2005第一届全国结构设计大赛心得

1.背景与现状
关于结构设计大赛，相信我们还比较陌生，甚至对于整个湖北省而言，土木类的设计大赛都是一个空白。而看看兄弟院校，远如清华大学，同济大学，浙江大学，上海交通大学，东南大学，大连理工大学，华南理工大学，近如湖南大学等，以及一些地区，如华东地区，华南地区，北京市，浙江省，湖南省均举办过多届结构设计大赛。大赛的内容，一般为给定某种材料，要求在一定时间内设计并制作出一个结构，通过承载能力试验，以荷重比最大者优胜，再综合考虑各项因素决出获奖等级。材料，南方一般采用白卡纸，北方偏向于木材，至于结构，诸如高层建筑模型，简支桥梁模型，大跨屋架模型等。此类大赛是一个很好的创新平台，可惜我们学校，包括武汉市，湖北省一直没有举办过。有鉴于此，在经过第一届全国大学生结构设计大赛的试水后，学院也将举行此类比赛。由于是第一次，经验缺乏，各项工作有考虑不周的地方，望大家见谅。好了，闲话打住，进入正题。（我学校是湖北的，就针对湖北的来说）

2.结构体系概述
纵观当今高层建筑结构体系，一般有： 框架结构（缺点：侧向刚度小，侧移较大） 框--剪结构体系（缺点：对结构设计大赛而言，自重较大） 巨型桁架结构体系（经典案例为香港中银大厦，由贝聿铭设计，全楼可以说是结构美 和建筑美的统一。建筑即结构，结构即建筑。三角形的受力简洁明快，巨型立柱对角布置，使得抗倾覆力臂达到最大，而从底到顶不断缩进，使得结构受力极为合理。这是我最喜欢的建筑之一）筒体结构体系（西尔斯大厦应该说也是建筑和结构统一的又一著名案例，成束筒向上逐渐截断，简单却又完美，我最喜欢的建筑之二） 框筒结构体系（著名的建筑如汉考克大厦，核心筒+斜撑） ...... 其余的就不多说了，一般的书上都有。采用何种结构体系完全凭个人喜好，但是请记住，结构才是考虑的重点，勿花过多精力在建筑上。并且在准备过程中需要贯穿始终的核心词是：荷重比和侧移。因此“轻质高强”是目标。因本文的重点在于拓宽大家的思路，故一般的结构不再详述。下面进入主题（赫赫，看得不耐烦了吧，口水话比较多）。
3.思维的发散与创新 土木工程发展到现阶段应经比较成熟，在现有的结构体系中想有所创新甚有难度，颠 覆创痛固然勇气可嘉，但不现实。这里通过分析竞赛所提供的材料，结合第一届全国大赛的有意义的启发，提出如下几点，望有助于大家进一步解放思想，发散思维。
3.1 利用材料特性的发散思维 白卡纸，装饰外墙用的硫酸纸以及蜡绳。常规的想法是：以白卡纸作主要受力构建， 硫酸纸装饰外墙，而蜡绳一般不予考虑。我想，这一届校内比赛大部分也是这种做法。现在，我们换一种思维考虑： （1） 分析蜡绳的性质。受拉强，不能受压。利用这一特性，可以作出一个全张力结 构。利用柱子受压，绳子受拉。但是不推荐往这方面考虑，原因是比较困难，现有所学的知识还不足以作出这类结构。并且世界上这种全张力的高层建筑仅有概念设计，并无实例 。他的困难还在于其施工。绳子节点出的固定问题，以及类似砼的应力松弛问题都难以解决。综上，希望大家不要耗过多的精力在蜡绳的应用上。 （2） 硫酸纸是否只能用来做装饰而不能作为主要构件参与结构受力？ 答案为否。在 第一届全国大学生结构设计大赛中获一等奖的东南大学的“蒙皮结构”可以说是本次比赛的最大亮点，也是最有创意的地方。简洁的厂房体型，简单的四根柱子，外墙用硫酸纸包一圈，使四周密封，形成蒙皮结构，在承受侧向荷载的时候，整个外墙面传递荷载，传力途径多样，模型本身很轻，制作工艺简单，受力性能良好，无疑是比赛中最优秀的结构。另外一个也利用了硫酸纸受力的结构是南京工业大学的“升”（没有记错吧），三道硫酸纸长条斜着隔几层螺旋设置，受侧向力作用的时候，长条受拉，虽然在贺载试验中失败，但是其思想依然可以借鉴。

