結(jié)構(gòu)模型在土木工程中的作用范文

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一、模型競(jìng)賽與實(shí)際工程的關(guān)聯(lián)

結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)與實(shí)際工程設(shè)計(jì)有著緊密的聯(lián)系，其設(shè)計(jì)過程與實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程大同小異。結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)過程需要結(jié)構(gòu)工程學(xué)科的基本理論知識(shí)和專業(yè)知識(shí)，是了解學(xué)生是否掌握力學(xué)基本原理與分析方法、工程材料的基本性能和適用條件、結(jié)構(gòu)構(gòu)件的力學(xué)性能和計(jì)算原理等的最直接檢驗(yàn)，可為學(xué)生今后從事結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)、施工、管理以及研究開發(fā)等實(shí)踐性工作打下基礎(chǔ)。但是由于結(jié)構(gòu)模型在幾何外形上遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實(shí)際結(jié)構(gòu)，因此二者在材料選用、材料性能、設(shè)計(jì)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(shí)際工程常用的結(jié)構(gòu)材料有混凝土、鋼材、砌體等。研究人員對(duì)材料的力學(xué)性能已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)可以按設(shè)計(jì)規(guī)范采用。美國土木工程師協(xié)會(huì)土木工程競(jìng)賽中的混凝土輕舟和鋼橋項(xiàng)目，所用材料為輕質(zhì)混凝土和鋼材，模型的設(shè)計(jì)、加工和制作與實(shí)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(nèi)舉辦的各種級(jí)別的結(jié)構(gòu)競(jìng)賽活動(dòng)，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(jī)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(jié)劑。這類材料的材性受生產(chǎn)廠家、外界環(huán)境、制作工藝等多種因素影響而差異性較大。

(二)設(shè)計(jì)原則

目前，實(shí)際工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)的以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)使用過程中結(jié)構(gòu)可能同時(shí)出現(xiàn)的荷載，按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分別進(jìn)行最不利荷載組合，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為保證結(jié)構(gòu)的可靠度，通過在設(shè)計(jì)表達(dá)式中采用作用分項(xiàng)系數(shù)和抗力分項(xiàng)系數(shù)來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該對(duì)局部缺陷不敏感，不會(huì)因局部構(gòu)件破壞影響結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，因此，結(jié)構(gòu)應(yīng)有一定的安全儲(chǔ)備。建筑設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)過程中最重要的兩個(gè)環(huán)節(jié)，建筑設(shè)計(jì)決定了建筑物的外形、布局和使用功能，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中占主導(dǎo)地位，因此，實(shí)際工程中更注重建筑方案的美觀、新穎和標(biāo)新立異，這往往使得結(jié)構(gòu)工程師不能選擇最為經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)競(jìng)賽則重在考查結(jié)構(gòu)體系的經(jīng)濟(jì)合理性。在各種級(jí)別的結(jié)構(gòu)模型競(jìng)賽中，模型質(zhì)量和剛度在評(píng)分中占有很大比重，模型的外觀評(píng)分一般不超過10%。因此在競(jìng)賽中脫穎而出的模型一般結(jié)構(gòu)布置簡(jiǎn)單、傳力路徑明確、質(zhì)量較輕、剛度相對(duì)較高、力學(xué)性能發(fā)揮到極致，而造型復(fù)雜、外形新穎、注重美觀的模型往往難以取得較好的成績(jī)。同時(shí)，參與結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)競(jìng)賽的作品和實(shí)際結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)理念上有很大差異，結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)集專業(yè)知識(shí)、專業(yè)技能和競(jìng)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(píng)定成績(jī)?yōu)槟繕?biāo)。模型質(zhì)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(dòng)載作用下表現(xiàn)未必良好。因此，相對(duì)于實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)競(jìng)賽在結(jié)構(gòu)專業(yè)知識(shí)和實(shí)踐能力上需要考慮的內(nèi)容更多，但是結(jié)構(gòu)布置受建筑使用功能影響較小。

