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一、模型競賽與實際工程的關聯

結構模型設計與實際工程設計有著緊密的聯系，其設計過程與實際結構設計過程大同小異。結構模型設計過程需要結構工程學科的基本理論知識和專業知識，是了解學生是否掌握力學基本原理與分析方法、工程材料的基本性能和適用條件、結構構件的力學性能和計算原理等的最直接檢驗，可為學生今后從事結構工程設計、施工、管理以及研究開發等實踐性工作打下基礎。但是由于結構模型在幾何外形上遠遠小于實際結構，因此二者在材料選用、材料性能、設計原則、制作加工工藝等方面存在很大的差別。

(一)材料選用

目前，實際工程常用的結構材料有混凝土、鋼材、砌體等。研究人員對材料的力學性能已經進行了大量的研究，相關的設計參數可以按設計規范采用。美國土木工程師協會土木工程競賽中的混凝土輕舟和鋼橋項目，所用材料為輕質混凝土和鋼材，模型的設計、加工和制作與實際工程更為接近。但這種模型制作的成本較高，很難在高校中普及。國內舉辦的各種級別的結構競賽活動，一般模型尺寸很小，鋼材、混凝土、砌體等常見建筑材料并不適用，多以便于手工制作的木片、竹片、有機玻璃、PVC材料、硬卡紙或鋁材等作為模型制作材料，桿件之間采用膠水或白膠作為粘結劑。這類材料的材性受生產廠家、外界環境、制作工藝等多種因素影響而差異性較大。

(二)設計原則

目前，實際工程結構設計采用分項系數表達的以概率理論為基礎的極限狀態設計方法，進行結構設計時應根據使用過程中結構可能同時出現的荷載，按承載能力極限狀態和正常使用極限狀態分別進行最不利荷載組合，并進行結構設計。為保證結構的可靠度，通過在設計表達式中采用作用分項系數和抗力分項系數來實現。同時，優秀的結構設計應該對局部缺陷不敏感，不會因局部構件破壞影響結構的整體穩定性，因此，結構應有一定的安全儲備。建筑設計和結構設計是設計過程中最重要的兩個環節，建筑設計決定了建筑物的外形、布局和使用功能，在整個設計過程中占主導地位，因此，實際工程中更注重建筑方案的美觀、新穎和標新立異，這往往使得結構工程師不能選擇最為經濟合理的結構體系。結構模型設計競賽則重在考查結構體系的經濟合理性。在各種級別的結構模型競賽中，模型質量和剛度在評分中占有很大比重，模型的外觀評分一般不超過10%。因此在競賽中脫穎而出的模型一般結構布置簡單、傳力路徑明確、質量較輕、剛度相對較高、力學性能發揮到極致，而造型復雜、外形新穎、注重美觀的模型往往難以取得較好的成績。同時，參與結構模型設計競賽的作品和實際結構在設計理念上有很大差異，結構模型設計集專業知識、專業技能和競技精神為一體，模型作品在滿足參賽要求的前提下，以取得盡可能好的綜合評定成績為目標。模型質量最輕的，可能剛度較小;模型剛度大的，靜載性能良好，但在動載作用下表現未必良好。因此，相對于實際結構設計，結構模型設計競賽在結構專業知識和實踐能力上需要考慮的內容更多，但是結構布置受建筑使用功能影響較小。

二、模型競賽對學生綜合素質的提高

(一)創新能力

土木工程專業大學生的創新能力是指運用專業理論知識，在土木工程領域中不斷提供具有經濟價值、社會價值、生態價值的新思想、新理論、新方法和新發明的能力。“創新”可以是創造前所未有的結構形式，也可以是在模仿和仿造的同時在結構局部體現新的發展和突破。結構模型設計競賽為學生提供了一個展示自己結構設計能力的平臺，依托此類競賽，學生可以運用專業知識和理論大膽嘗試新穎的結構形式。在結構模型的選型、計算分析、計算書的編制、模型制作和最終加載的各個環節，參賽學生需明確分工又要通力協作，能有效提高學生的計算分析能力、動手實踐能力、團隊合作能力和逆境處理能力。賽題規定了模型的最大橫截面尺寸和模型高度，要求設計一雙懸臂結構，在豎向靜力加載和水平靜力加載下模型剛度滿足要求，側向擺動加載作用下主體結構不倒塌。從設計要求來看，此結構模型的受力狀態和現實生活中的塔吊的受力狀態類似。

