1、大学生结构设计竞赛对土木工程专业大学生创新能力的培养 摘 要 土木工程专业全国大学生结构设计竞赛已成为培养大学生创新能力、实践能力的一个重要的实践教学环节。文章从结构设计竞赛中材料选用和结构设计原则的角度出发，分析了结构设计竞赛在培养学生计算能力、创新能力和综合竞赛能力的作用，探讨结构设计、模型制作应注意的事项以及与实际工程的关系。 下载 关键词 结构设计竞赛；模型制作；创新能力；土木工程 doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2017. 23. 108 中图分类号 G420 文献标识码 A 文章编号 1673 - 0194（ 2017）23-
2、0216- 02 0 前 言 全国大学生结构设计竞赛是培养大学生创新意识、合作精神和工程实践能力的学科性竞赛，能够提高大学生的创新能力和动手能力。从 2005 年在浙江大学举行第一届全国大学生结构 设计大赛开始至今，今年将在武汉大学举行第十一届大赛。 通过结构设计竞赛，使学生从专业基础知识入手，通过理论分析、结构计算和动手制作等多个环节，通过合作沟通有效提高团队的创新能力和实践能力，为高等学校实践教学改革、加强校企合作和开展创新教育起到积极示范作用。 1 结构设计竞赛题目来源于实际工程，故其模型设计需紧扣实际工程设计 结构模型设计过程需要土木工程专业专业知识，是了解学生是否掌握力学原理与分析方
3、法、工程材料的基本性能和适用条件、结构构件的力学性能和计算原理等的最直接检验 1-6，可为学生今后从事工程设计、施工、管理和研发等工作奠定基础。但是由于结构设计竞赛制作的模型在材料选用、材料性能、设计原则和制作工艺等方面存在很大的差异。 1.1 材料选用不同 实际工程常用的结构材料有混凝土、钢材、砌体等。研究人员对材料的力学性能已经进行了大量的研究，按设计规范中规定的相关设计参数使用。而全国大学生结构设计大赛中，一般模型尺寸很小，多以便于手工制作的木片、竹片、有机玻璃、 PVC 材料、硬卡纸或铝材等作为模型制作材料，杆件之间采用胶作为粘结剂。这类材料的材性因生产厂家 、外界环境、制作工艺等多种
4、因素影响而存在较大差异性，没有定性的指标参考。 1.2 设计原则不同 实际工程结构设计采用分项系数表达的以概率理论为基础的极限状态设计方法，进行结构设计时应根据使用过程中结构可能同时出现的荷载，按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行最不利荷载组合，并进行结构设计。为保证结构的可靠度，通过在设计表达式中采用作用分项系数和抗力分项系数来实现。同时，应该对局部缺陷不敏感，不会因局部构件破坏影响结构的整体稳定性，因此，结构应有一定的安全储备。 建筑设计和 结构设计是设计过程中最重要的两个环节，建筑设计决定了建筑物的外形、布局和使用功能，在整个设计过程中占主导地位，因此，实际工程中更注重建筑方案的
5、美观、新颖和标新立异，这往往使得结构工程师不能选择最经济合理的结构体系。 而竞赛中则重在模型质量和刚度，考查结构体系的经济合理性，模型的外观评分不超过 10% 。因此优秀的模型结构布置简单、传力路径明确、质量轻、刚度高、力学性能突出，而造型复杂、外形新颖、注重美观的模型评分较低。 2 模型竞赛对学生综合素质的提高 2.1 创新能力 土木工程专业大学生的创新能力是指运用专业理论知识，在土木工程领域中不断提供具有经济价值、社会价值、生态价值的新思想、新理论、新方法和新发明的能力。 “ 创新 ” 可以是创造前所未有的结构形式，也可以是在模仿和仿造的同时在结构局部体现新的发展。 结构设计竞赛为学生提供
6、了一个展示自己结构设计能力的平台，学生可以运用专业知识和理论大胆尝试新颖的结构形式。在结构模型的选型、计算分析、软件应用、计算书的编写、模型制作和最终加载的各个环节，参赛学生需分工明确和通力合作，能有效提高学生的分析能力、计算能力、动手能力 、合作能力和应变能力。 由此可见，即使根据结构模型的受力特性可在实际生活中找到结构原型，但为了更加追求结构竞赛的高分，参赛学生们的设计创意依旧会带给大家耳目一新的感觉。 2.2 计算能力 一个优秀的结构模型作品，不仅应满足竞赛规定的外形尺寸和合理的结构布置，还应在静力和动力加载环节具有足够的承载力和较好的刚度。虽然结构模型刚度与质量的关系很大。构件截面因构
7、件制作的不同，刚度会有很大的差异，但是通过计算分析可以掌握结构体系的传力路径、内力分布和杆件受力特性。充分利用拉杆的抗拉性能 对减小模型重量有很大帮助，而判断构件的拉压性质需通过对各加载工况进行充分的受力分析方能判别，这就需要学生掌握一种常用的结构设计软件或有限元分析软件，如 sap2000、 MIDAS 和 ANSYS 等。因此，参赛学生认真揣摩赛题后，需要利用专业知识进行结构方案优化，通过计算分析确定合理的结构型式，最终动手制作模型。历届结构模型竞赛的结果表明，取得优异成绩的参赛作品均对结构体系的受力特性做了充分研究分析，因此在结构选型、荷载计算、内力分析和承载能力估算过程中，学生的计算分
8、析能力得到不断的提升。 2.3 综合能力 大学生结构设计竞赛目的在于鼓励学生将理论与实践相结合。参赛团队成员灵活运用专业知识，锻炼学生动手实践能力和创新能力。结构设计大赛要求学生组成 3人小组参赛，由于在结构方案确定、计算分析、计算书整理以及模型制作过程中有大量的工作要做，模型制作均在比赛现场完成。这就要求小组成员具有团队合作精神，成员之间分工明确、配合默契、通力合作，才能制作出精良的作品、最终在竞赛中取得优异的成绩。学生在整个竞赛过程中自然而然会主动掌握很多知识，有些知识已超出了对本科生能力的要求，这也正是这类竞赛活动的意义所在 。 为取得优异成绩，参赛学生需要制作多个模型进行试加载，而加载
9、成功与否对学生心智的磨练是其他教学活动无法替代的。失败乃成功之母，在失败中找到结构薄弱点后不断改进，这样不仅巩固了团队的专业知识，同时也提升了团队克服困难的毅力，这正是土木工程专业人才所需要的素质，结构设计大赛促使学生有兴趣、有目的、有动力地学习，综合能力得到极大提高。 3 结 论 通过对比大学生结构设计竞赛设计和实际工程设计，从材料选用和设计原则的角度出发，阐述结构模型设计和实际工程设计的差异，分析了结构设计大赛在 培养大学生创新能力、计算能力和综合能力等方面的培养。 主要参考文献 陈俊岭，黄皇 .结构模型竞赛在土木工程专 ?I 大学生创新能力培养中的作用 J. 高等建筑教育， 2014，
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