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2楼 3.2 从施工工艺上的发散思维 普通的做法类似于预制构件装配式施工（施工方面的术语都忘了），即：先制作构件，然后进行装配。而下面介绍的几个案例则类似于现浇施工，节点处的强度有较好的保证。（案例均取自于第一届全国结构设计大赛） 案例一：特等奖得主，来自浙江大学的模型，结构受力部分为“A”型，在顶部增设附 属结构以满足150mm*150mm的加载面要求。从结构上看，该方案并无任何突出之处，但是其让人惊叹的地方是施工工艺。通过与他们的交流得知其独特的施工方法。该结构可分为两榀平面框架，均成A型（简化表示），施工者对每个A型框架整体制作。现作出柱梁，然后拼成A型的内核，接着在外表粘一层白卡纸，同过精确定位，将外面的白卡纸又裁成A型，再通过梁与另外一榀框架连接形成结构。从外表看，整个结构犹如现浇得整体，小巧而美观，节点处粘结不牢的问题自然消除。（ft，说不清楚，估计你们也没看懂，将就一下，问问他们吧，很值得学习的施工方法） 案例二：三峡大学的一个方案与特等奖模型在施工上也有相似之处。梁，柱是由多层 白卡纸粘结而成的实体，整体施工，节点处强度有很好的保证。 案例三：同济大学的一个一等奖模型。结构是最常见的那种，框架+支撑。其特点在于 两个斜撑在节点处的连接。一般做法是先做两根斜撑，然后利用白乳胶与柱连接。这种做法的缺点是经常由于不小心使某根斜撑脱落。而同济这组的做法是直接做一根长的斜撑，然后折一下形成两根斜撑（注意，没有折断）。接着在弯折处与柱连接形成节点。其外观虽然不漂亮，但是实用。 案例四：在全国比赛之前，浙江大学校内举办过预选赛，听说有一种施工方法让人am azing。一个小组中有一个是医学系的，他们用针管吸入白乳胶，再注入需要连接的地方，以保证节点处的强度。 3.3 消除扭转的发散思维 常规做法是从结构上考虑。可以通过在非受力方向设置支撑以增加整个结构的抗扭能 力。将思维发散一下，还可以从构件上考虑，增大构件的几何尺寸，从而增强其抗扭能力，甚至可以达到不加斜撑的目的，从而减轻自重。 以上阐述了一些不同于平常的做法，希望对大家有帮助。下面简单讲一下方案上需重 点考虑的几点： （1）模型简单与复杂的取舍。 关键是找到矛盾的结合点； （2）支撑的加减哲学。加--整重，减--承载力不够，需仔细琢磨； （3）结构的抗扭。前已述及； （4）基础问题:这个是需要认真计算和考虑的。其抗倾覆能力的强弱直接决定了加载 成功或失败。提出一个问题，请仔细考虑：基础是否越大越好？ 最后，建议避免考虑的问题： （1）钻规则的空子。我觉得没有必要，比拼实力才是重要的。一味的想在这方面下功夫，rp会不好的：） （2）利用偏心来减小结构的侧移。这个应该是我最不能容忍的。可惜在第一届比赛的 时候还是有学校利用了，悲哀施工，毫无疑问是比赛中最重要的，也是受干扰最大的一环。质量的好坏直接决定了加载的成败，所以少说多做才是硬道理（当然一些很有必要的争论还是很有必要的，思维的碰撞激起创新的火花嘛：），能不能拿个“鲁班奖”就看大家的施工水平了。 1.准备工作 1.1 材料性质的初步认识 考虑比赛提供的材料：230g巴西白卡纸，硫酸纸，白乳胶现在让我们初步认识他们： （1）230g巴西白卡纸。是桑巴军团生产的纸吗？怎么取个这样的名字呢。