2024/4/17結構設計與模型制作中的發散思維

2024/4/17背景與現狀

起源清華大學發展情況華東地區，華南地區，北京市，浙江省，湖南省

材料白卡紙、木材、鋁結構形式高層建筑模型，簡支橋梁模型，大跨屋架模型等2024/4/17思維的發散與創新

利用材料特性的發散思維

白卡紙，裝飾外墻用的硫酸紙以及蠟繩。常規的想法是：以白卡紙作主要受力構建，硫酸紙裝飾外墻，而蠟繩一般不予考慮。現在，我們換一種思維考慮：（1）分析蠟線的性質受拉強，不能受壓。強度超高、而彈模很小。利用這一特性，可以作出一個全張力結構。利用柱子受壓，繩子受拉。困難在于其施工。繩子節點出的固定問題，以及類似砼的應力松弛問題都難以解決。

2024/4/17思維的發散與創新

清華大學比賽作品2024/4/17思維的發散與創新

利用材料特性的發散思維

（2）硫酸紙是否只能用來做裝飾而不能作為主要構件參與結構受力？充分利用透明紙張力好的特點，采用蒙皮結構作為主要承載結構，在承受側向荷載的時候，整個外墻面傳遞荷載，傳力途徑多樣，輔以臘線控制結點位移。基礎采用倒置正交異性板結構，增設兩對斜撐增大基礎整體剛度，此法同時增大了上部結構與板的錨固面積。樓板采用干乳膠薄膜以減輕自重。東南大學作品“白月光”2024/4/17思維的發散與創新

利用材料特性的發散思維另外一個也利用了硫酸紙受力的結構是南京工業大學作品“升”，N道硫酸紙長條斜著隔幾層螺旋設置，受側向力作用的時候，長條受拉。雖然在賀載試驗中失敗，但是其思想依然可以借鑒。

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從施工工藝上的發散思維

普通的做法類似于預制構件裝配式施工，即：先制作構件，然后進行裝配。下面介紹的幾個案例則類似于現澆施工，節點處的強度有較好的保證。（案例均取自于第一屆全國結構設計大賽）

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從施工工藝上的發散思維

案例一：特等獎得主，來自浙江大學的模型“一米陽光”該結構可分為兩榀平面框架，均成A型，作者對每個A型框架整體制作。現作出柱梁，然后拼成A型的內核，接著在外表粘一層白卡紙，同過精確定位，將外面的白卡紙又裁成A型，再通過梁與另外一榀框架連接形成結構。從外表看，整個結構猶如現澆得整體，小巧而美觀，節點處粘結不牢的問題自然消除。

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從施工工藝上的發散思維

案例二：同濟大學一等獎模型“云梯”結構形式：框架+支撐。特點在于兩個斜撐在節點處的連接。一般做法是先做兩根斜撐，然后利用白乳膠與柱連接。而同濟這組的做法是直接做一根長的斜撐，然后折一下形成兩根斜撐（注意，沒有折斷）。接著在彎折處與柱連接形成節點。2024/4/17思維的發散與創新

從施工工藝上的發散思維

案例三：三峽大學作品“纜月”梁，柱是由多層白卡紙粘結而成的實體，整體施工，節點處強度有很好的保證。

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從施工工藝上的發散思維

案例四：在全國賽之前，浙江大學校內舉辦過預選賽，聽說有一種施工方法讓人amazing。一個小組中有一個是醫學系的，他們用針管吸入白乳膠，再注入需要連接的地方，以保證節點處的強度。

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消除扭轉的發散思維常規做法是從結構上考慮。可以通過在非受力方向設置支撐以增加整個結構的抗扭能力。將思維發散一下，還可以從構件上考慮，增大構件的幾何尺寸，從而增強其抗扭能力，甚至可以達到不加斜撐的目的，從而減輕自重。蠟線的另外一個用途：初張力2024/4/17結構設計中的幾個概念

