1、1 / 15大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽經(jīng)驗(yàn)漫談吳小亮 洪磊全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽是國(guó)家教育部批準(zhǔn)的 9 9 個(gè)大學(xué)生競(jìng)賽資助項(xiàng)目之 一，大賽旨在培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)與合作精神， 提高大學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力和 動(dòng)手實(shí)踐能力。大賽自舉辦以來(lái)，得到了全國(guó)各大高校相關(guān)專業(yè)師生的廣泛關(guān)注。筆者有幸參加了兩屆校級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽， 并代表學(xué)校參加了第二屆全國(guó)大學(xué) 生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽。 作為比賽的參與者， 我們現(xiàn)將關(guān)于比賽的相關(guān)認(rèn)識(shí)和經(jīng)驗(yàn)略作 總結(jié)，供各位參考。第 1 節(jié) 理論準(zhǔn)備作為一項(xiàng)極具啟發(fā)性、創(chuàng)造性和挑戰(zhàn)性的科技競(jìng)賽，大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽既 考驗(yàn)參賽者的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識(shí)，又鍛煉大家的動(dòng)手實(shí)踐能力，并在競(jìng)賽過(guò)程中，考 驗(yàn)參賽

2、大學(xué)生的綜合素質(zhì)。一個(gè)優(yōu)秀的競(jìng)賽作品，必然是參賽者準(zhǔn)確把握命題要求、正確運(yùn)用理論知 識(shí)、精確進(jìn)行模型制作的結(jié)晶。1.1 審題細(xì)致準(zhǔn)確、有的放矢由于受比賽時(shí)間、材料等條件限制，大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽往往突出“結(jié)構(gòu)概 念設(shè)計(jì)”的要求。 參賽選手一般只需在符合題目要求的前提下， 從滿足結(jié)構(gòu)承載 能力的角度進(jìn)行構(gòu)思和設(shè)計(jì)即可。要做到“符合題目要求”， 就需要我們充分了解要求， 準(zhǔn)確把握比賽規(guī)則。只有“審”好了題，才能做到有的放矢，更好地指導(dǎo)模型設(shè)計(jì)與制作。首先，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，參賽者應(yīng)認(rèn)真閱讀比賽章程。比賽章程是對(duì)比賽相關(guān)事宜的詳細(xì)闡述。 我們除了要準(zhǔn)確了解參賽對(duì)象、 比 賽進(jìn)程等規(guī)定外，更應(yīng)該對(duì)命題要求

3、、理論設(shè)計(jì)、加載方式、破壞指標(biāo)、評(píng)分標(biāo) 準(zhǔn)等核心內(nèi)容做細(xì)致分析。 以橋梁結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)為例， 通過(guò)閱讀比賽章程， 我們 至少需提煉以下五點(diǎn)信息：1模型尺寸 在比賽章程中，一般會(huì)給出模型尺寸的限值。當(dāng)未直接給出限值時(shí)，可通 過(guò)加載條件間接加以確定。如對(duì)于橋梁長(zhǎng)度而言，過(guò)短不利于加載平臺(tái)的有效 支承，過(guò)長(zhǎng)則增加結(jié)構(gòu)自重；對(duì)于高度而言，過(guò)小不利于結(jié)構(gòu)豎向剛度的保證， 過(guò)高則影響加載試驗(yàn)，也增加了結(jié)構(gòu)的自重；對(duì)于寬度，一般受車道條件和加 載方式的限制。因此，模型的尺寸應(yīng)保持在一定范圍內(nèi)，通過(guò)理論分析和模型 試驗(yàn)取得各方面的平衡。2支承形式支承形式對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響很大，直接關(guān)系到模型的結(jié)構(gòu)形式和理論分析。

4、 為此，我們需要關(guān)注“加載平臺(tái)是否提供有效的水平約束”。一般的競(jìng)賽只提供 豎向支承，而水平約束則較弱 ，甚至不提供 。因此，對(duì)于懸索和有水平推力結(jié)構(gòu)， 往往受該條件限制而無(wú)2 / 15法運(yùn)用，此時(shí)應(yīng)考慮采取其他方式，如系桿拱等。3幾何凈空 這在實(shí)際工程中極為重要，對(duì)于模型設(shè)計(jì)，一般也會(huì)限定其凈空要求，但往 往被很多參賽者忽略。對(duì)于承受移動(dòng)荷載加載的橋梁模型，凈空大小直接關(guān)系到 模型是否能夠順利加載。4加載方式 包括載荷形式、布載方式、加載流程、最大載荷等。對(duì)于靜載試驗(yàn) ，一般用砝碼或者其他代替的重物 （沙包、鐵塊等）進(jìn)行加載； 對(duì)于動(dòng)載試驗(yàn)，一般采用具有一定重量的牽引式可移動(dòng)小車進(jìn)行加載。5評(píng)