嘻嘻，开个 玩笑先。他的含义是：每张Ao纸重230g。此类纸不同区域都略有不同，但大体还是一样的。如重量，强度等。在制作模型过程中，需要注意的几点有： a.白卡纸的保护问题。刚买好的纸务必好好保管，最好有足够大的地方将其平摊，上面再用东西盖一下，以免受潮。注意不要伤着白卡纸，一旦上面有折皱，那么基本上这张纸就废了。受伤的纸强度降低太多了。 b.顺纹和逆纹。请大家仔细观察白卡纸会发现顺，逆纹的差别。一般来说，沿长边 方向是顺纹，沿短边方向是逆纹。讨论顺和逆的差别基于两点：第一主要是施工上的因素，沿顺纹剪裁要方便得多，也更顺手些；第二，强度上的因素，顺纹方向强度稍大于逆纹方向，当然相差不大。因此，在制作构件过程中务必下意识的体型自己沿顺纹裁剪。 c.光滑面与粗糙面。武汉市内的白卡纸一般一面为光滑面而另一面是粗糙面。用粗 糙面粘结效果会更好，因为表面的粗糙不平，使其在粘结中会产生一种类似于砼骨料之间的咬合力，而摩擦力也更大些。这些也是在现实施工中新老砼连接需要“挫毛”的原因吧 d.湿度的问题。南方空气湿度较大。对十一月份温度降低，还经常下雨，这就使得 白卡纸受潮，太软，制作的构建强度会降低，因此需好好保养。建议在制作构件及拼装结构的时候准备个电吹风。祥见后述。 （2）硫酸纸。制作外墙用。这里我就不说了，因为我们比赛时本来是要用的，但最后 被通知外墙可以不做，所以就取消了。至于硫酸纸的一些注意点大家慢慢琢磨吧。不过还是那句话，结构才是考虑的重点。加载试验没通过，再怎么也是白搭。 （3）白乳胶。用习惯了会发现白乳胶很好用的。这里要注意的问题是乳胶的浓度问题 太稀，内含水分太多，凝固时间太长，太稠，粘结不牢，都不可取。觉得太稀的话可让其自然风干一小段时间（注意，不要太久）

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3楼 1.2 工具的匹配 一些基本的工具主办方会提供，我不再详述。这里提出几个有助于保证作品质量的dd a.电吹风。 推荐指数 **** 极有用的一个物品。能让构件在短时间内达到期望强 度所必备的宝物。 b.玻璃板。 推荐指数 *** 他的好处在于划纸的方便快捷。若采用普通的绘图板 （木制），用刀划纸时会伤到木板，使其可用度降低。而玻璃板则不会。注意，用的时候不要伤手哦。划玻璃的时候交老板打磨一下子哈：） c.笔芯用完的圆珠笔。 推荐指数 ***** 这是熊世树老师教我们的（致个敬先）。该工具主要用于著作有棱角构件（如矩形柱梁等）时的划痕。在需要弯折的地方先用它 划一条痕（注意用力适度，不要太猛，也不要太温柔）再折，这样对纸的伤害不大，而使弯折容易进行，并且制作出来的构件棱角分明，美观。强烈推荐。 d.圆棒。 推荐指数 ***** 笔芯用完的圆珠笔是制作多边形构件的必备品。为了 平衡一下，当然要推荐一个制作圆形构件好dd啦。没错，他就是传说中的圆棒。教工活动中心对面的超市有卖的。不过很贵的说，论斤称。 2.构件的制作和养护准备工作over，下面就开始进入实战了。不会做？没关系。不知道做什么？这就要打pp了。follow me！大家好，我是跟binrcool学做模型的作者binrcool（学学顺风妇产科的李英魁，小yy一下：），以下按制作顺序陈述。 2.1 划纸 这里没什么技巧而言，定好需作构件两端的宽度，一刀划到底就ok了。一刀切。。。 2.2下面讨论各种构件的常规制作，涉及一些小技巧。 a.两层矩形梁的制作（以1cm*1.5cm尺寸为例） 单层就没什么好说的了。 