二、模型競(jìng)賽對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)的提高

(一)創(chuàng)新能力

土木工程專業(yè)大學(xué)生的創(chuàng)新能力是指運(yùn)用專業(yè)理論知識(shí)，在土木工程領(lǐng)域中不斷提供具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值、社會(huì)價(jià)值、生態(tài)價(jià)值的新思想、新理論、新方法和新發(fā)明的能力?！皠?chuàng)新”可以是創(chuàng)造前所未有的結(jié)構(gòu)形式，也可以是在模仿和仿造的同時(shí)在結(jié)構(gòu)局部體現(xiàn)新的發(fā)展和突破。結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)競(jìng)賽為學(xué)生提供了一個(gè)展示自己結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力的平臺(tái)，依托此類競(jìng)賽，學(xué)生可以運(yùn)用專業(yè)知識(shí)和理論大膽嘗試新穎的結(jié)構(gòu)形式。在結(jié)構(gòu)模型的選型、計(jì)算分析、計(jì)算書的編制、模型制作和最終加載的各個(gè)環(huán)節(jié)，參賽學(xué)生需明確分工又要通力協(xié)作，能有效提高學(xué)生的計(jì)算分析能力、動(dòng)手實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)合作能力和逆境處理能力。賽題規(guī)定了模型的最大橫截面尺寸和模型高度，要求設(shè)計(jì)一雙懸臂結(jié)構(gòu)，在豎向靜力加載和水平靜力加載下模型剛度滿足要求，側(cè)向擺動(dòng)加載作用下主體結(jié)構(gòu)不倒塌。從設(shè)計(jì)要求來看，此結(jié)構(gòu)模型的受力狀態(tài)和現(xiàn)實(shí)生活中的塔吊的受力狀態(tài)類似。

(二)計(jì)算能力

一個(gè)優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)模型作品，不僅應(yīng)滿足競(jìng)賽規(guī)定的外形尺寸，具有協(xié)調(diào)、合理的結(jié)構(gòu)布置，還應(yīng)在靜力和動(dòng)力加載環(huán)節(jié)具有足夠的承載力和較好的剛度。雖然結(jié)構(gòu)模型的剛度與制作質(zhì)量的關(guān)系很大，同樣的構(gòu)件截面因構(gòu)件制作和節(jié)點(diǎn)處理的不同剛度會(huì)有很大的差異，但是通過計(jì)算分析可以掌握結(jié)構(gòu)體系的傳力路徑、內(nèi)力分布和桿件受力特性。充分利用拉桿的抗拉性能對(duì)減小模型重量有很大幫助，而判斷構(gòu)件的拉壓性質(zhì)需通過對(duì)各加載工況進(jìn)行充分的受力分析方能判別，這就需要學(xué)生掌握一種常用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件或有限元分析軟件，如sap2000、3d3s和ANSYS等。因此，參賽學(xué)生在拿到賽題后，需要根據(jù)所需專業(yè)知識(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案的比選，通過計(jì)算分析確定較為合理的結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)而通過精工細(xì)作來實(shí)現(xiàn)模型所預(yù)期的力學(xué)性能。歷屆結(jié)構(gòu)模型競(jìng)賽的結(jié)果表明，取得優(yōu)異成績(jī)的參賽學(xué)生均對(duì)結(jié)構(gòu)體系的受力特性有充分的了解，在結(jié)構(gòu)選型、荷載計(jì)算、內(nèi)力分析和承載能力估算過程中，學(xué)生的計(jì)算分析能力得到不斷的提升。

(三)綜合能力

結(jié)構(gòu)模型競(jìng)賽的目的在于鼓勵(lì)學(xué)生將理論與實(shí)踐相結(jié)合。通過對(duì)專業(yè)知識(shí)的靈活運(yùn)用和同組成員的共同努力，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)合作精神和創(chuàng)新能力。結(jié)構(gòu)模型競(jìng)賽一般要求學(xué)生組成幾人小組參賽。由于在結(jié)構(gòu)方案、計(jì)算分析、計(jì)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(xiàn)場(chǎng)完成。這就要求小組學(xué)生具有團(tuán)隊(duì)合作精神，成員之間分工明確、配合默契、充分發(fā)揮各自的長處，方能在競(jìng)賽中取得優(yōu)異的成績(jī)。比如小組成員或擅長手工制作，或力學(xué)知識(shí)扎實(shí)，或善于計(jì)算分析，對(duì)于需要進(jìn)行方案陳述的競(jìng)賽，還應(yīng)有較好的口頭表達(dá)能力。同時(shí)，在編寫計(jì)算書、繪制結(jié)構(gòu)圖和利用多媒體介紹的過程中，會(huì)用到3dsMax，Autocad，Excel和Powerpoint等軟件，無形中學(xué)生在競(jìng)賽中主動(dòng)掌握很多軟件的使用，甚至有些知識(shí)已超出了對(duì)本科生能力的要求。但也正是這種競(jìng)賽活動(dòng)，促使學(xué)生有興趣、有目的、有動(dòng)力地學(xué)習(xí)各方面的知識(shí)，綜合能力得到極大提高。此外，結(jié)構(gòu)模型競(jìng)賽的參賽對(duì)象是在校大學(xué)本科生，由于學(xué)校的學(xué)業(yè)壓力很重，參賽學(xué)生只能利用業(yè)余時(shí)間備賽，因此備賽的過程非常辛苦，需要付出比其他學(xué)生更多的努力和汗水。為取得優(yōu)異成績(jī)，參賽學(xué)生需要制作多個(gè)模型進(jìn)行試加載，而加載成功與否對(duì)學(xué)生心智的磨練是其他教學(xué)活動(dòng)無法替代的。進(jìn)一步而言，即使加載成功，但由于結(jié)構(gòu)競(jìng)賽是一個(gè)追求無極限的過程，在正式比賽之前，學(xué)生一直處于追求相對(duì)更輕的模型重量、相對(duì)更高的模型承載力和相對(duì)更好的模型剛度的過程。在這個(gè)過程中，學(xué)生花費(fèi)幾天時(shí)間做出來的模型也許在加載的幾秒內(nèi)就毀于一旦，有的學(xué)生可能因無法忍受挫折而中途放棄，也有的學(xué)生愈挫愈勇，在失敗中找到結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)后進(jìn)一步改進(jìn)，不僅鞏固了自己的專業(yè)知識(shí)，同時(shí)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(jiān)毅品格正是土木工程專業(yè)人才所需要的素質(zhì)。

