广西第六届大学生结构设计竞赛经验总结

孙凌云　张啟初

【摘 要】本文以广西第六届大学生结构设计竞赛获奖作品为例。从队员组成、赛题分析、结构计算软件sap2000模拟、模型制作、心得体会五个方面总结了参加结构设计竞赛的经验，得出大学生结构竞设计赛对土建类学生在工程结构实践能力以及视野开拓方面有莫大的帮助，引领大学生开拓创新结构形式。

【关键词】结构设计竞赛；多层建筑结构；模型制作；SAP2000分析；结构创新

由广西建设教育协会主办，南宁学院承办的广西第六届大学生结构设计竞赛于2015.12.15-18日在南宁学院体育馆举行，历时四天，共有23所广西高校的46支队伍参加。结构设计竞赛赛题为“多层建筑结构模型设计”。笔者有幸代表桂林理工大学博文管理学院参加了此次结构设计竞赛。最终，经过激烈角逐，我校派出的两支队伍不负众望，参赛作品“云天展览馆”获得“一等奖”，另一队作品“金字塔”获得“二等奖”。我校获得“优秀组织奖”，2位指导老师获得“优秀指导老师”称号。作为一名参赛队员，在收获喜悦的同时，也将模型制作、加载过程中总结的经验写出来，供各位参考，与兄弟院校共同切磋。

1 队员组成

一个学校要将结构设计竞赛发展强大和传承下去，最好有2到3个不变的指导老师，每年负责指导，指导老师必须对材料性能以及比赛赛题制胜关键点了如指掌。

本人认为一个较为完美的队伍成员由两男一女或者三男组成，女生不宜超过2名。将女生列为一个成员主要是女生较为细心，男生看不到的细节将由女生来完成，成员没有女生的必须有一个较为细心的男生。参赛队员最好选用不同年级的学生，采用二带一，即两个高年级学生带一个低年级学生。只要参加过一次区赛的同学就会对模型的制作与构思产生质的飞跃。保留一个低年级的目的就是为了给下一届比赛打基础。

合理分配每名成员的任务，一队长二成员。必须将三人分配在最拿手的位置。想在规定时间内快速制作好模型必须争分夺秒不浪费任何时间。比赛所提供的桌子的面积不一定能够容下三个人裁纸，所以只需要两个裁纸，在这个过程中应该先将短小的，一个人能卷成杆件的纸裁出来的，由不裁纸的队友来卷起这些短杆。裁纸完成后将停下来卷短杆，这个时候先将长杆和必要的杆件卷起。

2 赛题分析

每一届区赛的题目都不一样，参赛者必须要对赛题非常熟悉！能够把赛题里面所有的内容背下来只算是对赛题有所认识。能从赛题里找出关键得分点才算是熟悉赛题。最好按1、2、3的顺序把赛题要求列出，并将注意点标出来，一目了然。如本届赛题荷载性质为竖向荷载和水平荷载。竖向荷载加载位置要考虑对结构、对水平荷载加载有利。多层建筑要求纵横向跨数不能少于两跨，有的参赛队伍没有注意到这一点，非常遗憾。

另外一方面要注意的问题是：往往比其他选手略胜一筹之处就是赛题中的薄弱点，也可以说是赛题的“缺陷不足和漏洞”，只要赛题没有再次补充这些薄弱点都是可以采用这些薄弱点进行模型改进。一般在这种情况下制作出来的模型是更轻巧更稳定。因为没有真正违规，只是制作的模型趋向于违规，评委会是没有理由说明你模型违规的。这就跟建筑在满足使用条件的情况下，配筋取最小值是同一个道理，这种情况下使用的材料最少，花费将大大减少。如本届赛题只规定了支座尺寸，没有规定每层建筑的外围尺寸，就可以缩小尺寸减轻自重，还可以缩小上层尺寸，提高荷重比。总之，把比赛当作游戏，要遵循并合理地利用游戏规则。

