福建省第十屆大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽賽后分析及研究

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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 三明 365004）

大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、動(dòng)手能力、實(shí)踐能力及團(tuán)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(biāo)，在全國(guó)高校中盛行并不斷成長(zhǎng)壯大[1-2]。福建省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽始于2008年，至今已成功舉辦十屆。每一屆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)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(chǎng)以及做工精巧的結(jié)構(gòu)作品等，值得我們?nèi)ンw會(huì)、學(xué)習(xí)和傳承，但同時(shí)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(jì)競(jìng)賽為背景，從賽題的定制、模型優(yōu)化設(shè)計(jì)、計(jì)算書的制作、最終競(jìng)賽和決賽等方面，探討了本次結(jié)構(gòu)競(jìng)賽中的成功之處，同時(shí)反思了本次結(jié)構(gòu)競(jìng)賽中的不足，以總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

1 賽事簡(jiǎn)介

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

1.1 模型要求

總體模型由加載臺(tái)和建筑模型兩部分組成，如圖1所示。模型加載平臺(tái)板為1 100 mm×1 100 mm的實(shí)木平臺(tái)（厚度18 mm），通過高強(qiáng)螺桿與加載臺(tái)底座連接，加載臺(tái)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(gè)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(dòng)）。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(gè)角柱為必選項(xiàng)，均應(yīng)設(shè)置（用“□”符號(hào)表示，并進(jìn)行了編號(hào)），而其余柱子為可選項(xiàng)（用“○”符號(hào)表示），按需設(shè)置。結(jié)構(gòu)層高最少為 210 mm（層高計(jì)算到樓面或屋面），同層樓（屋）面標(biāo)高應(yīng)一致，總建筑高度（計(jì)算至最高點(diǎn)）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(jìn)行。

第一階段：在模型加載平臺(tái)板的右側(cè)分級(jí)進(jìn)行水平力的加載和釋放。第一級(jí)20 kg，第二級(jí)30 kg，第三級(jí)為自選項(xiàng)目，該級(jí)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(jí)由小到大依次加載，每級(jí)荷載施加完成后，在規(guī)定時(shí)間范圍進(jìn)行荷載釋放，在確保結(jié)構(gòu)不發(fā)生失效的前提下進(jìn)行下一級(jí)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(jìn)行。該階段分二級(jí)進(jìn)行拆除：第一級(jí)：拆除1個(gè)“角柱”（圖1所示）；第二級(jí)：為自選項(xiàng)目，拆除1個(gè)“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(tái)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(jìng)賽的反思與探討

2.1 關(guān)于賽題

賽題思路來(lái)源于美國(guó) “9.11”世貿(mào)雙子塔倒塌事件，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者認(rèn)識(shí)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(jì)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(xiàng)保證指標(biāo)—— — 結(jié)構(gòu)魯棒性（Structural Robustness）。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)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(cuò)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(dòng)模擬的是建筑物承受地震、撞擊等因素引起的振動(dòng)作用；第二階段中拆除角柱和中柱的設(shè)計(jì)則是模擬結(jié)構(gòu)物局部發(fā)生破壞對(duì)結(jié)構(gòu)整體的影響，即體現(xiàn)結(jié)構(gòu)魯棒性。賽題與時(shí)俱進(jìn)，凸顯了新的時(shí)代下人們對(duì)保障建筑物安全的更高準(zhǔn)則，也是本次競(jìng)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(dòng)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(lái)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(duì)安全，在后續(xù)將要截?cái)嗟闹臃秶鷥?nèi)設(shè)置是受力忽略不計(jì)的構(gòu)件（圖3），圖3中藍(lán)色填充的方框表示本次競(jìng)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(qiáng)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(xì)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(shí)從結(jié)果來(lái)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(jì)的初衷，筆者認(rèn)為賽題應(yīng)該規(guī)定為：拆除對(duì)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)形式的鐵塊放置在150 mm×150 mm的平面內(nèi)來(lái)實(shí)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(huì)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(dāng)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(lái)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(jìng)賽成功、競(jìng)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(shí)際，既要從實(shí)際中來(lái)，又要求難度不能過大，還要防止漏洞，同時(shí)也要考慮到競(jìng)賽評(píng)審的科學(xué)性和可操作性，以及測(cè)試儀器研發(fā)和指標(biāo)設(shè)定的科學(xué)性、準(zhǔn)確性、客觀性，減少人為主觀因素的干擾，以體現(xiàn)競(jìng)賽的公平性和公正性。