工序：纸的裁划，这里有一个注意点。考虑下划取得纸条宽度是多少？是0.5（粘 结宽度）+1.5+1+1.5+1+1.5+1+1.5+1=10.5cm吗？不是。这样子裁划没有哦考虑到白卡纸的厚度（一般单层白卡纸厚度为0.3--0.33mm），制作出来的构件显然不会是矩形。因此，内层矩形尺寸可稍微减小。如0.5+1.4+0.9+1.4+0.9+1.5+1+1.5+1=10.1cm。ok，裁纸完毕。下面在需要弯折的地方用圆珠笔划痕，然后均匀涂胶，粘贴。感觉很简单是不？then just do it！！！ b.箱形梁柱的制作 这里箱形梁柱指的是里面用两个小矩形先并排粘结形成内胆，然后外面再套粘一个大的矩形。这种构件最大的优点是单向强度大，适于比赛。缺点是耗纸量偏大。制作有一定难度。我们学校参加第一届结构设计大赛中有一组采用的既是这种柱。制作方面xinxin同学最拿手，可以向他咨询。 这里仅列出一些制作要点。1.裁纸。仍需要考虑减小内层小举行尺寸。2.粘结小矩形时需定好位，偏差不可太大。3.外层大的矩形每次只粘一个边。涂好乳胶粘住后双手来回在梁上移动，轻压梁，使内部粘结密实，防止“起泡”。粘结上的小技巧：制作长柱时，若一个人粘结，只能从一边粘到另一边，这经常出现：那边粘好了，这边由于乳胶没有凝固好而脱落的问题。或者即使勉强粘好，长柱却过度扭曲变弯而作废。也可以这样，先做一个内径比需制作构件稍大的套筒，将套筒套在刚粘住的一边，箍住内核使其不变形，且不脱落。而双手可以空出来粘另一边。这对长柱的施工作用明显（强烈推荐！！） c.内包正八边形内核的矩形柱的制作 指里面一个正八边形，外包一个矩形。这个是性价比较高的柱子。相当于边角有 四个三角形再结合形成组合柱，强度高，且省纸。但是不实用。原因是工艺复杂，并且没这个必要。有兴趣的同学可以试试。我制作了两根1m长的留在放模型的地方，可以看看。上面写了制作步骤。最关键是要细心。 d.圆形柱梁的制作 在这里要再次提到熊世树老师。个人认为他是土木的一线老师了。不单看学术,更多的是人品。这个相信熟悉熊老师的人会了解。如果不是他，我不知道我们这一组的方案要不要更改。圆形柱的开发成功确实对我们的意义非同小可。下面对其施工工艺作简要说明。这方面的问题可以咨询qaddd，nohere同学。以1m长内经为1cm的三层柱为例。1.划纸。宽度可取10.5cm（大概的，具体我忘了，可以试一下，基本上尾部超过头部一点点就ok）2.在宽度为3cm处用铅笔轻划一条控制线，该控制线的用处在于从该线起向外的7.5cm宽需涂胶。即该线为涂胶的起始点。3.初卷。将圆棒（注意：如果要作内径为1cm的柱，圆棒的内径比1cm要稍小点，如8mm）放在不需涂胶的宽度为3cm的起始位置处，两人配合将这3cm先卷一定弧度，然后松开，移走圆棒，进入下一工序。4.涂胶。涂胶要快（技巧小贴士：作一些小的厚纸片用来刷胶。比用笔涂要快且效果好），可分两次，从3cm处涂至8cm处，待卷到8cm处时再涂余下部分的宽度。这是考虑到由于制作时间较长，避免一次性涂胶在还没有卷好圆柱时外层白胶就已经凝固。这样的话，又要重新涂，太浪费了。5.卷圆柱。由于是1m长，最好两个人配合。可以一人负责卷一半或者一人轻压卷好的地方，另一人负责卷。这是最关键的一步刚开始不熟练，废品率会较高。好了，长圆柱的一端定为A端，另一端为B端。卷的方向为从A到B。首先在距A端大约0.4—0.5处附着圆棒卷一圈。此时务必注意不要伤纸。因为这时一不小心，纸就会受伤而作废。然后一人轻压已卷好的地方，另一人则先沿圆棒纵向向A端卷，卷好后一人将这部分轻压，且不断左右移动（这是为了避免伤纸，也可以使胶粘结均匀，防止起泡），另一人继续向B端卷。