5、分標(biāo)準(zhǔn) 一般分為造型設(shè)計(jì)、理論計(jì)算、制作工藝、現(xiàn)場(chǎng)答辯、加載試驗(yàn)等方面。其 中加載試驗(yàn)是比重最大的指標(biāo)，通常占 50506060 分，其他指標(biāo)則各有側(cè)重。從比 賽經(jīng)驗(yàn)來(lái)看， 最終影響競(jìng)賽成績(jī)也大多是加載試驗(yàn)指標(biāo)， 因此，參賽者務(wù)必在加 載環(huán)節(jié)上進(jìn)行足夠仔細(xì)的研究。其次在整個(gè)模型設(shè)計(jì)與制作過(guò)程當(dāng)中，參賽者應(yīng)反復(fù)進(jìn)行規(guī)則審讀和討論， 對(duì)于不太明確的細(xì)節(jié)則務(wù)必在模型制作前向組委會(huì)進(jìn)行詢問(wèn)并獲得明確答復(fù)， 避 免因?qū)σ?guī)則誤解而導(dǎo)致無(wú)法參賽。1.2 選型概念清晰、思維創(chuàng)新選擇正確的結(jié)構(gòu)型式，即“結(jié)構(gòu)選型”，是取得優(yōu)異成績(jī)的前提。一個(gè)好的 結(jié)構(gòu)型式，不僅體現(xiàn)了選手清晰明確的力學(xué)概念，還可以很好地表達(dá)作者的

6、設(shè)計(jì) 構(gòu)思，也必然體現(xiàn)作者的創(chuàng)新思維。結(jié)構(gòu)選型一般從命題要求出發(fā)，再結(jié)合結(jié)構(gòu)專業(yè)知識(shí)，通過(guò)比較、分析、計(jì) 算、試驗(yàn)等，確定模型的結(jié)構(gòu)型式 。為此，參賽者應(yīng)在設(shè)計(jì)之前， 通過(guò)查閱資料， 了解、補(bǔ)充和學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)。對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)體系來(lái)說(shuō)，一般分為梁橋、拱橋、懸索橋及組合體系四類。而 結(jié)構(gòu)競(jìng)賽中經(jīng)常采用的就是梁橋和拱橋兩種。從全國(guó)各高校的比賽情況來(lái)看 ，大多數(shù)模型均采用空腹式梁橋桁架橋結(jié) 構(gòu)。這種橋型不僅制作簡(jiǎn)單、計(jì)算方便、理論與實(shí)際吻合情況較好，而且可以通 過(guò)變桁高來(lái)實(shí)現(xiàn)豎向抗彎剛度沿橋長(zhǎng)方向的變化，從而最大程度減輕結(jié)構(gòu)自重。當(dāng)然在結(jié)構(gòu)選型時(shí)，我們更應(yīng)該充分結(jié)合比賽實(shí)際，發(fā)散思維，大膽創(chuàng)新， 這也是

7、大賽精神的要求。以第二屆全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽為例 ，大連理工大學(xué)的參賽作品則采用了實(shí)腹式的梁橋（蒙皮結(jié)構(gòu)），這是紙質(zhì)模型橋式上的大膽嘗試，這在下文還將做 詳細(xì)闡述。1.3 設(shè)計(jì)循序漸進(jìn)、逐個(gè)擊破、因材施用在準(zhǔn)確審讀競(jìng)賽要求、基本確定結(jié)構(gòu)型式之后，接下來(lái)一個(gè)核心環(huán)節(jié)就是結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)。參賽者主要依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原理，針對(duì)加載條件的要求和限制，進(jìn)行 合理的結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程，它不是一蹴而就的，也不是一成不變的， 而是需要在整個(gè)競(jìng)賽準(zhǔn)備過(guò)程不斷進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)的。同時(shí)，參賽者應(yīng)結(jié)合材料 的不同力學(xué)性能，做到“因材施教、物盡其用”。3 / 15所謂“循序漸進(jìn)”，一方面要求設(shè)計(jì)者在命

8、題要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行，根據(jù)不同 的材料性能和受力特性，設(shè)計(jì)不同的構(gòu)件截面。如 主桁上弦桿主要受壓 ，并承受 局部集中荷載，顯然不能采用硫酸紙，而必須采用白卡紙桿件，同時(shí)由于構(gòu)件抗 彎的需要，可將受彎桿件截面設(shè)計(jì)成抗彎慣性矩較大的矩形 、圓形、T T 形等形狀； 對(duì)于受拉下弦 ，則可充分利用硫酸紙或白卡紙的抗拉強(qiáng)度，采用 單層或多層疊合 紙帶，從而減輕下弦自重。所謂“逐個(gè)擊破” ，即“由果及因 、由體及面、由局部及整體”的設(shè)計(jì)思路。 以承受荷載的桁架梁橋模型為例。當(dāng)荷載作用于跨中時(shí)，一般簡(jiǎn)支梁承受最不利 荷載，此時(shí)的彎矩圖呈倒三角形的形式。顯然跨中截面最可能發(fā)生破壞，由此我 們最直接的結(jié)論是“ 加

