大學生結(jié)構(gòu)設計競賽經(jīng)驗漫談

大學生結(jié)構(gòu)設計競賽經(jīng)驗漫談吳小亮洪磊全國大學生結(jié)構(gòu)設計競賽是國家教育部批準的9個大學生競賽資助工程之一，大賽旨在培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新意識與合作精神，提高大學生的創(chuàng)新設計能力和動手實踐能力。大賽自舉辦以來，得到了全國各大高校相關(guān)專業(yè)師生的廣泛關(guān)注。筆者有幸參加了兩屆校級結(jié)構(gòu)設計競賽，并代表學校參加了第二屆全國大學生結(jié)構(gòu)設計競賽。作為比賽的參與者，我們現(xiàn)將關(guān)于比賽的相關(guān)認識和經(jīng)驗略作總結(jié)，供各位參考。第1節(jié)理論準備作為一項極具啟發(fā)性、創(chuàng)造性和挑戰(zhàn)性的科技競賽，大學生結(jié)構(gòu)設計競賽既考驗參賽者的結(jié)構(gòu)設計知識，又鍛煉大家的動手實踐能力，并在競賽過程中，考驗參賽大學生的綜合素質(zhì)。一個優(yōu)秀的競賽作品，必然是參賽者準確把握命題要求、正確運用理論知識、精確進行模型制作的結(jié)晶。1.1審題——細致準確、有的放矢由于受比賽時間、材料等條件限制，大學生結(jié)構(gòu)設計競賽往往突出“結(jié)構(gòu)概念設計〞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)承載能力的角度進行構(gòu)思和設計即可。要做到“符合題目要求〞，就需要我們充分了解要求，準確把握比賽規(guī)那么。只有“審〞好了題，才能做到有的放矢，更好地指導模型設計與制作。首先，在結(jié)構(gòu)設計之前，參賽者應認真閱讀比賽章程。比賽章程是比照賽相關(guān)事宜的詳細闡述。我們除了要準確了解參賽對象、比賽進程等規(guī)定外，更應該對命題要求、理論設計、加載方式、破壞指標、評分標準等核心內(nèi)容做細致分析。以橋梁結(jié)構(gòu)模型設計為例，通過閱讀比賽章程，我們至少需提煉以下五點信息：①模型尺寸在比賽章程中，一般會給出模型尺寸的限值。當未直接給出限值時，可通過加載條件間接加以確定。如對于橋梁長度而言，過短不利于加載平臺的有效支承，過長那么增加結(jié)構(gòu)自重；對于高度而言，過小不利于結(jié)構(gòu)豎向剛度的保證，過高那么影響加載試驗，也增加了結(jié)構(gòu)的自重；對于寬度，一般受車道條件和加載方式的限制。因此，模型的尺寸應保持在一定范圍內(nèi)，通過理論分析和模型試驗取得各方面的平衡。②支承形式支承形式對結(jié)構(gòu)設計的影響很大，直接關(guān)系到模型的結(jié)構(gòu)形式和理論分析。為此，我們需要關(guān)注“加載平臺是否提供有效的水平約束〞。一般的競賽只提供豎向支承，而水平約束那么較弱，甚至不提供。因此，對于懸索和有水平推力結(jié)構(gòu)，往往受該條件限制而無法運用，此時應考慮采取其他方式，如系桿拱等。③幾何凈空這在實際工程中極為重要，對于模型設計，一般也會限定其凈空要求，但往往被很多參賽者忽略。對于承受移動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。對于靜載試驗，一般用砝碼或者其他代替的重物〔沙包、鐵塊等〕進行加載；對于動載試驗，一般采用具有一定重量的牽引式可移動小車進行加載。⑤評分標準一般分為造型設計、理論計算、制作工藝、現(xiàn)場辯論、加載試驗等方面。其中加載試驗是比重最大的指標，通常占50—60分，其他指標那么各有側(cè)重。從比賽經(jīng)驗來看，最終影響競賽成績也大多是加載試驗指標，因此，參賽者務必在加載環(huán)節(jié)上進行足夠仔細的研究。其次在整個模型設計與制作過程當中，參賽者應反復進行規(guī)那么審讀和討論，對于不太明確的細節(jié)那么務必在模型制作前向組委會進行詢問并獲得明確答復，防止因?qū)σ?guī)那么誤解而導致無法參賽。