福建省第十届大学生结构设计竞赛赛后分析及研究

范卫琴，曾武华，张红章

（1.三明学院 建筑工程学院，福建 三明 365004；2.三明学院 工程材料与结构加固福建省高等学校重点实验室，福建 三明 365004）

大学生结构设计竞赛以培养学生的创新能力、动手能力、实践能力及团结协作能力等为宗旨，以培养发现问题、分析问题和解决问题能力为目标，在全国高校中盛行并不断成长壮大[1-2]。福建省大学生结构设计竞赛始于2008年，至今已成功举办十届。每一届结构设计竞赛，均展现了别具一格的赛题、紧张而有序的模型制作过程、精彩而刺激的比赛加载现场以及做工精巧的结构作品等，值得我们去体会、学习和传承，但同时也存在一些瑕疵，需要我们去总结、回顾和反思。以福建省第十届结构设计竞赛为背景，从赛题的定制、模型优化设计、计算书的制作、最终竞赛和决赛等方面，探讨了本次结构竞赛中的成功之处，同时反思了本次结构竞赛中的不足，以总结经验教训。

1 赛事简介

福建省第十届大学生结构设计竞赛以“竹材建筑结构模型设计、制作和加载试验”为赛题，参赛者利用竞赛组委会提供的竹条、竹皮、热熔胶等材料，在规定条件下进行模型制作并编写设计书，最后按要求对结构加载。

1.1 模型要求

总体模型由加载台和建筑模型两部分组成，如图1所示。模型加载平台板为1 100 mm×1 100 mm的实木平台（厚度18 mm），通过高强螺杆与加载台底座连接，加载台右侧为水平向加载装置。

上部建筑属平面和立面不规则建筑。由三个总层数分别为 3、4和 5的子结构组成，底层平面为“L”形（图1和图2，各子结构的位置不允许变动）。建筑平面轴网尺寸为900 mm×900 mm，各拟设的柱子间距为150 mm，其中 6个角柱为必选项，均应设置（用“□”符号表示，并进行了编号），而其余柱子为可选项（用“○”符号表示），按需设置。结构层高最少为 210 mm（层高计算到楼面或屋面），同层楼（屋）面标高应一致，总建筑高度（计算至最高点）不超过1 200 mm。结构类型不限，但室内空间不允许设置空间斜撑（垂直投影线与建筑轴线不共线的支撑均定义为空间支撑）。

1.2 施加荷载

赛题要求所制模型上部建筑各层每150 mm×150 mm的平面面积内始终均施加500 g的竖向荷载。其他荷载的施加分两阶段进行。

第一阶段：在模型加载平台板的右侧分级进行水平力的加载和释放。第一级20 kg，第二级30 kg，第三级为自选项目，该级配重应大于30 kg且增量最小单位为1 kg，加载上限为50 kg。 按等级由小到大依次加载，每级荷载施加完成后，在规定时间范围进行荷载释放，在确保结构不发生失效的前提下进行下一级加载。

第二阶段的加载是以第一阶段模型完好为前提条件，以拆除底层柱的形式进行。该阶段分二级进行拆除：第一级：拆除1个“角柱”（图1所示）；第二级：为自选项目，拆除1个“中柱”。每一次加载完成后，模型静置20 s不出现结构失效，则判定该次加载成功。

图1 建筑模型和加载台平、立面示意图Figure 1 The plane and elevation view of building model and loading table

图2 建筑模型效果图Figure 2 Design sketch of building model

2 竞赛的反思与探讨

2.1 关于赛题

赛题思路来源于美国 “9.11”世贸双子塔倒塌事件，国内外专家学者认识到传统的结构只保证“安全性、适用性和耐久性”的设计理念，在目前大环境下存在一定的不足或缺陷，并据此提出了另一项保证指标—— — 结构鲁棒性（Structural Robustness）。国际标准ISO 2394（1998）《结构可靠性通则》将结构鲁棒性定义为：“结构在火灾、爆炸、冲击以及各种人为错误或破坏等突发事件作用下，不发生与初始破坏不成比例的大范围倒塌的能力。”

“每150 mm×150 mm的平面面积内始终均施加500 g的竖向荷载”这一阶段模拟的是结构承受的竖向荷载；第一阶段的水平振动模拟的是建筑物承受地震、撞击等因素引起的振动作用；第二阶段中拆除角柱和中柱的设计则是模拟结构物局部发生破坏对结构整体的影响，即体现结构鲁棒性。赛题与时俱进，凸显了新的时代下人们对保障建筑物安全的更高准则，也是本次竞赛的创新所在。

