結構設計競賽模型制作的方法與技巧

周耀 劉毅

摘? 要：介紹了結構設計競賽概況和競賽用材料與工具。從結構選型、構件設計、模型節點處理三方面，介紹了結構設計競賽中模型制作的方法與技巧。并針對競賽中常見問題進行了解析。

關鍵詞：結構設計競賽;結構模型;模型制作;土木工程

中圖分類號：TU318? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）05-0097-02

1 結構設計競賽概況

土木工程有著悠久的歷史，其專業綜合性強，涉及學科面廣，基礎要求高。學科競賽是培養專業人才創新能力的重要平臺。競賽旨在培養大學生的學習能力、溝通能力、組織能力、團隊協作能力、創新能力和實踐能力，提升大學生的綜合素質，從而進一步提高本科生培養和教學質量。

目前賽事主要有全國大學生結構設計競賽及各省市大學生建筑結構設計競賽。對于培養大學生的創新意識、合作精神，提高大學生的創新設計能力、動手實踐能力和綜合素質，加強高校間的交流與合作起到重要作用。

結構設計競賽的內容通常為給定某種材料，要求在規定時間內設計并制作出一個結構，通過加載試驗，綜合考慮各項因素決出獲獎等級。模型材料一般為以竹皮或白卡紙居多，并輔以膠水、線繩等。制作的結構形式有建筑、橋梁等。評分內容一般包含方案設計、理論分析、模型制作、作品介紹與答辯以及模型加載實驗等方面。結構加載類比賽，一般在相同加載條件下，結構模型質量輕者獲勝或模型加載位移與模型質量綜合評判。

2 材料與工具

結構設計競賽用材料有竹材或白卡紙。本文僅討論竹材。2018年全國大學生結構設計競賽竹材規格及用量見表1。竹材參考力學指標見表2。

表2 竹材參考力學指標

制作工具有：502膠水、砂紙、切割刀、直尺、三角尺、量角器、鉛筆、橡皮擦、鑷子、橡膠手套等。砂紙打磨桿件端部，獲得所需要的桿件精確尺寸，打磨桿件節點處接觸面以增加接觸， 打磨時需謹慎打磨，勿露出竹皮絲狀物。鉛筆、直尺在竹皮上繪制桿件平面設計圖。切割刀切割修剪竹皮。為防止膠水粘手，可用鑷子夾持細小構件，使用橡膠手套防護雙手，也可以用膠布纏繞指尖。

3 模型設計與制作

模型選型原則為“大膽假設，小心求證”。假設時，須防止賽題示意圖的模型束縛思路，也不得被常見模型約束，應勇于借鑒創造。求證時，須運用相關力學知識或軟件，進行邏輯嚴密的論證所選型的可行性與合理性[1]。

構件設計原則為“合理材料，局部加強”。同時對于某一局部，若多重加強后仍不理想，應考慮構建整體加強（如修改界面尺寸等）。結構造型須考慮材質特點：竹皮的受拉性能要好于受壓。傳力路徑要明確，力的傳遞路徑要短。造型要簡潔、美觀、新穎。

桿件的截面形式常見的有矩形、圓形、三角形等形狀。為得到更大的抗彎剛度，截面一般做成空心，也可以在桿件內部加肋，以增強整體穩定性。矩形截面桿件制作簡單，正方形截面各向受剪能力相同，適用于雙向組合受壓，也適合軸心受壓，單向受剪力時，材料未能充分利用;長方形截面適用于單向受剪，材料利用充分。矩形截面中間空心大，受偏心力時易失穩。三角形截面相對于矩形截面，減少一個截面，用料少，三角形結構穩定，不易失穩，但是節點連接復雜。圓形截面各向受壓受剪性能都很好，用料少，但節點連接困難。

模型節點受力較大且受力復雜，難于計算，并且由于設計和制作誤差，在節點處難免存在縫隙，因此有必要對節點進行縫隙填塞和節點加強處理。

3.1 縫隙填塞

膠水的品種不同密度也不一樣一般在1.1g/cm3-2.0g/cm3之間，竹皮密度0.8g/cm3。結構設計競賽稱為“一克的藝術”，為了盡可能減輕模型的質量，節點縫隙需用竹皮填滿，然后滴上膠水即可。膠水滴注過的竹皮強度會有一個較大的提升，這樣的做法并不削弱結點的連接。

3.2 節點加強

模型節點處受力復雜，是整個結構模型中的薄弱環節，在結構設計大賽中很多的破壞都是由節點破壞引起的，因此在結構設計與制作時還應綜合考慮各方面因素來選擇適合的方法加強節點連接。常用方法有：貼薄片法、加楔法、交錯粘貼法、拉竹條法[2]和裹絲狀竹材法。

“貼薄片法”在結點處加一塊薄片。可以控制結點剛度，使得模型整體剛度增加，操作簡單，在提高結點強度和模型整體剛度的同時，模型自重的增加卻很小。“加楔法”在結點處的各個桿件之間加上楔子。增大連接點之間的接觸面積，使得相接于一點的各桿件之間的粘結更為牢固，能很好的控制各桿件在結點處的位移，從而控制了撓度。

“交錯粘貼法”采用兩構件表面重疊粘結的方法，將結點處使用的竹片交錯粘貼。通過增大兩桿件的有效接觸面積消除結點過小的各種不利因素，提高構件間的穩定和剛度要求。“拉竹條法”即利用竹條良好的韌性和強度將位于結構同一平面內的結點用竹條交叉粘結。這種做法的好處是竹條質量輕，可將此結點處的荷載傳遞到其他處，大大減少了結點處的危險荷載。

“裹絲狀竹材法”將竹皮打磨出絲狀物，然后纏裹節點。對于多個桿件共節點的加固，簡單高效。

4 模型制作常見問題

（1）桿件長細比過大。桿件長細比過大會導致結構加載時失穩，可以采用分層加以解決。

（2）結構扭轉。結構抗扭有效解決方法是加斜撐。

（3）底部節點間有橫桿。為減小模型質量，取消橫桿，不影響整體結構受力。

（4）結構最上部截面缺橫桿。為減小結構不均勻受力和增強結構整體性能，最上部截面需加水平桿件。

5 結束語

隨著土木工程專業的本科生教學水平的不斷提高，對實踐環節要求越來越高，通過對結構設計競賽的模型制作過程注意事項和常見問題進行分析和介紹，有利于參賽學生在有限時間內運用所學知識，發揮創新能力，設計并制作出優秀的結構設計競賽模型，在結構設計競賽中取得優異成績。

參考文獻：

[1]雷云堯，劉曉旭.竹皮結構設計制作規范（XB10001-2014）[S].華中科技大學武昌分校學校標準，2015.

[2]耿琳，張宇，李明澤.大學生結構設計競賽模型結點處理淺析[J].卷宗，2016：489.