三、模型競(jìng)賽中應(yīng)注意的問題

(一)材性測(cè)試的必要性

結(jié)構(gòu)模型競(jìng)賽中常用模型材料為木材、竹片、白卡紙等，不同的生產(chǎn)廠家或產(chǎn)地對(duì)這些材料的材性影響很大。木材和竹材是實(shí)際工程中也會(huì)用到的建筑材料，由于材料的強(qiáng)度及其相關(guān)的力學(xué)參數(shù)受試件尺寸的影響(尺寸效應(yīng))，雖然相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范中有對(duì)材料的強(qiáng)度、彈性模量等基本力學(xué)參數(shù)的規(guī)定，但是材料在結(jié)構(gòu)模型中所表現(xiàn)出來的力學(xué)性能和在實(shí)際工程中有很大的差異，因此，不能直接拿來應(yīng)用。為了得到較為準(zhǔn)確的模型材料性質(zhì)，掌握相對(duì)準(zhǔn)確的構(gòu)件承載性能，對(duì)模型材料進(jìn)行簡(jiǎn)單的力學(xué)性能試驗(yàn)是必要的。

(二)重視結(jié)構(gòu)計(jì)算

結(jié)構(gòu)模型競(jìng)賽的參賽對(duì)象是全日制大學(xué)本科生，由于高年級(jí)學(xué)生有考研、出國和就業(yè)等壓力，因此一般低年級(jí)的學(xué)生參與較多。但是低年級(jí)學(xué)生尚未接受專業(yè)課教育，缺乏結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)概念，在專業(yè)知識(shí)和計(jì)算能力方面較欠缺，因此，他們更重視模型制作而忽視計(jì)算分析。尤其在一些大學(xué)的校內(nèi)結(jié)構(gòu)賽中，由于大家在計(jì)算方面的缺失，學(xué)生之間相互模仿、抄襲，最后可能出現(xiàn)大批外形幾乎完全相同的結(jié)構(gòu)模型，對(duì)此，應(yīng)給予高度重視。

(三)制作工藝的影響

由于結(jié)構(gòu)模型幾何尺寸很小，模型的制作質(zhì)量主要取決于構(gòu)件的制作質(zhì)量和連接節(jié)點(diǎn)的可靠性。一般而言，結(jié)構(gòu)布置越簡(jiǎn)潔，傳力途徑越直接，節(jié)點(diǎn)和所用粘結(jié)劑越少，構(gòu)件破壞的可能性越小，這也得到參賽學(xué)生的普遍認(rèn)可。參賽學(xué)生在備賽過程中需要制作多個(gè)模型進(jìn)行試加載，很多時(shí)候構(gòu)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(xiàn)不盡相同，甚至可能會(huì)出現(xiàn)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(zhì)量。此外，模型材料厚度、密度和力學(xué)性能等的離散型對(duì)模型質(zhì)量也有很大影響，這就需要參賽學(xué)生在模型制作之前進(jìn)行選材。有條件的情況下可采用電子秤對(duì)原材料進(jìn)行稱重，挑選質(zhì)地相對(duì)較好的木片或竹片。模型制作完畢后，構(gòu)件表面上殘存的膠水、木屑等對(duì)構(gòu)件力學(xué)性能無益但會(huì)增加模型質(zhì)量，對(duì)模型表面進(jìn)行打磨既可清除表面的殘留物，又可提高外表面的觀感質(zhì)量。