赛题的本意是希望模型的主体结构在承受竖向荷载和水平振动之后，主体受力构件一旦失效，结构剩余部分还有抵抗连续倒塌的能力。从参赛作品来看：学生充分分析了加载要求，利用赛题漏洞，为保证第二阶段加载的绝对安全，在后续将要截断的柱子范围内设置是受力忽略不计的构件（图3），图3中蓝色填充的方框表示本次竞赛参赛作品出现的主要受力柱子的平面布置情况，黑色未填充的方框表示赛题强制设置的柱子位置，为减轻模型重量，此位置处的柱子都是用竹皮或最细的竹条做象征性的摆设而已。虽然没有违反赛题规则，但其实从结果来看，这样的模型在赛题所规定的加载过程中并没有真正体现结构的鲁棒性。如要真正体现赛题设计的初衷，笔者认为赛题应该规定为：拆除对象为主要受力构件之一——不论主要受力构件置于何处。

从建筑抗震理念出发，图3所示的设计方法也违背了建筑结构抗震原理。若果要让建筑更有利于抗震，应该增加建筑物的整体刚度。这意味着：在用料相同的前提下，应该是将主要受力构件分散在结构周边布置更合理[3-4]，但是图3中所有的主要受力柱均布置在结构内部。

除此之外，结构自始至终均施加500 g的竖向荷载，是以标准形式的铁块放置在150 mm×150 mm的平面内来实现的，赛题的初衷是模拟建筑物要承受的竖向恒载和活载，既然是房屋，从使用功能上讲，肯定是会设置楼面板的，赛题没有明确要求有楼板设置，所以很多作品为了减轻重量，理所当然的在楼板的区间没有设置楼板，仅用几根竹条或竹皮来做了次梁，这种做法也违背了建筑结构的基本使用功能。

图3 柱子所在位置的平面布置图Figure 3 The plane layout of the column position

赛题命题是保证竞赛成功、竞赛有意义有水平的关键，这就要求题目不能天马行空不切实际，既要从实际中来，又要求难度不能过大，还要防止漏洞，同时也要考虑到竞赛评审的科学性和可操作性，以及测试仪器研发和指标设定的科学性、准确性、客观性，减少人为主观因素的干扰，以体现竞赛的公平性和公正性。

2.2 关于计算书

赛题中计算书评分部分仅占总分的10%，存在只重视模型的制作，不重视理论分析的现象。实际参赛中，大部分学生是先把模型制作好，结构定型后才进行受力分析并制作计算书。由于模型制作的成本不高，所以学生实际是将模型进行多次的加载试验来优化设计，严重缺乏理论分析。这与结构先设计后施工的工程顺序相悖。赛题也没有明确计算书与加载结果的匹配要求，导致结构实际内力与计算书差异较大，计算分析其实并没有在结构选型和优化设计中起到重要作用，模型的设计过程具有一定的盲目性。

2.3 关于制作材料

赛题材料主要采用不同规格的竹条、竹皮及502胶水。结构设计竞赛中，选材要考虑加工方便，力学性能稳定、手工制作还要考虑材质要具备一定的安全性，历届制作模型的材料呈现多样化：有巴西白卡纸（牛皮纸）、木材、竹材、有机玻璃、铁质易拉罐、3D打印、棉纱线（铅丝线）和白乳胶、502胶水等。这些材料中，有的随环境的变化其力学性能不够稳定，比如白卡纸等。这些材料与建筑材料的性质都相去甚远，会影响模型的后期承载力，可能无法体现参赛队伍的真实水平。比如：502胶容易渗进竹材，渗入太多导致模型自重加大，这是不可忽视的，所以要在制作的时候既要保证该有的粘结度，又不能过多的使用。用上述材料做杆件，除了杆件本身的手工制作水平会影响到杆件质量外，杆件之间的连接是否牢固对于整体结构的稳定性也至关重要，从这点上来讲，结构的可靠性能很大程度上取决于学生的手工技巧，目前结构竞赛显得过于强调手工的制作水准。

结构大赛目的主要是培养学生运用所学专业知识动手解决问题的能力。今后的赛题中材料选择除了考虑安全、稳定、制作方便外，最好还能够模拟现场实际运用较广泛的或者环保的材料。前者如钢筋、混凝土、砌块、以及现在很流行的3D打印材质等，后者如工业废料、生活垃圾等。

2.4 关于加载设备

本次结构设计竞赛采用长螺杆顶部设置加载平台、剪断配重块拉绳的方式，来模拟结构遭受冲击、爆炸等突发破坏作用。设备简单且能够达到竞赛的要求，反映出主办方在赛题设计和设备制作方面投入的精力，是智慧的结晶。但是，本次加载设备不能重复利用，也没有利用之前的竞赛构件或本科教学设备配件，同时，设备也不能用于本科教学，存在资源浪费现象。因此在赛题选择时，应遵循厉行节约的原则，加载设备尽量从本科教学实验器材中或往届竞赛设备中选取或改造而来，降低成本，不能让参赛的费用成为比赛的障碍。