9、大跨中截面的豎向抗彎剛度 ”。為了能最大程度地減輕結(jié)構(gòu)自重 ，初步設(shè)計(jì)時(shí)我們應(yīng)著重考慮的問(wèn)題是“如 何使結(jié)構(gòu)的豎向抗彎能力與其最不利彎矩相適應(yīng)？”從這個(gè)角度出發(fā) ，再結(jié)合結(jié) 構(gòu)抗彎剛度的概念，即可以設(shè)計(jì)出沿橋長(zhǎng)變高度的各種橋梁形式。對(duì)于動(dòng)荷載試 驗(yàn)的模型，除了類似于靜載模型的抵抗彎矩圖概念外，我們著重關(guān)心的問(wèn)題是 “如何實(shí)現(xiàn)動(dòng)載小車平穩(wěn)順利地通過(guò)橋面？” ，進(jìn)而思考圍繞這一問(wèn)題的一系列 具體問(wèn)題，如主梁與車輪的位置關(guān)系、橋面系的設(shè)計(jì)、橋面的鋪設(shè)、桁架橋主桁 與橋面系的關(guān)系、拱橋拱肋與橋面系的連接等等。此外，就是桿件設(shè)計(jì)問(wèn)題。一 方面我們應(yīng)根據(jù)不同的受力特點(diǎn)，確定不同桿件的截面形式與連接設(shè)計(jì)，從

10、而盡 可能降低自重；另一方面，又要考慮到模型制作的可操作性、材料性能的不確定1.4 計(jì)算正確簡(jiǎn)化、指導(dǎo)實(shí)踐初步設(shè)計(jì)之后， 就要開(kāi)始對(duì)模型進(jìn)行理論分析與計(jì)算。 實(shí)際制作的模型在材 料性能、支座條件、節(jié)點(diǎn)力學(xué)性質(zhì)等方面具有局限性，因此，我們需要對(duì)計(jì)算模 型進(jìn)行了下列簡(jiǎn)化和假定， 如采用空間梁?jiǎn)卧M桁架結(jié)構(gòu)、 荷載簡(jiǎn)化、 不考慮 橋面板參與受力等。應(yīng)該承認(rèn)，簡(jiǎn)化和假定會(huì)必然會(huì)帶來(lái)計(jì)算誤差。 但從理論指導(dǎo)實(shí)踐這個(gè)角度 上說(shuō)，這種簡(jiǎn)化計(jì)算又是合理的，誤差也是可以接受的。理論計(jì)算一般又分為手算和電算兩個(gè)方面。 手算一般根據(jù)力學(xué)基本原理進(jìn)行 簡(jiǎn)單的受力分析， 如荷載簡(jiǎn)化、 拉壓桿件概念分析等； 電算則是運(yùn)

11、用計(jì)算機(jī)軟件 進(jìn)行結(jié)構(gòu)詳細(xì)分析，推薦使用 SAP200SAP200(及 MIDASMIDAS 吉構(gòu)分析軟件。需要強(qiáng)調(diào)的是，理論計(jì)算必須在模型制作之前就要進(jìn)行。這是因?yàn)椋挥薪?jīng) 過(guò)了計(jì)算，才能明確結(jié)構(gòu)各部分的受力性能，進(jìn)而采用不同的桿件截面及桿件連 接方式。如 哪些腹桿是受拉桿件？哪些桿件受力最大？哪些節(jié)點(diǎn)最危險(xiǎn)等 。 在制 作時(shí)對(duì)這些基本概念了然在胸，可以極大地提高模型制作效率。以上是對(duì)于結(jié)構(gòu)競(jìng)賽幾個(gè)理論環(huán)節(jié)的要點(diǎn)概述，在完成上述步驟之后，理論 工作基本結(jié)束，接下來(lái)就進(jìn)入十分關(guān)鍵的實(shí)踐環(huán)節(jié)。4 / 15第 2 節(jié) 模型制作俗話說(shuō)“成也蕭何，敗也蕭何。”一個(gè)優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)模型，如果沒(méi)有精細(xì)的制 作工

12、藝，不管理論設(shè)計(jì)再怎么完善也將無(wú)法付諸實(shí)踐。這也是大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng) 賽區(qū)別于一般競(jìng)賽的地方。模型制作水平在很大程度上依賴于參賽者的手工技巧。 雖然并不是每個(gè)參賽 者都有精巧的手工，但正所謂“熟能生巧”，只要多進(jìn)行嘗試，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)， 就能不斷提高制作水平。現(xiàn)就我們?nèi)陙?lái)的比賽經(jīng)歷，跟各位同學(xué)分享一些模型制作的基本方法。2.1 材料性能大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽是以培養(yǎng)同學(xué)們正確進(jìn)行結(jié)構(gòu)概念分析、 鍛煉理論聯(lián)系 實(shí)際能力的學(xué)生科技賽事， 其模型制作材料必然力求輕便、 價(jià)廉和易加工， 同時(shí) 又能適當(dāng)接近實(shí)際土建材料的性能，因此多采用具有一定拉壓強(qiáng)度的紙、木材、 塑料管、有機(jī)玻璃等。2.1.1白卡紙1)1)