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)異成績的前提。一個好的結(jié)構(gòu)型式，不僅表達了選手清晰明確的力學概念，還可以很好地表達作者的設計構(gòu)思，也必然表達作者的創(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，通過比擬、分析、計算、試驗等，確定模型的結(jié)構(gòu)型式。為此，參賽者應在設計之前，通過查閱資料，了解、補充和學習相關(guān)知識。對于橋梁結(jié)構(gòu)體系來說，一般分為梁橋、拱橋、懸索橋及組合體系四類。而結(jié)構(gòu)競賽中經(jīng)常采用的就是梁橋和拱橋兩種。從全國各高校的比賽情況來看，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單、計算方便、理論與實際吻合情況較好，而且可以通過變桁高來實現(xiàn)豎向抗彎剛度沿橋長方向的變化，從而最大程度減輕結(jié)構(gòu)自重。當然在結(jié)構(gòu)選型時，我們更應該充分結(jié)合比賽實際，發(fā)散思維，大膽創(chuàng)新，這也是大賽精神的要求。以第二屆全國大學生結(jié)構(gòu)設計競賽為例，大連理工大學的參賽作品那么采用了實腹式的梁橋〔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闡述。1.3設計——循序漸進、逐個擊破、因材施用在準確審讀競賽要求、根本確定結(jié)構(gòu)型式之后，接下來一個核心環(huán)節(jié)就是結(jié)構(gòu)設計。參賽者主要依據(jù)結(jié)構(gòu)設計根本原理，針對加載條件的要求和限制，進行合理的結(jié)構(gòu)布局設計。結(jié)構(gòu)設計是一個循序漸進的過程，它不是一蹴而就的，也不是一成不變的，而是需要在整個競賽準備過程不斷進行優(yōu)化和改良的。同時，參賽者應結(jié)合材料的不同力學性能，做到“因材施教、物盡其用〞。所謂“循序漸進〞，一方面要求設計者在命題要求的根底上進行，根據(jù)不同的材料性能和受力特性，設計不同的構(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，同時由于構(gòu)件抗彎的需要，可將受彎桿件截面設計成抗彎慣性矩較大的矩形、圓形、T形等形狀；對于受拉下弦，那么可充分利用硫酸紙或白卡紙的抗拉強度，采用單層或多層疊合紙帶，從而減輕下弦自重。所謂“逐個擊破〞，即“由果及因、由體及面、由局部及整體〞的設計思路。以承受荷載的桁架梁橋模型為例。當荷載作用于跨中時，一般簡支梁承受最不利荷載，此時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，初步設計時我們應著重考慮的問題是“如何使結(jié)構(gòu)的豎向抗彎能力與其最不利彎矩相適應？〞從這個角度出發(fā)，再結(jié)合結(jié)構(gòu)抗彎剛度的概念，即可以設計出沿橋長變高度的各種橋梁形式。對于動荷載試驗的模型，除了類似于靜載模型的抵抗彎矩圖概念外，我們著重關(guān)心的問題是“如何實現(xiàn)動載小車平穩(wěn)順利地通過橋面？〞，進而思考圍繞這一問題的一系列具體問題，如主梁與車輪的位置關(guān)系、橋面系的設計、橋面的鋪設、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，就是桿件設計問題。一方面我們應根據(jù)不同的受力特點，確定不同桿件的截面形式與連接設計，從而盡可能降低自重；另一方面，又要考慮到模型制作的可操作性、材料性能的不確定性等。1.4計算——正確簡化、指導實踐初步設計之后，就要開始對模型進行理論分析與計算。實際制作的模型在材料性能、支座條件、節(jié)點力學性質(zhì)等方面具有局限性，因此，我們需要對計算模型進行了以下簡化和假定，如采用空間梁單元模擬桁架結(jié)構(gòu)、荷載簡化、不考慮橋面板參與受力等。