间为8分钟。

三、举办结构模型设计大赛的意义

1.结构模型设计大赛的宗旨在于健全面向未来的教学体系，推崇科技先导，丰富校园学术氛围，让学生的学习更加活泼，让学生的课余活动更加充实和有意义。

2.结构模型设计大赛是集理论与实践于一体的综合性测试，大赛模拟工程建设的几大环节，从计算书编写、材料选用到结构模型制作、加载实验和模型的实测，强化学生工程实践素质，鼓励学生理论结合实践，可以拓宽学生的知识面，增进学生对专业知识的了解，為学生把书本知识综合运用于实践提供了一个良好的平台。

3.结构模型设计大赛的每一参赛队一般有3～4个人，可以由不同特长的学生组成（如第一届比赛，我校“华夏6号”队的成员中，有的擅长设计与计算机编程及软件的使用，有的力学和专业基础扎实，有的动手操作能力很强，还有的临场发挥稳定），主要强调学生的组员之间的团结与协作，培养学生的团队协作精神，锻炼组员之间群策群力的能力。

4.结构模型设计大赛对学生能力的要求及素质培养、训练是多方面的，整个设计大赛过程，完全按照一个工程设计人员的要求来进行；参赛队员提交的设计说明书、结构方案图，计算书要求必须规范并接近结构设计的实际工作。面对这种实战练兵，学生有作为一名土木工程师的责任感，可以通过优秀的作品展示和检验自己课堂所学知识，同时也是对参赛选手意志力的一种考验，使学生适应当代经济发展的需要。

5.结构模型设计大赛以学生为主体，每一个环节、每一个步骤都由学生自主独立完成，高度激发了学生的好奇心和求知欲，高度自觉的潜意识激发了学生的创造潜力，使学生的主体意识高扬，极大地发挥了学生的主观能动性。而大赛题目的综合性、系统性和灵活性也提升了学生的知识更新能力、信息处理能力、方案比选能力、观察能力、操作能力、把知识和才智转化为生产力的能力以及分析问题和解决问题的能力。

四、结构模型设计中应注意的一些问题

在每次参加“结构模型设计大赛”前，我们均在校内的土木工程专业进行选拔，从中选出一到两个模型参赛。对这入选模型，我们专门从结构选型、模型设计与制作等方面进行指导。如第一届比赛“华夏6号”，在学校预选前，该队同学已分别进行过5次模型实验，并依次完善结构。最初的模型，结构的两片主桁架除上部用三根垂直于主桁的平行杆件相连外，在两侧则通过两根交叉棉线将上弦杆与支点相连。这两根棉线在加载时，一根受拉，一根受压。而棉线只能抗拉，不能抗压，由此导致结构侧向刚度明显不足，使得在加载过程中，结构远未达到竖向承载力而发生侧向倒塌破坏。后来改为交叉杆件（用纸卷成的杆件）后，又由于上弦杆与支点之间距离较大，使两片主桁的端斜杆（压杆）因自由长度过大而产生面外失稳。另外，原计算模型中的对荷载的模拟也有问题，导致最危险杆件判断错误，计算结果与实际情况产生较大的误差。经过不断改进和完善模型设计并进行结构优化，使最终的参赛作品“华夏6号”获得了良好成绩。在学校举行预赛时，有一个拱型结构模型，拱轴采用许多空心六面体构件粘接而成，但由于这些构件之间粘接不牢靠，导致粘接面抗剪能力较弱。在加载时，系杆（采用棉线）由于产生了一定的松弛，导致所产生的拉力较小，无法保证拱轴构件之间产生足够的压力来抵抗剪切变形，最终在荷载较小的情况下，结构倒塌破坏，使得结构中看不中用。还有一个平行弦桁架模型，由于桁高较低，竖向刚度较小，结构的变形很大，承载力很低，同样缺乏竞争力。可见，一个成功的结构模型设计，需要综合应用相关力学知识和土木工程专业理论，对杆系结构的力学性能有较深刻的认识。根据这次比赛并结合我们的工程实践经验，我们认为结构模型设计和比赛中应注意如下几个问题：