13、 質(zhì)量：一般采用 230230 克巴西白卡紙，即每張 A Ao幅面的紙重 230230 克。 根據(jù)組委會(huì)具體采購(gòu)的不同，其實(shí)際質(zhì)量從 210g210g 至 250g250g 不等，可別小看這個(gè)數(shù)字，這種差異對(duì)模型的自重及強(qiáng)度影響是很大的。較輕的紙厚度必然較 小，一般偏軟；較重則厚度較大，偏硬。一般以 230g230g 白卡紙為宜。2)2) 硬度 ：有些紙偏硬，不易于卷?xiàng)U；有些紙偏柔，強(qiáng)度較差，特別是吸潮 之后，其強(qiáng)度急劇下降。3)3) 紋路：仔細(xì)觀察白卡紙會(huì)發(fā)現(xiàn)，每張白卡紙有順紋和逆紋的差別。一般來(lái)說(shuō)，沿長(zhǎng)邊方向是順紋，沿短邊方向是逆紋。二者對(duì)于模型制作是有 影響的。一般說(shuō)來(lái)， 沿順紋剪裁要方

14、便得多，同時(shí)，若使桿件的長(zhǎng)度方向順紋， 則在卷?xiàng)U時(shí)較為順手，且桿件質(zhì)量容易保證。4)4) 粗糙度 ：白卡紙分光滑面與粗糙面。顯然粗糙面摩擦系數(shù)大，粘結(jié)效果 較好；光滑面美觀性較好，且不易弄臟，即使有污點(diǎn)也可以用擰干的濕布輕輕擦 拭干凈。一般卷?xiàng)U時(shí)，光面朝外。5)5) 強(qiáng)度： 白卡紙強(qiáng)度是一個(gè)很復(fù)雜的問(wèn)題，一般不易直接測(cè)量，而是做成 桿件進(jìn)行試驗(yàn)。6)6) 吸濕性 ：白卡紙極易受潮，空氣濕度大時(shí)其強(qiáng)度明顯降低，且受荷后變 形不穩(wěn)定，類似于混凝土的“徐變”現(xiàn)象；但若空氣過(guò)于干燥，則桿件很容易因 局部小瑕疵而發(fā)生突然破壞 ( ( 尤其是對(duì)于節(jié)點(diǎn)處 ) ) ，類似于實(shí)際工程中的脆性破 壞。7)7) 分

15、層： 單層白卡紙是由三層不同的紙經(jīng)過(guò)膠合形成的。有時(shí)候可以充 分利用這個(gè)特點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膭冸x，從而減輕自重。5 / 152.1.2硫酸紙硫酸紙較薄，一般不能卷成管型構(gòu)件，但其抗拉強(qiáng)度很高，一般可用于制 作純受拉構(gòu)件，如桁架下弦桿等。窄條狀的硫酸紙還可以代替蠟線用于節(jié)點(diǎn)綁 扎，即牢固又較為美觀。此外，硫酸紙還可以用于制作非受力構(gòu)件。在建筑模型設(shè)計(jì)中，一般也用 作屋面板、建筑外墻等構(gòu)件，此時(shí)硫酸紙不僅是美觀的需要，還可以將結(jié)構(gòu)連成 一個(gè)整體，產(chǎn)生意想不到的力學(xué)效果“蒙皮效應(yīng)”。2.1.3白乳膠白乳膠是結(jié)構(gòu)設(shè)競(jìng)賽中最為常見(jiàn)的水溶性粘接劑，無(wú)毒無(wú)害。使用時(shí)主要注 意的問(wèn)題是乳膠的濃度：若太稀，則含水分較

16、多，凝固時(shí)間長(zhǎng)，粘接效果也受影 響；若太稠，則粘結(jié)不牢，對(duì)自重的影響也較大。對(duì)于紙質(zhì)模型，一般采用較稀薄的乳膠，尤其是卷?xiàng)U使用的乳膠應(yīng)盡量稀 薄，這樣既可以保證涂抹的均勻性，又能減輕結(jié)構(gòu)自重。根據(jù)實(shí)際需要，可將適 量原裝乳膠倒入一個(gè)干凈的紙杯 (取礦泉水瓶底部分最佳) ，然后倒入適量的純 凈水，一般以乳膠能呈細(xì)線狀均勻、迅速流下為宜，攪拌均勻后即可使用，務(wù)必 隨配隨用，不可放置太久，使用完畢后應(yīng)將紙杯及時(shí)清洗干凈，以便下次調(diào)配。對(duì)于木材，建議使用較為濃稠的乳膠。2.1.4木材木材均勻性較差，各參賽隊(duì)使用的材料差別很大，即便是統(tǒng)一采購(gòu)也有加工 損傷、木材品種不一等缺點(diǎn)。此外，受木材特性的限制，節(jié)