(二)計算能力

一個優秀的結構模型作品，不僅應滿足競賽規定的外形尺寸，具有協調、合理的結構布置，還應在靜力和動力加載環節具有足夠的承載力和較好的剛度。雖然結構模型的剛度與制作質量的關系很大，同樣的構件截面因構件制作和節點處理的不同剛度會有很大的差異，但是通過計算分析可以掌握結構體系的傳力路徑、內力分布和桿件受力特性。充分利用拉桿的抗拉性能對減小模型重量有很大幫助，而判斷構件的拉壓性質需通過對各加載工況進行充分的受力分析方能判別，這就需要學生掌握一種常用的結構設計軟件或有限元分析軟件，如sap2000、3d3s和ANSYS等。因此，參賽學生在拿到賽題后，需要根據所需專業知識進行結構方案的比選，通過計算分析確定較為合理的結構形式，進而通過精工細作來實現模型所預期的力學性能。歷屆結構模型競賽的結果表明，取得優異成績的參賽學生均對結構體系的受力特性有充分的了解，在結構選型、荷載計算、內力分析和承載能力估算過程中，學生的計算分析能力得到不斷的提升。

(三)綜合能力

結構模型競賽的目的在于鼓勵學生將理論與實踐相結合。通過對專業知識的靈活運用和同組成員的共同努力，鍛煉學生的動手實踐能力、團隊合作精神和創新能力。結構模型競賽一般要求學生組成幾人小組參賽。由于在結構方案、計算分析、計算書整理以及模型制作過程中有大量的工作要做，模型制作一般均在比賽現場完成。這就要求小組學生具有團隊合作精神，成員之間分工明確、配合默契、充分發揮各自的長處，方能在競賽中取得優異的成績。比如小組成員或擅長手工制作，或力學知識扎實，或善于計算分析，對于需要進行方案陳述的競賽，還應有較好的口頭表達能力。同時，在編寫計算書、繪制結構圖和利用多媒體介紹的過程中，會用到3dsMax，Autocad，Excel和Powerpoint等軟件，無形中學生在競賽中主動掌握很多軟件的使用，甚至有些知識已超出了對本科生能力的要求。但也正是這種競賽活動，促使學生有興趣、有目的、有動力地學習各方面的知識，綜合能力得到極大提高。此外，結構模型競賽的參賽對象是在校大學本科生，由于學校的學業壓力很重，參賽學生只能利用業余時間備賽，因此備賽的過程非常辛苦，需要付出比其他學生更多的努力和汗水。為取得優異成績，參賽學生需要制作多個模型進行試加載，而加載成功與否對學生心智的磨練是其他教學活動無法替代的。進一步而言，即使加載成功，但由于結構競賽是一個追求無極限的過程，在正式比賽之前，學生一直處于追求相對更輕的模型重量、相對更高的模型承載力和相對更好的模型剛度的過程。在這個過程中，學生花費幾天時間做出來的模型也許在加載的幾秒內就毀于一旦，有的學生可能因無法忍受挫折而中途放棄，也有的學生愈挫愈勇，在失敗中找到結構薄弱點后進一步改進，不僅鞏固了自己的專業知識，同時也提升了自己克服困難的決心、能力和毅力，這種耐得住辛苦的堅毅品格正是土木工程專業人才所需要的素質。

三、模型競賽中應注意的問題

(一)材性測試的必要性

結構模型競賽中常用模型材料為木材、竹片、白卡紙等，不同的生產廠家或產地對這些材料的材性影響很大。木材和竹材是實際工程中也會用到的建筑材料，由于材料的強度及其相關的力學參數受試件尺寸的影響(尺寸效應)，雖然相關的設計規范中有對材料的強度、彈性模量等基本力學參數的規定，但是材料在結構模型中所表現出來的力學性能和在實際工程中有很大的差異，因此，不能直接拿來應用。為了得到較為準確的模型材料性質，掌握相對準確的構件承載性能，對模型材料進行簡單的力學性能試驗是必要的。