應該成認，簡化和假定會必然會帶來計算誤差。但從理論指導實踐這個角度上說，這種簡化計算又是合理的，誤差也是可以接受的。理論計算一般又分為手算和電算兩個方面。手算一般根據(jù)力學根本原理進行簡單的受力分析，如荷載簡化、拉壓桿件概念分析等；電算那么是運用計算機軟件進行結(jié)構(gòu)詳細分析，推薦使用SAP2000及MIDAS結(jié)構(gòu)分析軟件。需要強調(diào)的是，理論計算必須在模型制作之前就要進行。這是因為，只有經(jīng)過了計算，才能明確結(jié)構(gòu)各局部的受力性能，進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)點最危險等。在制作時對這些根本概念了然在胸，可以極大地提高模型制作效率。以上是對于結(jié)構(gòu)競賽幾個理論環(huán)節(jié)的要點概述，在完成上述步驟之后，理論工作根本結(jié)束，接下來就進入十分關(guān)鍵的實踐環(huán)節(jié)。第2節(jié)模型制作俗話說“成也蕭何，敗也蕭何。〞一個優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)模型，如果沒有精細的制作工藝，不管理論設計再怎么完善也將無法付諸實踐。這也是大學生結(jié)構(gòu)設計競賽區(qū)別于一般競賽的地方。模型制作水平在很大程度上依賴于參賽者的手工技巧。雖然并不是每個參賽者都有精巧的手工，但正所謂“熟能生巧〞，只要多進行嘗試，不斷總結(jié)經(jīng)驗，就能不斷提高制作水平。現(xiàn)就我們?nèi)陙淼谋荣惤?jīng)歷，跟各位同學分享一些模型制作的根本方法。2.1材料性能大學生結(jié)構(gòu)設計競賽是以培養(yǎng)同學們正確進行結(jié)構(gòu)概念分析、鍛煉理論聯(lián)系實際能力的學生科技賽事，其模型制作材料必然力求輕便、價廉和易加工，同時又能適當接近實際土建材料的性能，因此多采用具有一定拉壓強度的紙、木材、塑料管、有機玻璃等。白卡紙質(zhì)量：一般采用230克巴西白卡紙，即每張A0幅面的紙重230克根據(jù)組委會具體采購的不同，其實際質(zhì)量從210g至250g不等，可別小看這個數(shù)字，這種差異對模型的自重及強度影響是很大的。較輕的紙厚度必然較小，一般偏軟；較重那么厚度較大，偏硬。一般以230g白卡紙為宜。硬度：有些紙偏硬，不易于卷桿；有些紙偏柔，強度較差，特別是吸潮之后，其強度急劇下降。紋路：仔細觀察白卡紙會發(fā)現(xiàn)，每張白卡紙有順紋和逆紋的差異。一般來說，沿長邊方向是順紋，沿短邊方向是逆紋。二者對于模型制作是有影響的。一般說來，沿順紋剪裁要方便得多，同時，假設使桿件的長度方向順紋，那么在卷桿時較為順手，且桿件質(zhì)量容易保證。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，即使有污點也可以用擰干的濕布輕輕擦拭干凈。一般卷桿時，光面朝外。強度：白卡紙強度是一個很復雜的問題，一般不易直接測量，而是做成桿件進行試驗。吸濕性：白卡紙極易受潮，空氣濕度大時其強度明顯降低，且受荷后變形不穩(wěn)定，類似于混凝土的“徐變〞現(xiàn)象；但假設空氣過于枯燥，那么桿件很容易因局部小瑕疵而發(fā)生突然破壞(尤其是對于節(jié)點處)，類似于實際工程中的脆性破壞。分層：單層白卡紙是由三層不同的紙經(jīng)過膠合形成的。有時候可以充分利用這個特點進行適當?shù)膭冸x，從而減輕自重。硫酸紙硫酸紙較薄，一般不能卷成管型構(gòu)件，但其抗拉強度很高，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。在建筑模型設計中，一般也用作屋面板、建筑外墻等構(gòu)件，此時硫酸紙不僅是美觀的需要，還可以將結(jié)構(gòu)連成一個整體，產(chǎn)生意想不到的力學效果——“蒙皮效應〞。白乳膠白乳膠是結(jié)構(gòu)設競賽中最為常見的水溶性粘接劑，無毒無害。