17、點(diǎn)拼接形式簡(jiǎn)單、加 工較為困難。2.1.5 蠟線(鉛發(fā)絲線)蠟線作為純抗拉材料，一般用于受拉桿件的輔助設(shè)計(jì)，索結(jié)構(gòu)也較為常見(jiàn)， 亦可用于節(jié)點(diǎn)綁扎。但蠟線彈性一般較窄條狀紙帶大，故對(duì)于有變形要求的結(jié)構(gòu) 來(lái)說(shuō)，用蠟線直接作為受拉構(gòu)件的效果并沒(méi)有紙帶好。2.2 工 具配備結(jié)構(gòu)模型制作中常用的工具主要有：2.2.1 制圖工具1)1) 丁字尺、三角板、圓規(guī)在進(jìn)行紙張剪裁之前，需使用制圖工具進(jìn)行構(gòu)件尺寸的量取和繪制，以確 保剪裁的順利進(jìn)行。2)2) 畫(huà)圖板制圖時(shí)使用，此外在刻劃、制桿、拼裝時(shí)，畫(huà)圖板一般可用作加工平臺(tái)， 但應(yīng)確保其不被刀刃損傷。6 / 153)3) 鉛筆、橡皮、舊圓珠筆芯 白卡紙上的各種界

18、線、數(shù)字、符號(hào)等，均用鉛筆進(jìn)行標(biāo)記，以保證作品的 整潔；舊圓珠筆芯用于刻劃各構(gòu)件的折痕。2.2.2 剪裁工具1)1) 美工刀用于裁剪白卡紙、加工木材等，建議選用刀片較寬厚的型號(hào)，以保證在 刻劃時(shí)刀片不發(fā)生扭轉(zhuǎn)。一般新買的美工刀第一段刀片有一缺口，使用時(shí)易損傷 手指，故建議將其折斷。一般美工刀的刀片上有劃線，當(dāng)?shù)朵h鈍化時(shí)可將該段刀 片至于刀柄后的刻槽中折斷，出現(xiàn)新的刀鋒，以便繼續(xù)使用。2)2) 剪刀 一般選用刀口較小的美工剪，用于剪斷蠟線、剪割尺寸較小的紙片等，而對(duì) 于卷?xiàng)U使用的白卡紙底料，建議采用美工刀沿尺子邊緣刻劃，以保證紙片邊緣盡 量光潔平直。2.2.3 制桿工具1)1) 桿芯制作封閉截面

19、紙桿的工具 ，一般根據(jù)所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的各種截面尺寸配備相應(yīng)截 面的桿芯。圓桿較為常用的有 6 6、 8 8 1010 三種，建議使用鉛質(zhì)或鋁質(zhì)實(shí)心 桿件，一般長(zhǎng)度為1m1m 左右(建材市場(chǎng)有零售)；矩形桿件常用的有 5 5X5 5、5 5X8 8 6 6X1010 等，一般為木材，但很難保證平直，有條件的可購(gòu)買裝潢使用的龍骨或線條然后用電刨加工至適當(dāng)尺寸2)2) 刷子 涂抹白乳膠時(shí)使用， 一般應(yīng)配備兩種大小的刷子， 使用后應(yīng)及時(shí)置于清水中 浸泡。3)3) 電吹風(fēng) 用于迅速凝固白乳膠，保證桿件及節(jié)點(diǎn)很快達(dá)到一定的強(qiáng)度。使用時(shí)務(wù)必保 證構(gòu)件均勻受熱。對(duì)于長(zhǎng)度較大的桿件，建議置于報(bào)紙圍成的管道中，然后用

20、電 吹風(fēng)在一端進(jìn)行加熱，一定時(shí)間后從另一端加熱。4)4) 砂紙 用途廣泛，一般可用于打磨桿芯，磨除銹跡、毛刺并保證其整潔；粘接時(shí)，打磨白卡紙光面 ，增大摩擦系數(shù) ；打磨不必要的凝固白乳膠 ，保證構(gòu)件表面整潔； 打磨桿件棱角，形成必要的弧形粘接面，減小損傷；對(duì)于木材結(jié)構(gòu)則可用砂紙修 飾、打磨成品，保證美觀等等。2.2.4拼裝工具1)1)橡皮筋： 同一尺寸紙桿應(yīng)用橡皮筋綁扎成捆，避免混淆，便于拼裝。2)2)夾子 ：在木材桿件的節(jié)點(diǎn)達(dá)到期望強(qiáng)度之前，務(wù)必使用夾子進(jìn)行固定。3)3)透明膠： 可用于臨時(shí)性的固定措施。4)4) 圖釘： 用于制作拼裝“支架”，特別是對(duì)于拱形結(jié)構(gòu)而言，一個(gè)穩(wěn)固的 “支架”可以

21、保證拼裝過(guò)程的順利進(jìn)行。7 / 152.3 紙質(zhì)模型制作工藝2.3.1 制圖與實(shí)際工程一樣， 結(jié)構(gòu)模型制作也需要結(jié)構(gòu)施工圖。 因此，模型制作的第一 步應(yīng)先繪制一張準(zhǔn)確的“施工圖”。“施工圖”宜在多余白卡紙的光面上繪制， 一般為單片主桁架或主拱結(jié)構(gòu)的 計(jì)算簡(jiǎn)圖，比例為 1 1：1 1，并標(biāo)注各構(gòu)件的實(shí)際長(zhǎng)度及結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)度和總高度。建 議對(duì)各構(gòu)件進(jìn)行編號(hào)，相同尺寸的構(gòu)件編號(hào)應(yīng)一致。2.3.2號(hào)料根據(jù)施工圖尺寸并適當(dāng)考慮節(jié)點(diǎn)拼裝用料， 計(jì)算出各構(gòu)件所用紙片大小， 然 后在白卡紙上用鉛筆繪制剪裁尺寸。號(hào)料的關(guān)鍵是準(zhǔn)確計(jì)算出每根構(gòu)件的用紙大小。對(duì)于圓桿， 考慮到制作上的方便， 一般將每根桿件按其展開(kāi)圖矩形