2.5 学生对于竞赛的把握

把握赛题规则，除了要弄清题目模型尺寸方面的要求外，还应该提前熟悉加载设备。

本次加载由一定重量的砝码预先作用在模型加载平台板上，平台板由此带动模型一起移动一段距离，随后释放砝码重量，从而平台板随模型一起做往返振动，通过这种方式来模拟地震作用，那么这种方式下的振动幅度有多大，对结构造成的影响有多少，很多学生没有现场观察和试验，凭自己主观经验感受来估计了模型的振动幅度，直到比赛的时候才发现真实的振动幅度远比想象中的要小很多，造成了结构材料浪费，结构安全度过高的后果。

其次，很多同学对建筑结构的设计概念有大致的把握，但是却鲜有同学认真分析和计算结构的受力和变形，例如题目已知材质的抗拉和抗压强度，很少同学认真分析每根杆件受到的压力有多大，这样的压力对于竹材来讲需要多大的横截面积，全凭主观意识，没有充分认识到材质的受力性能，导致材料的浪费。

虽然学生在竞赛中存在如上需要改进的方面，但是竞赛也能激励学生的自主学习能力。例如赛题要求要有相应的计算书，由于结构复杂，手算精度不高且难度较大，所以必须用有限元软件来进行，而这些计算软件目前本科教学并没有开设相关课程，学生可以通过网络课程来学习，也可以主动请教老师，无论通过哪种渠道，前提均要求学生有自主学习的兴趣和能力，学生能够投入到课外学习中来，由此大大扩展了他们的知识面。

2.6 竞赛后续的环节

教育部卓越工程师计划的培养目标中强调：加强学校和社会的联系，在人才培养过程中加大工程实践教学的比例，加强学生工程实践能力的培养。通过竞赛可以培养团队合作精神、提高动手能力、设计、测量的能力、还可以增强学生自主学习的意识，扩展学生的知识面，让学生在过程中体现出更多的创新，提高他们再遇到困难时解决问题的能力[5-7]。

传统的竞赛方式主要有两方面：学生提交模型和计算书、进行加载同时并对自己的模型进行汇报，加载完成即意味着结构竞赛告一段落。此后，绝大部分学生就觉得任务完成了，作为学校和组织者，应该还可以增加一些反思的环节，包括老师和学生都应该尽可能的从中得到更多的收获，反思的方式可以是让参赛学生撰写心得体会、总结报告。把整个过程中的收获和遗憾好好总结，为自己下次竞赛或者下一届同学的比赛提供宝贵的经验教训；教师应该也设计合理的问题，在学生中展开相关的调查问卷，反思、改进每一年的竞赛方案，进一步完善和规范化竞赛的制度，做到题目多变，材料多样化，以创新研究为目标，鼓励学生多了解课外专业知识，发挥竞赛的辐射作用。同时，应设置一个有效交流平台，对比赛过程中及赛后存在的问题及时反馈给举办方及组织者，可对以后的比赛起改善和促进作用。

3 结论与展望

3.1 结论

福建省第十届结构设计竞赛以结构鲁棒性为主旨，抓住了时代脉搏，联系了工程实际，竞赛中激发了学生学习专业知识的兴趣，增强了学生理论联系实际的意识，培养了学生创新实践精神，增强了学生动手能力、试验水平和团队协作能力。学生充分利用所学知识并发挥自学能力，通过观察实体结构，去理解专业理论知识，并把所学运用在模型制作上来；从加载失败的模型中学会总结分析并进行合理的优化和加固，同时极大地促进和推动了各高校实验教学改革和实验室、创新设计实践基地的建设，成为高校实践教学改革的切入点。竞赛得到了社会企业的大力支持和资助，企业在为竞赛提供良好条件的同时，也吸引了毕业生到企业工作，体现了社会参与教育、教育回报社会的良性互动关系。

3.2 展望

命题的好坏是竞赛能否成功举办的关键所在，应仔细考虑，减少歧义和漏洞，今后可以考虑用趣味竞技方式与结构问题相结合的题目，还可以考虑公开征集命题，拓宽题型；加载设备应简单且要厉行节约为原则，充分利用历届加载设备及教学器材；制作材料不断要考虑学生加工制作的方便性，而且要尽量与工程实体材料吻合；结构设计制作要体现工程实际工艺，充分把握材料、构件和模型的实际性能；竞赛过程中及赛后，应建立有效的合作交流平台，总结经验教训；应逐渐对竞赛进行标准化管理，包括组织机构、组织程序和流程、竞赛过程规范化管理等方面制定相应标准，固定统一模式，从命题、竞赛组委会组织、专家聘任、场地布置、评审表格等方面制定统一标准和要求，使竞赛管理更加规范化和标准化，实现资源共享，确保竞赛质量水平和品牌形象。

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