設計準則結構效率目標準則結構設計中在保證結構安全和剛度前提下尋求在給定跨度和荷載時所用材料重量最小的要求。制作與裝配效率準則考慮構件制作與裝配成本2024/4/17結構設計中的幾個概念

優化設計（減輕自重）原則優化結構體系e.g.拉壓構件與彎曲構件的比較1.結構材料強度的增加要比結構彈性模量的增加快得多；2.由軸力產生的拉壓桿的軸向位移要比彎曲產生的側向變形小得多；3.鋼桁架在側向力作用下的側移比鋼框架側向力作用下的側移小得多。優化結構布置e.g.桁架高度的選擇；腹桿角度的選擇合理的構造方法2024/4/17模型制作

準備工作材料性質的初步認識

比賽提供的材料：230g巴西白卡紙，硫酸紙，白乳膠現在讓我們初步認識他們：（1）230g巴西白卡紙。含義：每張A0紙重230g。a.白卡紙的保護問題。剛買好的紙務必好好保管，最好有足夠大的地方將其平攤，上面再用東西蓋一下，以免受潮。注意不要傷著白卡紙，一旦上面有折皺，那么基本上這張紙就廢了。受傷的紙強度降低很多。b.順紋和逆紋。大家仔細觀察白卡紙會發現順、逆紋的差別。一般來說，沿長邊方向是順紋，沿短邊方向是逆紋。討論順和逆的差別基于兩點：第一主要是施工上的因素，沿順紋剪裁要方便，也更順手些；第二，強度上的因素，順紋方向強度稍大于逆紋方向，當然相差不大。因此，在制作構件過程中務必下意識的體型自己沿順紋裁剪。2024/4/17模型制作

準備工作

材料性質的初步認識（1）230g巴西白卡紙。含義：每張A0紙重230g。c.光滑面與粗糙面。白卡紙一般一面為光滑面而另一面是粗糙面。用粗糙面粘結效果會更好，因為表面的粗糙不平，使其在粘結中會產生一種類似于砼骨料之間的咬合力，而摩擦力也更大些。類似現實施工中新老砼連接需要“挫毛”的原因。（注意砂紙的利用）d.濕度的問題。南方空氣濕度較大，這就使得白卡紙受潮，太軟，制作的構建強度會降低，因此需好好保養。在制作構件及拼裝結構的時候準備個電吹風。詳細見后述。

2024/4/17模型制作

準備工作

材料性質的初步認識（2）硫酸紙。制作外墻用，前已述及，這里我就不多說了。比賽時本來是要用的，但最后被通知外墻可以不做，所以就取消了。如果不作持力結構，盡可能少用，結構本身才是考慮的重點。（3）白乳膠。注意的問題是乳膠的濃度問題。太稀，內含水分太多，凝固時間太長，太稠，粘結不牢，都不可取。覺得太稀的話，可讓其自然風干一小段時間（注意，不要太久）2024/4/17模型制作

準備工作

工具的匹配a.美工刀田島（tajima）b.電吹風能讓構件在短時間內達到期望強度的必備工具。c.玻璃板好處在于劃紙的方便快捷。若采用普通的繪圖板（木制），用刀劃紙時會傷到木板，使其可用度降低，而玻璃板則不會。注意，用的時候不要傷手哦。2024/4/17模型制作

準備工作

工具的匹配d.圓棒卷桿必備（建材市場有售，較貴）e.筆芯用完的圓珠筆該工具主要用于著作有棱角構件（如矩形柱梁等）時的劃痕。在需要彎折的地方先用它劃一條痕（注意用力適度，不要太猛，也不要太溫柔）再折，這樣對紙的傷害不大，而使彎折容易進行，并且制作出來的構件棱角分明，美觀。2024/4/17模型制作

構件的制作和養護

劃紙構件的常規制作（標準化）

a.兩層矩形梁的制作（考慮白卡紙自身的厚度）b.箱形梁柱的制作

c.圓形柱梁的制作2024/4/17模型制作

構件的制作和養護

養護（主要是對圓形構建而言）a.養護的要點可以概括為先插后吹。插，即將圓棒插入已經制作好的構件中，然后將構建整齊放好，用電吹風吹干。注意吹得時候盡量的保證柱均勻受熱。b.注意點：構件在成型后將圓棒拔出過程中，經常發現圓棒與構件內壁粘在一塊。拔出比較費力，且容易使構件內壁受損;長大構件初始彎曲問題。