2.2 關(guān)于計(jì)算書

賽題中計(jì)算書評(píng)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(shí)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(jìn)行受力分析并制作計(jì)算書。由于模型制作的成本不高，所以學(xué)生實(shí)際是將模型進(jìn)行多次的加載試驗(yàn)來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)，嚴(yán)重缺乏理論分析。這與結(jié)構(gòu)先設(shè)計(jì)后施工的工程順序相悖。賽題也沒有明確計(jì)算書與加載結(jié)果的匹配要求，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)實(shí)際內(nèi)力與計(jì)算書差異較大，計(jì)算分析其實(shí)并沒有在結(jié)構(gòu)選型和優(yōu)化設(shè)計(jì)中起到重要作用，模型的設(shè)計(jì)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(jì)競(jìng)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(jī)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(yuǎn)，會(huì)影響模型的后期承載力，可能無(wú)法體現(xiàn)參賽隊(duì)伍的真實(shí)水平。比如：502膠容易滲進(jìn)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(shí)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(huì)影響到桿件質(zhì)量外，桿件之間的連接是否牢固對(duì)于整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也至關(guān)重要，從這點(diǎn)上來(lái)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(jìng)賽顯得過于強(qiáng)調(diào)手工的制作水準(zhǔn)。

結(jié)構(gòu)大賽目的主要是培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)動(dòng)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(chǎng)實(shí)際運(yùn)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(jì)競(jìng)賽采用長(zhǎng)螺桿頂部設(shè)置加載平臺(tái)、剪斷配重塊拉繩的方式，來(lái)模擬結(jié)構(gòu)遭受沖擊、爆炸等突發(fā)破壞作用。設(shè)備簡(jiǎn)單且能夠達(dá)到競(jìng)賽的要求，反映出主辦方在賽題設(shè)計(jì)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(jìng)賽構(gòu)件或本科教學(xué)設(shè)備配件，同時(shí)，設(shè)備也不能用于本科教學(xué)，存在資源浪費(fèi)現(xiàn)象。因此在賽題選擇時(shí)，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(shí)驗(yàn)器材中或往屆競(jìng)賽設(shè)備中選取或改造而來(lái)，降低成本，不能讓參賽的費(fèi)用成為比賽的障礙。

2.5 學(xué)生對(duì)于競(jìng)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(tái)板上，平臺(tái)板由此帶動(dòng)模型一起移動(dòng)一段距離，隨后釋放砝碼重量，從而平臺(tái)板隨模型一起做往返振動(dòng)，通過這種方式來(lái)模擬地震作用，那么這種方式下的振動(dòng)幅度有多大，對(duì)結(jié)構(gòu)造成的影響有多少，很多學(xué)生沒有現(xiàn)場(chǎng)觀察和試驗(yàn)，憑自己主觀經(jīng)驗(yàn)感受來(lái)估計(jì)了模型的振動(dòng)幅度，直到比賽的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)真實(shí)的振動(dòng)幅度遠(yuǎn)比想象中的要小很多，造成了結(jié)構(gòu)材料浪費(fèi)，結(jié)構(gòu)安全度過高的后果。

其次，很多同學(xué)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)概念有大致的把握，但是卻鮮有同學(xué)認(rèn)真分析和計(jì)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(qiáng)度，很少同學(xué)認(rèn)真分析每根桿件受到的壓力有多大，這樣的壓力對(duì)于竹材來(lái)講需要多大的橫截面積，全憑主觀意識(shí)，沒有充分認(rèn)識(shí)到材質(zhì)的受力性能，導(dǎo)致材料的浪費(fèi)。

雖然學(xué)生在競(jìng)賽中存在如上需要改進(jìn)的方面，但是競(jìng)賽也能激勵(lì)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(jì)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(lái)進(jìn)行，而這些計(jì)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(lái)學(xué)習(xí)，也可以主動(dòng)請(qǐng)教老師，無(wú)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(lái)，由此大大擴(kuò)展了他們的知識(shí)面。

