結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽的體會與思考

程 弋 洋

(成都樹德中學(xué)，四川 成都 610031)

0 引言

結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的重要途徑[1]。目前有關(guān)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽理論計算方法與模型制作技術(shù)均有較成熟的發(fā)展[2,3]，而針對中學(xué)生的結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽則更具有挑戰(zhàn)性。本文以第二屆“登峰杯”全國中學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽(決賽)為例，回顧分析比賽中存在的問題并提出相應(yīng)解決方案，初步探討大賽對中學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要作用。

1 賽前準(zhǔn)備

1.1 組建隊伍

每個參賽隊由3名學(xué)生和1名～2名指導(dǎo)教師組成；參賽隊員和指導(dǎo)教師需要良好溝通和交流，隊員之間的分工協(xié)作也至關(guān)重要，隊長負(fù)責(zé)管理時間與分工，同時協(xié)調(diào)與校核結(jié)果；兩名隊員一人負(fù)責(zé)管理設(shè)計圖紙，一人負(fù)責(zé)材料準(zhǔn)備；在結(jié)構(gòu)制作時，手工弱的隊員負(fù)責(zé)材料準(zhǔn)備與協(xié)助，手工強(qiáng)的隊員承擔(dān)主要構(gòu)件的粘結(jié)工作。

1.2 材料準(zhǔn)備

訓(xùn)練時要提前準(zhǔn)備大賽指定的材料和工具，保證主材和粘結(jié)材料余量；還要準(zhǔn)備膠水滴管，便于控制502膠水流速和用量，改善構(gòu)件性能。

熟悉材料的性能和工具的使用也很重要。桐木條呈脆性，需按純彈性結(jié)構(gòu)設(shè)計并保留一定安全系數(shù)。建議用桐木片制作箱型桿件與受拉條帶，滿足質(zhì)量輕強(qiáng)度高的要求；模型的受力桿件采用8 mm×1 000 mm×2 mm規(guī)格木條制作。工具使用會影響制作速度與模型的精度與強(qiáng)度，如美工刀的握刀手型、發(fā)力程度、刀切入角度以及剪刀裁剪都需要不斷摸索，找到自己合適的感覺。

2 比賽訓(xùn)練

2.1 賽題分析

比賽要求制作一個空間結(jié)構(gòu)模型，安裝在加載裝置上，用于抵抗豎向靜力荷載和動力荷載。除對模型在加載安裝過程提出基本要求外，限制條件較少，選手可以根據(jù)自己的理解，計算選取最合適的模型設(shè)計方案和結(jié)構(gòu)尺寸，既保證模型的承載能力，又盡量減輕模型自重，實現(xiàn)最大荷重比。

2.2 模型設(shè)計

模型設(shè)計需要選手掌握結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本知識，進(jìn)行必要的計算和繪圖，對于中學(xué)生具有挑戰(zhàn)性，需要指導(dǎo)教師的指導(dǎo)與幫助。施工圖繪制要考慮材料的切削所引起的構(gòu)件尺寸的改變，下料時需保留長度余量。

安全、經(jīng)濟(jì)、美觀是結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求，模型荷重比體現(xiàn)模型結(jié)構(gòu)的合理性和材料利用效率，結(jié)構(gòu)設(shè)計不能太復(fù)雜，桿件數(shù)要盡量少而輕。設(shè)計過程中把握三個主要原則：一是傳力途徑簡潔，明確。二是強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)剪弱彎，強(qiáng)節(jié)點弱構(gòu)件。三是拉壓平衡，拉桿強(qiáng)度控制，壓桿穩(wěn)定控制。

根據(jù)以上設(shè)計原則與學(xué)生施工能力，選擇平面結(jié)構(gòu)組裝而成的空間結(jié)構(gòu)(見圖1)，豎向荷載承重體系采用平面桁架結(jié)構(gòu)，利用多根橫梁將平面桁架結(jié)構(gòu)聯(lián)系成為空間結(jié)構(gòu)。該模型傳力途徑明確荷載至橫梁，橫梁至平面桁架，桁架至支座，充分考慮了結(jié)構(gòu)構(gòu)件在拉、壓、彎、剪、扭等五種受力狀態(tài)下的特性，以合理的設(shè)計充分利用材料的強(qiáng)度。

2.3 模型制作

模型制作是一個逐步學(xué)習(xí)摸索的過程，包括下料、桿件制作、節(jié)點處理等幾個環(huán)節(jié)。

1)下料。

根據(jù)模型設(shè)計需要以及由于訓(xùn)練消耗情況，提前一次性裁剪相應(yīng)規(guī)格材料備用，保證邊緣齊整，無毛刺。

2)桿件制作。

將裁剪好的桐木條按照桿件要求用膠水凝固成型。粘貼前，必須確保模板在平臺的平面上，盡量不要懸空。膠水應(yīng)當(dāng)均勻涂抹，不宜多涂，觀察桿件粘結(jié)筆直，有無扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。由于手工要求很高，需要較長時間練習(xí)，逐步提升效率和制作進(jìn)度。

3)節(jié)點處理。

節(jié)點處理復(fù)雜、細(xì)致，需要極強(qiáng)的耐性和手工的精細(xì)度。一是用桐木條在砂紙上打磨后的粉末進(jìn)行填補(bǔ)縫隙。二是對節(jié)點進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，通常采用耳板粘貼。為保證節(jié)點剛性，需采用小的三角貼片進(jìn)行加固處理。

2.4 加載實驗與優(yōu)化

模型加載過程分靜力荷載和動力荷載兩階段。為確保加載實驗的有效性，參賽隊要事先按比賽要求定制簡易測試平臺，參照競賽加載過程進(jìn)行加載實驗并觀測和記錄數(shù)據(jù)，檢驗構(gòu)件強(qiáng)度設(shè)計的合理性。同時基于加載實驗結(jié)果對模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。根據(jù)評分規(guī)則，結(jié)構(gòu)體系和模型做工各10分，模型加載80分，要特別重視加載實驗。

3 比賽臨場發(fā)揮

比賽臨場發(fā)揮以及比賽時間和節(jié)奏的把握也至關(guān)重要。正式比賽包括結(jié)構(gòu)模型設(shè)計制作、現(xiàn)場答辯和模型測試等環(huán)節(jié)，其中模型制作時間為12.5 h，分2 d完成。參賽隊在比賽一開始要根據(jù)比賽要求，準(zhǔn)確快速進(jìn)行設(shè)計與制作，注意分工協(xié)作與溝通交流，及時發(fā)現(xiàn)和解決問題。

4 主要的體會

通過參加初賽和決賽，參賽隊員各方面素質(zhì)得到了有效鍛煉和提高。一是增強(qiáng)了主動學(xué)習(xí)能力；二是提高了分析和解決問題的能力；三是培養(yǎng)了動手能力；四是鍛煉了組織協(xié)調(diào)能力。