2024/4/17模型制作

結構的拼裝

定位與拼裝

注意制作順序，以我們的模型為例：2024/4/17模型制作

結構的拼裝

節點制作在實際框架結構中要保證節點強度大于梁柱強度，模型制作也不例外。構件受壓好一點，但要注意偏心影響；受拉的話經常會在節點處脫落。

空心銷蠟線后續加固拼裝后的補強

結構拼裝好后，先用電吹風吹干結構，發現有地方比較弱隨時加膠補強。

2024/4/17評審規則及分值建筑造型（20分）按構思新穎、外形美觀、布局合理、樓層有效使用面積充分評分。結構方案（10分）按結構方案的合理性、實用性和創新性評分。理論分析（10分）按設計說明書、方案圖和計算書內容的完整性、準確性評分。模型制作（10分）按模型制作工藝評分。敘述答辯（5分）加載試驗（45分)2024/4/17理論分析要求

內容應包括設計說明書、方案圖和計算書設計說明書應包括對方案的構思、布局、功能、結構選型及其他有特色方面的說明；方案圖應包括結構整體布置圖、主要構件詳圖和方案效果圖；計算書應包括計算模型、荷載分析、內力分析、承載能力估算等。2024/4/17總結和體會

2024/4/17總結和體會

創新，是時下一個比較時髦的名詞，但我以為創新并不應該是一個時時在頭腦中映現的框框，而是積累到一定境界，水到渠成的靈感，是應該建立在堅實的理論和實踐基礎上的突破。我想這是一個漫長的過程，需要思考和嘗試。在具體細節處理上面，我認為要擅于觀察，勤于總結。別人的優點要充分學習和汲取，缺點與不足也應該及時發現以警示自己。要把困難想多些，各種情況盡可能地想周到。一旦臨場遇到意外，不要亂了方寸，能夠沉著、冷靜地面對解決。這種比賽不僅僅是對你的學識與能力的考驗，也包括精神與心理上的較量。自己認為正確的地方要堅持，要敢于向權威挑戰；而對于自己的弱點和缺陷不要退縮和回避，要敢于面對解決和承擔責任。2024/4/17總結和體會

從大方向（體系）進行修改需要勇氣與魄力，但效果往往來的明顯；在選擇時，首先需要考慮結構體系的效率問題，注意模型與實際結構的區別，盡可能選擇傳力路徑清晰、簡潔的體系。不要忽視細節，注意關鍵部位的構造措施，遇到問題勤于向自己和師長提問。分工與合作（teamspirits）精力的合理分配6月2日晚開幕式后，我們領取了模型制作材料；6月2日晚上10：00至次日早上7：00我們卷完了所有的構件。6月3日上午7：00至12：30，按原計劃睡覺，為后續裝配積蓄體力，同時保證桿件上的乳膠干透。6月3日下午1：00至5：00切柱和剪條，晚上7：00正式開始裝配，直至次日7：00上部結構全部完工。剩余時間完成基礎。2024/4/17關于有限元和軟件

有限元理論及軟件介紹參考書籍:《有限元分析及應用》

熟悉一種有限元分析軟件

推薦：SAP2000參考書籍:

《結構概念分析與SAP2000應用》要學會利用已有知識概念去分析計算機算得的結果，進而進行結構優化。有限元分析並不能替你解決問題，只能幫助你了解問題，提供解決問題的線索。

2024/4/17參考資料

參考書籍結構概念和體系（美）林同炎斯多臺斯伯利·S·D著高立人等譯北京:中國建筑工業出版社,1999.2建筑結構概念設計及案例羅福午編著北京:清華大學出版社,2003建筑結構——分析方法及其設計應用（美）