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4楼 这是考验做工的地方，多练唏。待第一层已经卷好，此时可以沿着纸条宽度方向推进卷第二层了。白乳胶干了再补胶。直到圆柱卷好。然后取出圆棒。是不是看的稀里糊涂。呵呵，比较难写。叫他们俩示范制作一根就了解了。一般来说制作成熟后大约10min/根。另外建议在需要圆柱数量的基础上多做2根，以后可以择优录取。柱的问题解决了，圆形梁九so easy了。Remember， just practice。 Ok，其他类型柱梁的制作就不再介绍了。有需要的话再写。 2.3 养护 不要忽略养护的重要性。这一步没做好会极大地打击士气。因为当看到辛辛苦苦做好 的构建弯的弯，扭的扭。那种滋味可不好受。你问我有什么不久方法，呵呵，重做撒！基本上方形柱梁只要稍微养护下就行。不会出现弯扭得现象。因此，这里的养护主要是对圆形构建而言，当然，认识一点，要想这些圆柱不弯很难，在可以接受的程度内就行，这样还兼可以在拼装结构的时候纠正过来。养护的要点可以概括为先插后吹。插，即将圆棒插入已经制作好的构件中（ms要准备较多的圆棒），然后将构建整齐放好，用电吹风吹干。注意吹得时候尽量的保证柱均匀受热。个人感觉：在没有找到更好的养护方法的时候还是按这种思路来吧。这种做法出现的问题有1.构件在成型后将圆棒拔出过程中，经常发现圆棒与构件内壁粘在一块。拔出比较费力，且容易使构件内壁受损；2.构件仍然会发生弯曲。所以你们还是得认真考虑如何避免。 3 结构的拼装好了，构件做好了，接下来就的拼装结构了。这方面的阐述会比较少.因为感觉这一块我们的施工水平有限。而且再写下去就不好了。太长了。只简单简单写以下几个注意的地方。请注意从制作构件到拼装结构这一步是比较难跨的。构件的施工水平过关了，拼装结构仍可能不得要领。这个在做完第一个模型会有体会。回过头来一想，哇，这么粗糙） 3.1 定位与拼装 若结构可以简化为两榀平面来拼装结构，施工要简单得多。否则其复杂性会让施工 比较难。最主要就是体现在定位不准确上。比如我们这组的“火炬大厦”（好土的名字）土木网站上挂出了我们的计算书，大家不妨看下，了解我们的结构，由于整体是一个空间结构，四个侧面扭曲，只能先把整体骨架搭好，再加梁，斜撑。比较难作。每次做好后，从上往下看，会发现拼装出来的结构变形了，不得不调整，结果所耗时间很多。 3.2 节点制作 学结构的人都清楚节点的重要性，也知道为什么在框架结构中要保证节点强度大于梁 柱强度。模型制作也不例外，构件受压还好一点。受拉的话经常会在节点处脱落。因此节点处理的问题是拼装结构首当其冲的，也是极为重要的。所以要过好这一关，一定要少说多做。这里我就只简单说一下。因为这里实在不好写，也不好画图。 a.方形柱与方形梁的连接 这个算是最简单的。 b.方形柱与方形斜撑得连接 c.圆形柱与圆形梁的连接 比较美观的做法是采用“相贯线”连接，可咨询nother people d.圆形柱与圆形斜撑的连接 至于其他的如方形柱与圆形梁的连接等就不再举出。需要了解这方面的话，还是当面 问他们吧。我就无能为力了。哈哈，qaddd，nohere，xinxin同学，辛苦一下子哈：）再啰嗦几句，节点制作这一关一定要过。想想各种力汇总到节点，有时候节点处的受力还是很大的。 3.3 拼装后的补强 结构拼装好后，先用电吹风吹干结构，发现有地方比较弱随时加胶补强。