3 计算机模拟

对结构体系进行整体概念构思和设计，对确定的方案利用结构计算软件SAP2000建立模型，对模型进行施加荷载和优化。本次比赛竖向加载方式是在结构各加载层处放置砝码。竖向和水平挠度均不得超过2厘米、模型损坏、砝码滑出掉地等均算加载失败。在SAP2000软件建模分析时采用顶层和底层施加节点荷载模拟竖向荷载，加载要仔细阅读规则，预计一切可能出现的不利因素。为了消除计算机模拟与实际产生的误差，在该节点施加1.1倍砝码产生的重力。模型通过竖向荷载加载后，需要进行水平荷载测试。在SAP2000分析时采用节点施加水平力模拟水平荷载，为了消除计算机模拟与实际产生的误差，在该节点施加1.1倍砝码产生的水平力。

4 模型制作

模型确定好以后进入下一阶段：结构模型制作。要熟悉材料性能，用到的材料主要有白卡纸、白乳胶。

4.1 白卡纸属性

白卡纸由三层纸膜组成。光滑面受拉性能最强，中间层最差。可以采用剥离纸来减轻结构重量，根据不同需要可将白卡纸分成三层，或者两层来制作杆件，光滑面用来加固节点。白卡纸厚度约为0.3毫米，为各向异性材料，力学性能为：顺纹极限拉应力22.2MPa，顺纹极限压应力为7.0MPa。

2 白乳胶

要注意白乳胶的浓度，太稀，内含水分太多，凝固时间长；太稠，粘结不牢，都不可取。对于纸质模型，一般采用较稀的乳胶，尤其是卷杆使用的乳胶应尽量稀薄，这样既可以保证涂抹的均匀性，又能减轻结构自重。对于木材，建议使用较为浓稠的乳胶。

4.3 杆件

考虑到材料性能、赛题要求、实际情况中不同截面的受力性能、制作工艺等，我们采用圆管截面的杆件。圆管截面的极轴分布均匀，受力性能好。

一个模型由大量的杆件相互连接而成。在施加荷载时每个杆件受力情况都不一样。模型设计时尽量把拉杆设计得较多，其次就是压杆，尽可能的避免受剪、受扭两种不利情况，因为受压容易失稳，材料的抗剪、抗扭的能力不如受拉好。然后由受力大小选取直径最为合适的圆钢来卷杆，一般选取直径不大于10mm，纸杆层数不多于2层。

圆钢分为实心圆钢和空心钢管。卷杆选用实心圆钢，一般只有主要受力杆件会选用直径为10mm、8mm、6mm的圆钢作为卷杆工具，特殊受力杆除外。次要杆件采用直径为4mm、3mm、2mm的圆钢作为卷杆工具，特殊纯拉杆可采用1mm圆钢。圆钢的准备数量可能比所需卷的杆件数量多，目的是保证在纸杆没干，圆钢不能拔出来时，有用圆钢继续卷杆。空心钢管较为轻质，一般在不拔出钢管，纸杆搭接模型时用到。

主要受压杆件尽可能采用8mm和6mm的杆件，根据受力情况不同，卷的层数不一样，不宜超过3层。白卡纸较硬可用湿抹布稍稍抹湿，抹湿后较为柔软，此时卷好杆件，杆件保持在实心圆钢内不拔出，这时将用湿抹布蘸取已经稀释好的白乳胶在白卡纸外表面均匀快速抹上一层，用吹风机吹干后再次在外表面再抹一层胶水再次吹干，在整个杆件没有完全干之前实心圆钢不可以拔出，防止杆件没有完全干而产生较大的弯曲。通过这种工序制作出来的杆件受压性能非常好，杆件整体刚度高。受拉杆件采用直径一般不大于6mm，纯拉杆可采用2mm、3mm，采用白卡纸光滑层来制作，多层。在同等极限拉应力作用下只用光滑层制作出来的杆件自重远远小于其他制作方式，只在接口处涂胶水其余均不加胶水，防止杆件产生脆性。