1.充分了解材料的力学性质。历次比赛规定制作模型材料均为0号图纸、棉线和乳胶。普通的棉线有较好的抗拉力，但松弛的现象比较突出。在模型制作中可以看到，前一天晚上绑紧的绳子，第二天早上就已松垮下来。平铺的纸几乎抗压刚度，无法抗压，所以利用图纸来设计承受压力的杆件，只有被卷成或折叠成一定形状后才能发挥其承载力的作用。当纸张大小一定时，可以卷成壁厚、直径小的杆件，也可以卷成直径大、薄壁的杆件，前者局部刚度大，但受压后可能发生整体失稳；后者截面惯性矩大，但可能发生局部屈曲而导致破坏。可见，各有利弊，要进行综合考虑才能确定截面参数。在结构模型中，棉线只能单向受力，即抵抗拉力；而图纸卷成的杆件可以双向受力，既能用以抗拉，又能用以抗压。这些特点都应了解掌握，才能设计出承载力高的结构。

2.结构选型和设计。历次比赛中，大部分模型采用拱结构和桁架结构。从可以利用的材料角度看，这两种结构是较理想的结构形式。因为只要设计合理，就可以充分发挥图纸、棉线和乳胶的特长。在结构设计时，应尽量避免出现不必要的零杆（否则会增加模型的重量）。结构几何尺寸中，尽量用大赛规定的最小宽度的下限，而高度则应根据受力情况定（因为在同等重量的前提下，增加结构高度比增加宽度，对提高结构的承载力更有利）。另外，为了使结构重量较轻，拉杆尽量采用棉线代替。要减少棉线的松弛现象，可以将棉线适当张拉后用乳胶浸泡，待凉干后使用。

3.计算工具的选取。参赛模型基本上是超静定结构，其设计较静定结构复杂。因为超静定结构的内力与截面几何尺寸有关，而截面设计时又涉及到内力，所以必须经过反复试算，才能得到杆件截面的几何尺寸。显然，采用手算不太合适，否则将花大量的精力用于设计，精度也不好控制。为此，最好采用通用结构计算软件进行设计。我们的参赛队使用的“结构力学求解器”和MIADS软件。这两种软件使用方便，操作简单，带前后处理功能，非常适合结构的力学分析。首先用“结构力学求解器”进行平面设计，确定几何参数，再用MIADS软件进行空间计算，不断优化和完善结构性能。

4.合理的力学模型。为了计算结构的受力特性，必须确定合理的力学模型（即计算简图），包括正确的施加荷载，模拟实际加载情况，以保证内力、位移和承载力计算结果的可靠性。

5.模型的制作。模型制作要精良，杆件的加工和整體拼装工艺要可靠，以确保理论分析结果与实际情况相符合，否则模型的承载力将大打折扣。制作精良的功夫有待平时的训练，多动手、勤思考，才能熟练掌握制作技巧，获胜的机率才大。

6.模型的加载。在比赛时，最关键的是模型的加载，加载选手必须做到胆大心细，沉着冷静，配合默契，才能保证荷载的对称性和稳定性，确保结构的承载力接近预先估计结果。

五、结语

结构模型设计大赛是衡量高校土木工程办学水平和教学质量的一个风向标，是开展“第二课堂”的一个较好方式，是检验创新、协作和实践人才培养的一个较理想标准，对推动教学改革有着一定的意义。

参考文献：

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[2]苗吉，徐雷，刘春燕，赵楠.构建结构设计竞赛平台，培养土建类创新人才[J].西安建筑科技大学学报（社会科学版），2007，（04）.

[3]余自若，江辉，安明喆.土木工程实践型人才培养路径探索——以结构设计竞赛为例[J].高等建筑教育，2011，（06）.