(二)重視結構計算

結構模型競賽的參賽對象是全日制大學本科生，由于高年級學生有考研、出國和就業等壓力，因此一般低年級的學生參與較多。但是低年級學生尚未接受專業課教育，缺乏結構設計的相關概念，在專業知識和計算能力方面較欠缺，因此，他們更重視模型制作而忽視計算分析。尤其在一些大學的校內結構賽中，由于大家在計算方面的缺失，學生之間相互模仿、抄襲，最后可能出現大批外形幾乎完全相同的結構模型，對此，應給予高度重視。

(三)制作工藝的影響

由于結構模型幾何尺寸很小，模型的制作質量主要取決于構件的制作質量和連接節點的可靠性。一般而言，結構布置越簡潔，傳力途徑越直接，節點和所用粘結劑越少，構件破壞的可能性越小，這也得到參賽學生的普遍認可。參賽學生在備賽過程中需要制作多個模型進行試加載，很多時候構件截面完全相同的模型，大家按照同樣的方法制作模型，但在加載階段模型的表現不盡相同，甚至可能會出現前面加載全部滿足要求的模型再重新制作之后加載失敗的情況，這主要取決于模型的制作質量。此外，模型材料厚度、密度和力學性能等的離散型對模型質量也有很大影響，這就需要參賽學生在模型制作之前進行選材。有條件的情況下可采用電子秤對原材料進行稱重，挑選質地相對較好的木片或竹片。模型制作完畢后，構件表面上殘存的膠水、木屑等對構件力學性能無益但會增加模型質量，對模型表面進行打磨既可清除表面的殘留物，又可提高外表面的觀感質量。

(四)指導教師的作用

為培養大學生的結構設計概念和計算分析能力，一般校際、省級、全國甚至國際結構模型競賽都允許指導教師對本校的參賽隊進行專業指導。由于很多學校對在結構模型競賽中是否獲獎非常在意，因此給參賽學生和教師很大壓力。在有些賽事中指導教師親自上陣幫助學生進行結構布置、計算分析和結構設計，學生只是執行指導教師的設計方案。指導教師的參與度太高會影響競賽的公平性，因此，建議在今后的結構競賽中弱化甚至取消指導教師，以使學生在同樣的環境下靠自己的能力完成比賽。指導教師的作用應該體現在賽前對學生設計概念和計算能力的培養，而非體現在應對具體的競賽中。

(五)評分規則

各類結構模型競賽對模型外觀、制作質量、計算書編寫、模型在靜載下的剛度和動載下的抗倒塌能力的評估在總評中都占有一定權重，這就決定了結構模型競賽具有一定的競技性。為在競賽中取得優異的成績，參賽學生不僅需要在模型設計和制作上下工夫，同時還要研究評分規則中各要素的影響權重。比如增大模型的質量以換取模型的剛度、放棄追求唯美的外形以換取較為合理的結構形式等，目的是為了獲得更高的總評成績。實際上競賽中的評分規則反映了實際工程項目的全過程，如在方案比選階段，建筑物的外形是決定性因素;在進入施工圖設計階段后，成本控制和安全性(對應結構賽中的模型質量、剛度)處于控制性的位置;從整個建設過程來看，各種技術資料是建筑物各種性能的重要檔案(對應模型競賽中的計算文件編寫)，對建筑物的正常使用和日后維護起著決定性作用。由此可見，學生參與結構模型競賽的過程相當于實際工程項目各階段的再現，因此制作結構模型的過程對鍛煉和培養學生的結構概念、動手能力和計算能力等各方面都有很大的幫助。

四、結論

文章通過分析結構模型設計競賽和實際工程的關聯，從材料選用和設計原則的角度出發，闡述結構模型設計和實際工程設計的差異，分析了結構模型競賽在培養大學生創新能力、計算能力和綜合素質等方面發揮的作用，提出了大學生在結構模型競賽過程中應對模型材料進行測試、注重模型的受力分析、提高模型的手工制作質量，建議在今后的結構設計競賽中逐漸弱化指導教師的作用，指出競賽評分規則與實際工程各階段的相互關系，以及對學生各方面能力培養的作用。（本文來自于《高等建筑教育》雜志。《高等建筑教育》雜志簡介詳見.）

作者：陳俊嶺黃皇單位：同濟大學建筑工程系