22、， 剪 裁后進(jìn)行卷制。 如前所述， 桿件長(zhǎng)度方向與白卡紙?zhí)烊患y理方向保持一致， 故該 方向長(zhǎng)度即為所制桿件的長(zhǎng)度； 垂直紋理方向?yàn)榫砑埛较颍?該方向的尺寸可參照下式計(jì)算：L=nL=nnd di+0.3+0.3nn(n-1)n(n-1) + +S式中，n n白卡紙層數(shù)；d di桿芯直徑；S預(yù)留值，一般取 2mn2mn 至 3mm3mm這只是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式， 參賽者應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算。 最為實(shí)用的方法是： 先 試著卷一根桿件(不涂膠) ，然后再展開(kāi)直接量取相應(yīng)尺寸，然后考慮白乳膠的 影響確定 L L。對(duì)于矩形桿件，則一般只需剪取長(zhǎng)度后即可。2.3.3卷?xiàng)U1)1)圓形截面桿件( (以內(nèi)徑為 8mm8m

23、m 勺三層桿件為例) )a)a)將裁剪好的矩形紙片置于整潔的工作平臺(tái)上，用三角板在紙片的兩 面精確繪制垂直于桿件長(zhǎng)度方向勺中軸線作為控制線，務(wù)必保證二 者完全重合，然后將光面朝下放置。b)b)選擇8的桿芯，將其平行于桿件長(zhǎng)度方向置于白卡紙靠身體內(nèi)側(cè)一端，然后慢慢將白卡紙卷起四分一圈，用大拇指自桿芯中間向兩 端慢慢摁緊卷起的白卡紙，然后十個(gè)手指均輕壓紙片、同步向前滾 動(dòng)桿芯。當(dāng)卷起的紙片邊緣接觸內(nèi)側(cè)白卡紙時(shí)，再用大拇指和食指 摁緊桿芯自中間向兩端滑動(dòng)，確保第一層白卡紙與桿芯緊密接觸而 無(wú)空隙，接著倆大拇指緊壓桿芯，其他手指則盡量抵緊桿芯內(nèi)側(cè)， 繼續(xù)慢慢滾動(dòng)桿芯，使第二層白卡紙緊緊壓住第一層紙的邊

24、緣，此 時(shí)應(yīng)調(diào)整桿芯的方向，確保白卡紙上的控制線對(duì)齊。8 / 15c)c)繼續(xù)勻步滾動(dòng)桿芯，并始終確保紙片全長(zhǎng)與桿芯緊密接觸，控制線 也盡可能對(duì)齊，直至卷完。d)d)以上為試卷過(guò)程，松開(kāi)桿芯，仔細(xì)觀察白卡紙是否有明顯傷痕，若 試卷過(guò)程感覺(jué)紙張較硬，可用擰干的濕布輕輕擦拭白卡紙，使其稍 微軟化。e)e)正式卷?xiàng)U時(shí)，過(guò)程同上，但需一邊卷?xiàng)U，一邊均勻涂抹白乳膠，建 議由兩位組員合作完成。在最后一圈時(shí)，應(yīng)將白卡紙最末端置于桿 芯底部，然后卷?xiàng)U者用食指和拇指緊壓桿芯，并保持不動(dòng)，等最末 端與內(nèi)層白卡紙充分粘結(jié)后，再將桿芯連帶紙桿一起用電吹風(fēng)均勻 加熱 2020 秒左右，然后輕輕地滑動(dòng)紙桿，避免其與桿芯粘

25、結(jié)而導(dǎo)致無(wú) 法取下。如此加熱 1 1 到 3 3 分鐘后，將紙桿從桿芯一端輕輕取下。f)f)圓桿制作是一個(gè)較為復(fù)雜的過(guò)程，質(zhì)量不容易保證，故建議在需要 桿件數(shù)目的基礎(chǔ)上多做 2 2 根，擇優(yōu)選用。2)2)矩形截面桿件a)a)準(zhǔn)備工作同上，不同的是，當(dāng)桿芯平直地放于白卡紙上，用舊圓珠 筆芯沿桿芯棱邊刻劃第一條折痕，注意筆芯要垂直于白卡紙、用力 應(yīng)輕微均勻，并保證刻劃時(shí)桿芯不要移動(dòng)；b)b)將白卡紙沿折痕翻折至 9090，然后將桿芯也翻轉(zhuǎn) 9090，沿新的棱邊 刻劃，如此重復(fù)；c)c)在卷第二層的時(shí)候，應(yīng)在白卡紙上涂以適量的白乳膠，并用桿芯輕 壓至基本粘合后進(jìn)行下一步翻折，直至卷出合適層數(shù)的桿件；