使用時主要注意的問題是乳膠的濃度：假設太稀，那么含水分較多，凝固時間長，粘接效果也受影響；假設太稠，那么粘結(jié)不牢，對自重的影響也較大。對于紙質(zhì)模型，一般采用較稀薄的乳膠，尤其是卷桿使用的乳膠應盡量稀薄，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)實際需要，可將適量原裝乳膠倒入一個干凈的紙杯〔取礦泉水瓶底局部最正確〕，然后倒入適量的純潔水，一般以乳膠能呈細線狀均勻、迅速流下為宜，攪拌均勻后即可使用，務必隨配隨用，不可放置太久，使用完畢后應將紙杯及時清洗干凈，以便下次調(diào)配。對于木材，建議使用較為濃稠的乳膠。木材木材均勻性較差，各參賽隊使用的材料差異很大，即便是統(tǒng)一采購也有加工損傷、木材品種不一等缺點。此外，受木材特性的限制，節(jié)點拼接形式簡單、加工較為困難。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計，索結(jié)構(gòu)也較為常見，亦可用于節(jié)點綁扎。但蠟線彈性一般較窄條狀紙帶大，故對于有變形要求的結(jié)構(gòu)來說，用蠟線直接作為受拉構(gòu)件的效果并沒有紙帶好。2.2工具配備結(jié)構(gòu)模型制作中常用的工具主要有：制圖工具丁字尺、三角板、圓規(guī)在進行紙張剪裁之前，需使用制圖工具進行構(gòu)件尺寸的量取和繪制，以確保剪裁的順利進行。畫圖板制圖時使用，此外在刻劃、制桿、拼裝時，畫圖板一般可用作加工平臺，但應確保其不被刀刃損傷。鉛筆、橡皮、舊圓珠筆芯白卡紙上的各種界線、數(shù)字、符號等，均用鉛筆進行標記，以保證作品的整潔；舊圓珠筆芯用于刻劃各構(gòu)件的折痕。剪裁工具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，以保證在刻劃時刀片不發(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?shù)朵h鈍化時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。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，而對于卷桿使用的白卡紙底料，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。制桿工具桿芯制作封閉截面紙桿的工具，一般根據(jù)所設計結(jié)構(gòu)的各種截面尺寸配備相應截面的桿芯。圓桿較為常用的有φ6、φ8、φ10三種，建議使用鉛質(zhì)或鋁質(zhì)實心桿件，一般長度為1m左右〔建材市場有零售〕；矩形桿件常用的有5×5、5×8、6×10等，一般為木材，但很難保證平直，有條件的可購置裝潢使用的龍骨或線條然后用電刨加工至適當尺寸。刷子涂抹白乳膠時使用，一般應配備兩種大小的刷子，使用后應及時置于清水中浸泡。電吹風用于迅速凝固白乳膠，保證桿件及節(jié)點很快到達一定的強度。使用時務必保證構(gòu)件均勻受熱。對于長度較大的桿件，建議置于報紙圍成的管道中，然后用電吹風在一端進行加熱，一定時間后從另一端加熱。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，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)件外表整潔；打磨桿件棱角，形成必要的弧形粘接面，減小損傷；對于木材結(jié)構(gòu)那么可用砂紙修飾、打磨成品，保證美觀等等。拼裝工具橡皮筋：同一尺寸紙桿應用橡皮筋綁扎成捆，防止混淆，便于拼裝。夾子：在木材桿件的節(jié)點到達期望強度之前，務必使用夾子進行固定。透明膠：可用于臨時性的固定措施。圖釘：用于制作拼裝“支架〞，特別是對于拱形結(jié)構(gòu)而言，一個穩(wěn)固的“支架〞可以保證拼裝過程的順利進行。2.3紙質(zhì)模型制作工藝制圖與實際工程一樣，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先繪制一張準確的“施工圖〞?！