鋼結構教學模型設計與制作研究★

馬航海 畢永輝 張旭輝 龍 超 袁 野 梁嬌嬌

(西北民族大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730030)

鋼結構教學模型設計與制作研究★

馬航海 畢永輝 張旭輝 龍 超 袁 野 梁嬌嬌

(西北民族大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730030)

鑒于本科生對鋼結構模型制作過程中出現的問題探討較少，其實際制作對學生難度較大，以單層鋼結構廠房教學模型為例，研究了實際創新制作過程中出現的問題，包括方案、構件選型、材料、制作工具、制作方法選擇等，并進行了有效解決，對促進本科生進行科研創新具有積極的意義。

模型，鋼結構，創新，方案

隨著國家對科研工作的重視程度越來越高，民族高校內本科生參與科研的熱情也迅速被激發，本科生參與科研的氛圍也非常濃厚。鋼結構具有強度高、自重輕、抗震性能好、施工周期短、密閉性好以及環保經濟等優點成為發展迅速的結構形式[1]。在給學生教授鋼結構課程后不久，一個學生小組提出要制作一個鋼結構的教學模型，作為一項校級本科生科研創新項目。在學生自我探索科研的過程中，從教師的角度對學生進行了針對性的指導。在這個過程中，學生和老師進行了良好的溝通、交流，一起解決遇到的新問題，對雙方都有很好的啟發。

1 項目啟動

針對鋼結構教學的難題[2]，即相關概念比較抽象，需要很強的空間想象能力，教學缺少實體建筑時，學生理解知識的難度較大。為了減少學生的學習難度，計劃制作具有直觀化等優點的教學模型[3]。正值學校開始大力推動本科科研創新項目，兩者結合，項目化制作鋼結構教學模型的科研得以立項。

2 方案初選

為了確定方案，研究小組調查了市場上的主流成品，并分析各自的優缺點。單層鋼結構廠房方案的選定查詢了湖南、蘭州、北京等模型制作公司的成品資料，結果顯示涉及鋼結構教學的模型較少而且也不全面，且價格高、樣品固定、針對性教學用途不明顯，因此初步選定方案為：自制鋼結構教學模型。為了使模型更有針對性與實用性，本文選擇了教學上常用的柱子、梁、板等主要構件所形成的單層廠房作為初選方案[4]。

1)構件選型。a.構件模型資料收集：由于市場上成品的針對性不足，在一定程度上影響了其利用價值。因此，本文主要基于教材范圍內考慮設計內容及形式以便更好貼近教學實踐及應用。b.主要構件:柱、梁、板。c.柱子類型選擇：采用綴板式、綴條式、工字形三種常用截面類型。d.梁組合形式選擇：采用受力簡潔的桁架式屋架梁。e.圍護結構：采用單層塑料板作為圍護隔斷。2)尺寸選擇：由于鋼結構實體尺寸較大，為了制作和使用方便，模型采用縮小比例制作。3)材料選擇：4 mm燈飾塑料板材、泡沫板、螺栓、三氯甲烷。4)工具選擇：勾刀、鉆孔機、切割機、尺規、墨線筆、針管注射器。5)成果：單層鋼結構廠房模型。

3 方案申報

3.1 方案特點與創新點

本項目可以幫助教師增加教學方式，改善教學效果；同時可以鍛煉學生的科研能力；創新點在于學生自己設計、自己選材、制作模型，充分發揮學生的創新思維，使制作的模型相對實用，教學針對性更強。

3.2 研究意義、價值

教學模型按照一定的比例制作，可以立體、直觀、部分透明地展示建筑物的各種構件的組合，科學合理的展示建筑構件、建筑節點、建筑結構層次及建筑內部結構[3]。本項目提出一種以模型表現其受力及構造實物情景，不僅幫助學生理解鋼結構的整體和具體構件，還能以實物分析其構造，提高學生的學習興趣，并幫助他們樹立學習的信心。為學生提供直接的幫助，也在一定程度上減少了教師的教學壓力，促進教學質量的有效提升。

3.3 可行性分析

1)本項目采用有機玻璃制作鋼構件，模型直觀性好。2)材料：有機玻璃市場易得，材料性能符合模型要求。3)粘結材料：采用有機玻璃專用膠結材料。4)工具：根據切割及制作要求，在市場上購買相應制作工具。5)場地：學院模型制作專用教室。6)項目制作時間相對靈活，組員可自己選擇在空閑時間制作，為項目提供時間支持。組員動手能力較強、愛思考、勤奮刻苦；指導老師從事了多年鋼結構教學、積累了大量的教學經驗，這些都將為項目的順利進行提供保障。