26、用美 工刀小心地將所卷?xiàng)U件從白卡紙上刻劃成品。d)d)將成形的紙桿用橡皮筋進(jìn)行綁扎固定，用電吹風(fēng)進(jìn)行烘干至各層之 間基本粘接且無(wú)裂縫，然后置于空曠通風(fēng)處自然風(fēng)干。3)3)箱形截面桿件以單箱雙室截面為例，有兩種不同的制作方法：a)a) “預(yù)制法”：先預(yù)制兩根小截面矩形或方形桿件，然后將二者粘結(jié)在 一并外包白卡紙。該方法操作方便，不足之處是：外包白卡紙很難 與內(nèi)側(cè)兩根小截面桿件緊密粘結(jié)。b)b) “現(xiàn)澆法”：先卷一根小截面桿件，在最后一圈時(shí)并不從將其刻劃下 來(lái)，而是將另一個(gè)合適的桿芯與之并排放置，然后將二者作為一根 新的特殊的桿芯繼續(xù)卷?xiàng)U，直至卷成所需尺寸和層數(shù)的桿件。該方 法制作的桿件整體性能較

27、好，不足之處是：需在制作之前設(shè)計(jì)好該 桿件四個(gè)側(cè)面所需的白卡紙層數(shù)，并確定先卷的是哪個(gè)側(cè)面。4)4) 拱形桿件 受材料及手工限制，拱形桿件一般只能采用拼接法制作，類似于實(shí)際工 程中“曲梁直做”的施工工藝。根據(jù)拼接工序的不同，又可分為以下兩種：9 / 15a)a) 全拼法 ：即將弧形拱圈分割成長(zhǎng)度及數(shù)目合適的直桿弦段，然后用 白乳膠粘結(jié)，一般需在拼接處內(nèi)插小直徑拼接短桿。該方法制成的 拱肋整體性較差，節(jié)點(diǎn)多，美觀性也較差；但工序簡(jiǎn)單、操作方便；b)b) 半拼法 ：即先卷成一根較長(zhǎng)的直桿“拱肋” ，然后在拱肋內(nèi)側(cè)適當(dāng)位 置剪出小的缺口，形成笛子狀的“直拱肋” ，然后將缺口兩側(cè)的桿件 進(jìn)行粘結(jié)，形成

28、拱形桿件。該方法制成的拱肋整體性能較好，美觀 程度較高，但工序復(fù)雜，需要結(jié)合腹桿節(jié)點(diǎn)合理分割缺口，手工技 巧要求較高。以上兩種“曲梁直做”法，在拼接時(shí)均需制作準(zhǔn)確的拼接圖，即在平臺(tái)上繪制 1 1： 1 1 拱肋幾何圖，或直接在施工圖上進(jìn)行拼接亦可。拼接時(shí)，從拱肋一端逐 段粘結(jié)，每粘結(jié)一個(gè)連接點(diǎn)， 均需要用電吹風(fēng)進(jìn)行強(qiáng)制加熱凝固直至達(dá)到足夠強(qiáng) 度；粘結(jié)過(guò)程中務(wù)必保證拱肋按拼接圖所繪幾何形狀彎折， 建議在連接點(diǎn)拱肋內(nèi) 外側(cè)均制作固定卡位器一一一般可用圖釘， 或用可將廢棄的桿件剪成小段后粘于 拼接圖上。5 5）其他截面形式桿件根據(jù)設(shè)計(jì)，桿件也可米用不同的截面形式，如 T T 形截面、十字形截面等2.

29、4 木質(zhì)模型制作工藝241 木材處理1 1） 增大截面一般提供的木材桿件較細(xì)，如果設(shè)計(jì)中選用截面較大的桿件時(shí)， 一般可將多 根桿件疊合粘結(jié)。在粘接時(shí)，務(wù)必保證粘結(jié)平面的平整，使二者粘結(jié)牢固，增加 桿件的整體性。2 2） 減小截面可用美工刀適當(dāng)劈削后，再進(jìn)行打磨處理。3 3） 彎曲一般將木材先在清水中浸泡，使其充分吸水，增加其柔韌性，然后再進(jìn)行彎 曲，彎曲過(guò)程務(wù)必緩慢進(jìn)行，待其基本成形后再將兩端固定，并自然晾干（注意: 木材浸水后性能是否發(fā)生改變未知！）2.4.2 木材粘結(jié)10 / 15一般使用較為濃稠的白乳膠，且涂抹厚度應(yīng)較紙質(zhì)模型大。在粘接時(shí)，務(wù)必 使用夾子給予粘結(jié)處力量足夠大、時(shí)間足夠長(zhǎng)的

30、正壓力，確保粘結(jié)牢固。節(jié)點(diǎn)處 一般需粘貼較薄的木片作為節(jié)點(diǎn)板，增加有效粘結(jié)面積。2.5 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與制作節(jié)點(diǎn)處的受力較為復(fù)雜，是結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)。實(shí)際工程中，一般要求框架 結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度大于梁柱強(qiáng)度，模型制作也不例外，尤其是受拉節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的 基本原則是：主要受力構(gòu)件在節(jié)點(diǎn)處保持連續(xù)不截?cái)啵我獦?gòu)件與重要構(gòu)件保證 可靠連接。1 1） 受拉節(jié)點(diǎn)即該節(jié)點(diǎn)處至少有一根以上的桿件承受拉應(yīng)力，受拉節(jié)點(diǎn)是模型試驗(yàn)中破壞 最為常見(jiàn)的部位，應(yīng)引起參賽者的足夠重視。在設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于一般的受拉節(jié)點(diǎn)可 采用以下方法：a a） “整體彎折法”：即將受拉的桿件在連接處整體彎折而不截?cái)啵蛘?僅在預(yù)留出足夠粘結(jié)接觸表面后截?cái)?/p>