(四)指導(dǎo)教師的作用

為培養(yǎng)大學(xué)生的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念和計(jì)算分析能力，一般校際、省級(jí)、全國甚至國際結(jié)構(gòu)模型競(jìng)賽都允許指導(dǎo)教師對(duì)本校的參賽隊(duì)進(jìn)行專業(yè)指導(dǎo)。由于很多學(xué)校對(duì)在結(jié)構(gòu)模型競(jìng)賽中是否獲獎(jiǎng)非常在意，因此給參賽學(xué)生和教師很大壓力。在有些賽事中指導(dǎo)教師親自上陣幫助學(xué)生進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置、計(jì)算分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，學(xué)生只是執(zhí)行指導(dǎo)教師的設(shè)計(jì)方案。指導(dǎo)教師的參與度太高會(huì)影響競(jìng)賽的公平性，因此，建議在今后的結(jié)構(gòu)競(jìng)賽中弱化甚至取消指導(dǎo)教師，以使學(xué)生在同樣的環(huán)境下靠自己的能力完成比賽。指導(dǎo)教師的作用應(yīng)該體現(xiàn)在賽前對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)概念和計(jì)算能力的培養(yǎng)，而非體現(xiàn)在應(yīng)對(duì)具體的競(jìng)賽中。

(五)評(píng)分規(guī)則

各類結(jié)構(gòu)模型競(jìng)賽對(duì)模型外觀、制作質(zhì)量、計(jì)算書編寫、模型在靜載下的剛度和動(dòng)載下的抗倒塌能力的評(píng)估在總評(píng)中都占有一定權(quán)重，這就決定了結(jié)構(gòu)模型競(jìng)賽具有一定的競(jìng)技性。為在競(jìng)賽中取得優(yōu)異的成績(jī)，參賽學(xué)生不僅需要在模型設(shè)計(jì)和制作上下工夫，同時(shí)還要研究評(píng)分規(guī)則中各要素的影響權(quán)重。比如增大模型的質(zhì)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(jié)構(gòu)形式等，目的是為了獲得更高的總評(píng)成績(jī)。實(shí)際上競(jìng)賽中的評(píng)分規(guī)則反映了實(shí)際工程項(xiàng)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(jìn)入施工圖設(shè)計(jì)階段后，成本控制和安全性(對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)賽中的模型質(zhì)量、剛度)處于控制性的位置;從整個(gè)建設(shè)過程來看，各種技術(shù)資料是建筑物各種性能的重要檔案(對(duì)應(yīng)模型競(jìng)賽中的計(jì)算文件編寫)，對(duì)建筑物的正常使用和日后維護(hù)起著決定性作用。由此可見，學(xué)生參與結(jié)構(gòu)模型競(jìng)賽的過程相當(dāng)于實(shí)際工程項(xiàng)目各階段的再現(xiàn)，因此制作結(jié)構(gòu)模型的過程對(duì)鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生的結(jié)構(gòu)概念、動(dòng)手能力和計(jì)算能力等各方面都有很大的幫助。

四、結(jié)論

文章通過分析結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)競(jìng)賽和實(shí)際工程的關(guān)聯(lián)，從材料選用和設(shè)計(jì)原則的角度出發(fā)，闡述結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)和實(shí)際工程設(shè)計(jì)的差異，分析了結(jié)構(gòu)模型競(jìng)賽在培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力、計(jì)算能力和綜合素質(zhì)等方面發(fā)揮的作用，提出了大學(xué)生在結(jié)構(gòu)模型競(jìng)賽過程中應(yīng)對(duì)模型材料進(jìn)行測(cè)試、注重模型的受力分析、提高模型的手工制作質(zhì)量，建議在今后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽中逐漸弱化指導(dǎo)教師的作用，指出競(jìng)賽評(píng)分規(guī)則與實(shí)際工程各階段的相互關(guān)系，以及對(duì)學(xué)生各方面能力培養(yǎng)的作用。（本文來自于《高等建筑教育》雜志?！陡叩冉ㄖ逃冯s志簡(jiǎn)介詳見.）

作者：陳俊嶺黃皇單位：同濟(jì)大學(xué)建筑工程系