大學生結構設計競賽對土木工程專業大學生創新能力的培養

劉健+陳英杰+朱海燕

[摘 要] 土木工程專業全國大學生結構設計競賽已成為培養大學生創新能力、實踐能力的一個重要的實踐教學環節。文章從結構設計競賽中材料選用和結構設計原則的角度出發，分析了結構設計競賽在培養學生計算能力、創新能力和綜合競賽能力的作用，探討結構設計、模型制作應注意的事項以及與實際工程的關系。

[關鍵詞] 結構設計競賽；模型制作；創新能力；土木工程

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2017. 23. 108

[中圖分類號] G420 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2017）23- 0216- 02

0 前 言

全國大學生結構設計競賽是培養大學生創新意識、合作精神和工程實踐能力的學科性競賽，能夠提高大學生的創新能力和動手能力。從2005 年在浙江大學舉行第一屆全國大學生結構設計大賽開始至今，今年將在武漢大學舉行第十一屆大賽。

通過結構設計競賽，使學生從專業基礎知識入手，通過理論分析、結構計算和動手制作等多個環節，通過合作溝通有效提高團隊的創新能力和實踐能力，為高等學校實踐教學改革、加強校企合作和開展創新教育起到積極示范作用。

1 結構設計競賽題目來源于實際工程，故其模型設計需緊扣實際工程設計

結構模型設計過程需要土木工程專業專業知識，是了解學生是否掌握力學原理與分析方法、工程材料的基本性能和適用條件、結構構件的力學性能和計算原理等的最直接檢驗[1-6]，可為學生今后從事工程設計、施工、管理和研發等工作奠定基礎。但是由于結構設計競賽制作的模型在材料選用、材料性能、設計原則和制作工藝等方面存在很大的差異。

1.1 材料選用不同

實際工程常用的結構材料有混凝土、鋼材、砌體等。研究人員對材料的力學性能已經進行了大量的研究，按設計規范中規定的相關設計參數使用。而全國大學生結構設計大賽中，一般模型尺寸很小，多以便于手工制作的木片、竹片、有機玻璃、PVC 材料、硬卡紙或鋁材等作為模型制作材料，桿件之間采用膠作為粘結劑。這類材料的材性因生產廠家、外界環境、制作工藝等多種因素影響而存在較大差異性，沒有定性的指標參考。

1.2 設計原則不同

實際工程結構設計采用分項系數表達的以概率理論為基礎的極限狀態設計方法，進行結構設計時應根據使用過程中結構可能同時出現的荷載，按承載能力極限狀態和正常使用極限狀態分別進行最不利荷載組合，并進行結構設計[1]。為保證結構的可靠度，通過在設計表達式中采用作用分項系數和抗力分項系數來實現。同時，應該對局部缺陷不敏感，不會因局部構件破壞影響結構的整體穩定性，因此，結構應有一定的安全儲備。

建筑設計和結構設計是設計過程中最重要的兩個環節，建筑設計決定了建筑物的外形、布局和使用功能，在整個設計過程中占主導地位，因此，實際工程中更注重建筑方案的美觀、新穎和標新立異，這往往使得結構工程師不能選擇最經濟合理的結構體系。

而競賽中則重在模型質量和剛度，考查結構體系的經濟合理性，模型的外觀評分不超過 10% 。因此優秀的模型結構布置簡單、傳力路徑明確、質量輕、剛度高、力學性能突出，而造型復雜、外形新穎、注重美觀的模型評分較低。

2 模型競賽對學生綜合素質的提高

2.1 創新能力

土木工程專業大學生的創新能力是指運用專業理論知識，在土木工程領域中不斷提供具有經濟價值、社會價值、生態價值的新思想、新理論、新方法和新發明的能力。“創新”可以是創造前所未有的結構形式，也可以是在模仿和仿造的同時在結構局部體現新的發展。

結構設計競賽為學生提供了一個展示自己結構設計能力的平臺，學生可以運用專業知識和理論大膽嘗試新穎的結構形式。在結構模型的選型、計算分析、軟件應用、計算書的編寫、模型制作和最終加載的各個環節，參賽學生需分工明確和通力合作，能有效提高學生的分析能力、計算能力、動手能力、合作能力和應變能力。

由此可見，即使根據結構模型的受力特性可在實際生活中找到結構原型，但為了更加追求結構競賽的高分，參賽學生們的設計創意依舊會帶給大家耳目一新的感覺。

2.2 計算能力

一個優秀的結構模型作品，不僅應滿足競賽規定的外形尺寸和合理的結構布置，還應在靜力和動力加載環節具有足夠的承載力和較好的剛度。雖然結構模型剛度與質量的關系很大。構件截面因構件制作的不同，剛度會有很大的差異，但是通過計算分析可以掌握結構體系的傳力路徑、內力分布和桿件受力特性。充分利用拉桿的抗拉性能對減小模型重量有很大幫助，而判斷構件的拉壓性質需通過對各加載工況進行充分的受力分析方能判別，這就需要學生掌握一種常用的結構設計軟件或有限元分析軟件，如 sap2000、MIDAS和 ANSYS 等。因此，參賽學生認真揣摩賽題后，需要利用專業知識進行結構方案優化，通過計算分析確定合理的結構型式，最終動手制作模型。歷屆結構模型競賽的結果表明，取得優異成績的參賽作品均對結構體系的受力特性做了充分研究分析，因此在結構選型、荷載計算、內力分析和承載能力估算過程中，學生的計算分析能力得到不斷的提升。

2.3 綜合能力

大學生結構設計競賽目的在于鼓勵學生將理論與實踐相結合。參賽團隊成員靈活運用專業知識，鍛煉學生動手實踐能力和創新能力。結構設計大賽要求學生組成3人小組參賽，由于在結構方案確定、計算分析、計算書整理以及模型制作過程中有大量的工作要做，模型制作均在比賽現場完成。這就要求小組成員具有團隊合作精神，成員之間分工明確、配合默契、通力合作，才能制作出精良的作品、最終在競賽中取得優異的成績。學生在整個競賽過程中自然而然會主動掌握很多知識，有些知識已超出了對本科生能力的要求，這也正是這類競賽活動的意義所在。

為取得優異成績，參賽學生需要制作多個模型進行試加載，而加載成功與否對學生心智的磨練是其他教學活動無法替代的。失敗乃成功之母，在失敗中找到結構薄弱點后不斷改進，這樣不僅鞏固了團隊的專業知識，同時也提升了團隊克服困難的毅力，這正是土木工程專業人才所需要的素質，結構設計大賽促使學生有興趣、有目的、有動力地學習，綜合能力得到極大提高。

3 結 論

通過對比大學生結構設計競賽設計和實際工程設計，從材料選用和設計原則的角度出發，闡述結構模型設計和實際工程設計的差異，分析了結構設計大賽在培養大學生創新能力、計算能力和綜合能力等方面的培養。

主要參考文獻

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