4.4 节点处理

提高结构设计模型的承载能力，要综合考虑各方面因素。整体概念设计是关键，节点处理要给以特别重视，用精湛的工艺制作出合格的构件[1]。

根据杆件的受力情况不同对节点采用不同的连接方式进行连接。大部分受力较小的杆件采用图2连接方式粘接好胶水干后在外表面再次抹上胶水。

受力较大的拉压杆件采用内接涂胶再外包加固的方式连接如图3。采用纸皮层包扎，纸皮层数看节点受力大小选取，节点处应力过大时可以在节点杆件内部塞纸片以防止局部失稳。

搭接最大的问题就是角度问题。要想快速准确的搭接好每个角度，需要一个较为精细的模板，模板主要是确定角度与位置问题。根据自身需要自己制作模板，模板数量可以超过2个，保证在胶水干之前有模板继续搭接模型。搭接好之后必须对每个节点进行检查，重新处理节点。为了避免部分杆件过于集中受力，整个模型拼接完成，胶水基本干后对接地杆件底部用砂纸刷平保证整个杆件底部全部接地。

4.5 传力方式

最好的传力方式是直接通过柱子传到底部，不需要经过任何梁传递给柱子。白卡纸做成的杆件轴向承载力高，抗弯抗剪抗扭性能非常差。若存在大量或者受力较大的剪力、弯矩的杆件，必须重新审视自己的模型该如何改进，按照结构的受力特点来布置结构体系，好钢要用在刀刃上，保证荷载能快速传到地面，这样做成的梁与斜杆只要提高整体刚度与稳定性就可以了，此时梁与斜杆受力将大大减小。对于水平力必须由斜杆直接传递到地面，不经过柱子传。这样可以大大减小柱子的弯矩。制作任何一个模型主要还是设计出一个传力好的结构。保证最简洁快速的传给地面。图4为做好的模型正在竖向加载，满载，即所提供的砝码全部放置在上面。图5对结构模型进行水平加载，水平荷载测试方法为保持竖向荷载状态下指定在卸扣区域的节点施加水平荷载，一级加载成功，方可进入下一级加载。加载成功是指模型在每一级荷载作用下，10秒过后，其结构的变形和承载力仍能满足要求。

5 心得体会

从校内选拔赛到广西区比赛历时两个月，在此期间我们用了大量时间对结构进行设计与改进。模型制作完成后，对模型施加荷载，施加荷载过程中我们还录制了视频，回放过程中抓取每一次首个破坏点，从受力分析和制作工艺方面不断改进模型。所制作的结构模型设计能真实的模拟实体，通过模拟实体能直接表现出使用功能，施加荷载充分体现出承载能力。

参加广西第六届结构设计竟赛，我感到很充实很快乐，代表学校参加比赛，是我最大的荣誉。获取奖杯就是我们的目标，努力做到最好就是我们前进的动力。要将结构模型制作的更加完美必须将：结构、手工、组织能力、分析能力、交流能力、发现问题解决问题的能力，细心，耐心等集于一身。通过比赛，不仅可以认识到很多新朋友，而且还提供有利机会，与其他院校学生相互交流和学习。竞赛过程中学到了许多知识 ，见识了众多学生的独特创意。

结构模型设计竞赛为大学生提供了一个展示自己结构设计能力的平台。同时能有效的培养和增强自身的计算分析能力、动手实践能力、团队合作能力和逆境处理能力。结构设计竟赛可以发挥学生的聪明才智，对结构形式创新，可以创新前所未有的结构形式，也可以模仿和仿造已有的结构局部，体现新的发展和突破。作为一个参赛选手必须知道：只有自己想不到的，没有别人做不到的！在不违规的前提下，想法超越现实都是允许的，因为没有人知道未来的发展情景，也许你的想法在未来就能成为现实。结构模型设计竞赛历时长，虽然很累，但是能坚持下来，你将会发现对你的成长之路非常有用。大学生结构设计竞赛是培养大学生创新意识、合作精神和工程实践能力的学科性竞赛，为高等学校开展创新教育和实践教学改革、加强高校与企业之间联系、推动学科创新活动起到积极示范作用[2]。参加结构设计竞赛可以增强大学生的工程结构设计实践能力，全面考验土建专业大学生的创新意识、设计技能、实践动手能力、合作精神等综合素质，这是土建类学生结构设计很好的第二课堂。

【参考文献】

[[1]常建梅，郭飞宇.谈结构设计竞赛纸质模型承载力提高措施[J].山西建筑，2011，40（15）：34-35.

[2]祝贺.全国大学生结构设计竞赛对大学生实践与创新能力培养的影响[J].科技视界，2014（28）：98，301.

[责任编辑：李书培]