2.6 競(jìng)賽后續(xù)的環(huán)節(jié)

教育部卓越工程師計(jì)劃的培養(yǎng)目標(biāo)中強(qiáng)調(diào)：加強(qiáng)學(xué)校和社會(huì)的聯(lián)系，在人才培養(yǎng)過程中加大工程實(shí)踐教學(xué)的比例，加強(qiáng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)。通過競(jìng)賽可以培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神、提高動(dòng)手能力、設(shè)計(jì)、測(cè)量的能力、還可以增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的意識(shí)，擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)面，讓學(xué)生在過程中體現(xiàn)出更多的創(chuàng)新，提高他們?cè)儆龅嚼щy時(shí)解決問題的能力[5-7]。

傳統(tǒng)的競(jìng)賽方式主要有兩方面：學(xué)生提交模型和計(jì)算書、進(jìn)行加載同時(shí)并對(duì)自己的模型進(jìn)行匯報(bào)，加載完成即意味著結(jié)構(gòu)競(jìng)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(huì)、總結(jié)報(bào)告。把整個(gè)過程中的收獲和遺憾好好總結(jié)，為自己下次競(jìng)賽或者下一屆同學(xué)的比賽提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)；教師應(yīng)該也設(shè)計(jì)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(jìn)每一年的競(jìng)賽方案，進(jìn)一步完善和規(guī)范化競(jìng)賽的制度，做到題目多變，材料多樣化，以創(chuàng)新研究為目標(biāo)，鼓勵(lì)學(xué)生多了解課外專業(yè)知識(shí)，發(fā)揮競(jìng)賽的輻射作用。同時(shí)，應(yīng)設(shè)置一個(gè)有效交流平臺(tái)，對(duì)比賽過程中及賽后存在的問題及時(shí)反饋給舉辦方及組織者，可對(duì)以后的比賽起改善和促進(jìn)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(jì)競(jìng)賽以結(jié)構(gòu)魯棒性為主旨，抓住了時(shí)代脈搏，聯(lián)系了工程實(shí)際，競(jìng)賽中激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)的興趣，增強(qiáng)了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的意識(shí)，培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐精神，增強(qiáng)了學(xué)生動(dòng)手能力、試驗(yàn)水平和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。學(xué)生充分利用所學(xué)知識(shí)并發(fā)揮自學(xué)能力，通過觀察實(shí)體結(jié)構(gòu)，去理解專業(yè)理論知識(shí)，并把所學(xué)運(yùn)用在模型制作上來(lái)；從加載失敗的模型中學(xué)會(huì)總結(jié)分析并進(jìn)行合理的優(yōu)化和加固，同時(shí)極大地促進(jìn)和推動(dòng)了各高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和實(shí)驗(yàn)室、創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐基地的建設(shè)，成為高校實(shí)踐教學(xué)改革的切入點(diǎn)。競(jìng)賽得到了社會(huì)企業(yè)的大力支持和資助，企業(yè)在為競(jìng)賽提供良好條件的同時(shí)，也吸引了畢業(yè)生到企業(yè)工作，體現(xiàn)了社會(huì)參與教育、教育回報(bào)社會(huì)的良性互動(dòng)關(guān)系。

3.2 展望

命題的好壞是競(jìng)賽能否成功舉辦的關(guān)鍵所在，應(yīng)仔細(xì)考慮，減少歧義和漏洞，今后可以考慮用趣味競(jìng)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(jiǎn)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(shí)體材料吻合；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制作要體現(xiàn)工程實(shí)際工藝，充分把握材料、構(gòu)件和模型的實(shí)際性能；競(jìng)賽過程中及賽后，應(yīng)建立有效的合作交流平臺(tái)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)；應(yīng)逐漸對(duì)競(jìng)賽進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化管理，包括組織機(jī)構(gòu)、組織程序和流程、競(jìng)賽過程規(guī)范化管理等方面制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，固定統(tǒng)一模式，從命題、競(jìng)賽組委會(huì)組織、專家聘任、場(chǎng)地布置、評(píng)審表格等方面制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和要求，使競(jìng)賽管理更加規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)資源共享，確保競(jìng)賽質(zhì)量水平和品牌形象。

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