31、。b b） “構(gòu)件連接器法”：即在連接處內(nèi)襯一根小直徑短桿或外套一根大直 徑短桿，形成構(gòu)件連接器；對(duì)于木材模型，可以使用節(jié)點(diǎn)板。2 2） 受壓節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件一般具有足夠的強(qiáng)度，在保證穩(wěn)定性的前提下，其受壓性能一般完 全能滿足受力需要。受壓節(jié)點(diǎn)較受拉節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，抵抗破壞的能力也較好。在制作 時(shí)，壓節(jié)點(diǎn)基本要領(lǐng)時(shí)：保證節(jié)點(diǎn)處各桿件軸線處于同一平面內(nèi)，且受壓接觸面 務(wù)必充分接觸。3 3）交叉節(jié)點(diǎn)交叉節(jié)點(diǎn)在立體結(jié)構(gòu)中較為常見(jiàn)，如高層建筑模型等，在橋梁結(jié)構(gòu)中，一般 為橋面系設(shè)計(jì)中的縱橫梁交叉。在制作時(shí)，需要制作者進(jìn)行不斷嘗試，尋求較合 適的連接方法。以矩形截面為例，一般在接觸點(diǎn)分別開(kāi)出槽口，然后將二者充分

32、咬合連接。而槽口的開(kāi)挖方法卻有各種形式，需根據(jù)實(shí)際選用。11 / 15第 3 節(jié)要點(diǎn)提示3.1 關(guān)于模型選型模型選型是一個(gè)較為復(fù)雜的過(guò)程，參賽者需要根據(jù)命題要求，結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 知識(shí)，進(jìn)行多方位、多層次的思考與討論。在選型環(huán)節(jié)，參賽者需要注意以下幾 個(gè)問(wèn)題：1 1）明確荷載傳遞路徑這個(gè)概念在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽中十分重要，各位可參看有關(guān)書(shū)籍。據(jù)我們的理解: 所謂荷載傳遞路徑，是指結(jié)構(gòu)所受外力荷載，從作用點(diǎn)開(kāi)始依次經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)各部分 的相互作用，最后傳遞到支座的整條傳遞路線。荷載在結(jié)構(gòu)內(nèi)部以彎矩、剪力、 軸力的形式傳遞，各種內(nèi)力在傳遞時(shí)引起的變形類型也是不同的。12 / 15結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)， 歸根結(jié)底是將結(jié)構(gòu)

33、所承受的荷載以最合理的變形類型、 最 清晰的傳遞路線、 最短的傳遞時(shí)間傳遞到支座上。 這就要求， 荷載傳遞路線必須 是連續(xù)的、不可間斷。尤其是在進(jìn)行桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)， 借助荷載路徑分析可以有效幫助我們找到合 理的結(jié)構(gòu)型式。2)2) 加強(qiáng)結(jié)構(gòu)型式對(duì)比結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽倡導(dǎo)的是“百花齊放、百家爭(zhēng)鳴” ，滿足命題要求的結(jié)構(gòu)型式 應(yīng)該是且必然是多樣性的。 即使對(duì)于規(guī)定結(jié)構(gòu)型式的比賽命題來(lái)說(shuō)， 符合該種結(jié) 構(gòu)類型的實(shí)際模型也可以是多種多樣的。 參賽者應(yīng)在選型時(shí)， 加強(qiáng)對(duì)各種符合要 求的結(jié)構(gòu)型式的對(duì)比分析， 找出各種型式在命題限定要求下的優(yōu)劣性能， 從而尋 求最合理的結(jié)構(gòu)型式。3)3) 尋求優(yōu)化與創(chuàng)新在基本確定結(jié)構(gòu)型式之后， 就需要依據(jù)各種功能目標(biāo)及約束條件進(jìn)行模型的 優(yōu)化。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是理論分析與模型試驗(yàn)相輔相成的過(guò)程。 一方面， 我們需經(jīng) 過(guò)理論計(jì)算與分析， 探求合理的受力型式， 優(yōu)化荷載傳遞路徑， 并對(duì)該型式進(jìn)行 加載試驗(yàn)；另一方面，通過(guò)加載試驗(yàn)，我們可以發(fā)現(xiàn)模型的薄弱部位及破壞形式， 并將其得到改進(jìn)或加強(qiáng)，以形成較為優(yōu)化的結(jié)構(gòu)型式。3.2 關(guān)于桿件截面選擇截面選擇也是一個(gè)十分重要的問(wèn)題。 在自重約束的條件下， 參賽者需要根據(jù) 設(shè)計(jì)計(jì)算