3.4 研究進度計劃

1)全體組員實行動態制作機制，以便充分利用時間，并定期開會討論：變更方案及解決制作難題。2)制圖時間為1個月，采用CAD軟件繪制，同時統計材料使用量。3)購買材料和工具為期10 d。4)制作階段計劃4個月。共計用時6個月左右。

3.5 研究成果

1)總結在項目進行過程中的經驗和有益結論，整理并匯總，作為本科科研創新的一項成果。2)通過將制作好的模型應用于教學，為學生節省大量理解記憶的時間，減小學習難度，減少教師的教學壓力，增加學生的學習興趣，對教學產生良好促進。

3.6 經費預算

本項目經費主要用于材料和制作工具的購置。具體計劃為：板材購買花費約1 000元；工具購買約300元；輔助材料約200元；資料、交通費約300元；共計1 800元。

4 制作方案確定

4.1 制作方案意見匯總及討論過程

1)指導老師就自制教學模型方案做了如下建議。盡量完成一個復雜單體的制作以方便綜合學習；柱子、梁等構件類型應多樣；考慮其制作的精密，采用具有腐蝕性的粘結材料三氯甲烷；如時間緊，也可采用熔融玻璃膠粘結；組員分工應明確，確保全員參與。2)小組討論意見。屋面采取泡沫質材料以便于細部裁剪制作及整體塑形與修改；柱子錨固螺栓采用普通螺栓以便于材料購買及安裝，提高模型的真實性。經討論決定采用指導老師提議及小組方案的結合為實施方案。

4.2 采購過程方案修改意見

由于采購過程中發現制作板材中PVC板材質強度較低，后改為強度韌度較高的燈飾板材；制作工具采用刻畫勾刀，方便加工。

4.3 初步制作過程方案修改意見

初步制作過程發現柱子高度不能按照實際尺寸做，后將高度縮小為1∶5，橫截面保留原尺寸；由于刻畫勾刀使用過程中損壞較大、制作精度低、批量化操作工作效率下降，導致制作時間增加，后采用高速旋轉型砂輪切割機提高了工作效率；由于鉆孔機打眼導致板材碎裂，后改用三氯甲烷腐蝕融洞法解決了鉆孔問題，但三氯甲烷化學試劑的使用增加了制作的危險性。

4.4 最終制作方案

1)尺寸規格：各主要部件：柱子360 mm×800 mm；軌道梁100 mm×1 000 mm；屋架為：60 mm×1 200 mm。2)總平面：1 200 mm×2 000 mm×1 200 mm。3)材料：4 mm燈飾塑料板材、泡沫、螺栓、玻璃膠棒、三氯甲烷。4)工具：勾刀、切割機、尺規、墨線筆、針管注射器。

5 制作實施

1)圖紙繪制：方案效果圖(見圖1，圖2)、總平面圖、各構件詳圖；圖紙校核。2)板材裁制：繪制裁割線、裁剪、片材磨修、粘結、組合、校核。3)構件粘結、校核、模型修改、美化。

6 結語

模型用于教學應用效果明顯，學生能夠節省大量理解記憶的時間，并且為學習易誤解處、難理解處帶來了特別直觀的認識，為教學帶來很大便利，很好地體現了項目的初衷。在實踐過程中組員的動手能力、分析、協同合作、解決問題的能力都得到了很好的鍛煉，與老師之間的溝通能力也顯著提升，對科研有了更多的理解和個人感受，有效地激發了學生對學習和創新的興趣。

[1] 戴國欣.鋼結構[M].武漢：武漢理工大學出版社，2012.

[2] 劉凌云.鋼結構教學改革初探[J].教育與職業，2007(29)：35-36.

[3] 余志紅，林從華，蔡壁新，等.建筑模型在建筑設計教學中的運用[J].高等建筑教育，2008(6)：53.

[4] 劉 捷，馬 馳.房屋建筑模型教具制作探討[J].武漢工程職業技術學院黨報，2010(1)：21-22.

[5] 郭榮玲.輕松讀懂鋼結構施工圖[M].北京:機械工業出版社,2011.

Research on teaching model design and production of steel structure★

MA Hang-hai BI Yong-hui ZHANG Xu-hui LONG Chao YUAN Ye LIANG Jiao-jiao

(CivilEngineeringCollege,NorthwestUniversityforNationalities,Lanzhou730030,China)

In view of the problems discussion were less of undergraduates in steel structure model production process, its actual production to students with larger difficulty, taking the workshop teaching model of monolayer steel structure as an example, this paper researched the problems in practical innovation production process, including scheme, component selection, materials, production tools, production methods etc., and conducted effective to solve, had positive significance for scientific research and innovation to promote undergraduates.

model, steel structure, innovation, scheme

1009-6825(2014)34-0248-02

2014-09-20★：2014年西北民族大學校級教育教學改革研究項目

馬航海(1980- )，男，碩士，講師

G642.0

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