笆┕D〞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)的計算簡圖，比例為1：1，并標注各構(gòu)件的實際長度及結(jié)構(gòu)總長度和總高度。建議對各構(gòu)件進行編號，相同尺寸的構(gòu)件編號應一致。號料根據(jù)施工圖尺寸并適當考慮節(jié)點拼裝用料，計算出各構(gòu)件所用紙片大小，然后在白卡紙上用鉛筆繪制剪裁尺寸。號料的關(guān)鍵是準確計算出每根構(gòu)件的用紙大小。對于圓桿，考慮到制作上的方便，一般將每根桿件按其展開圖——矩形，剪裁后進行卷制。如前所述，桿件長度方向與白卡紙?zhí)烊患y理方向保持一致，故該方向長度即為所制桿件的長度；垂直紋理方向為卷紙方向，該方向的尺寸可參照下式計算：L=nπd1+0.3πn(n-1)+δ式中，n——白卡紙層數(shù)；d1——桿芯直徑；δ——預留值，一般取2mm至3mm。這只是一個經(jīng)驗公式，參賽者應根據(jù)實際情況計算。最為實用的方法是：先試著卷一根桿件〔不涂膠〕，然后再展開直接量取相應尺寸，然后考慮白乳膠的影響確定L。對于矩形桿件，那么一般只需剪取長度后即可。卷桿圓形截面桿件(以內(nèi)徑為8mm的三層桿件為例)將裁剪好的矩形紙片置于整潔的工作平臺上，用三角板在紙片的兩面精確繪制垂直于桿件長度方向的中軸線作為控制線，務必保證二者完全重合，然后將光面朝下放置。選擇φ8的桿芯，將其平行于桿件長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，然后十個手指均輕壓紙片、同步向前滾動桿芯。當卷起的紙片邊緣接觸內(nèi)側(cè)白卡紙時，再用大拇指和食指摁緊桿芯自中間向兩端滑動，確保第一層白卡紙與桿芯緊密接觸而無空隙，接著倆大拇指緊壓桿芯，其他手指那么盡量抵緊桿芯內(nèi)側(cè)，繼續(xù)慢慢滾動桿芯，使第二層白卡紙緊緊壓住第一層紙的邊緣，此時應調(diào)整桿芯的方向，確保白卡紙上的控制線對齊。繼續(xù)勻步滾動桿芯，并始終確保紙片全長與桿芯緊密接觸，控制線也盡可能對齊，直至卷完。以上為試卷過程，松開桿芯，仔細觀察白卡紙是否有明顯傷痕，假設試卷過程感覺紙張較硬，可用擰干的濕布輕輕擦拭白卡紙，使其稍微軟化。正式卷桿時，過程同上，但需一邊卷桿，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，應將白卡紙最末端置于桿芯底部，然后卷桿者用食指和拇指緊壓桿芯，并保持不動，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均勻加熱20秒左右，然后輕輕地滑動紙桿，防止其與桿芯粘結(jié)而導致無法取下。如此加熱1到3分鐘后，將紙桿從桿芯一端輕輕取下。圓桿制作是一個較為復雜的過程，質(zhì)量不容易保證，故建議在需要桿件數(shù)目的根底上多做2根，擇優(yōu)選用。矩形截面桿件準備工作同上，不同的是，當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、用力應輕微均勻，并保證刻劃時桿芯不要移動；將白卡紙沿折痕翻折至90°，然后將桿芯也翻轉(zhuǎn)90°，沿新的棱邊刻劃，如此重復；在卷第二層的時候，應在白卡紙上涂以適量的白乳膠，并用桿芯輕壓至根本粘合后進行下一步翻折，直至卷出適宜層數(shù)的桿件；用美工刀小心地將所卷桿件從白卡紙上刻劃成品。將成形的紙桿用橡皮筋進行綁扎固定，用電吹風進行烘干至各層之間根本粘接且無裂縫，然后置于空曠通風處自然風干。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：“預制法〞：先預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，缺乏之處是：外包白卡紙很難與內(nèi)側(cè)兩根小截面桿件緊密粘結(jié)?！艾F(xiàn)澆法〞：先卷一根小截面桿件，在最后一圈時并不從將其刻劃下來，而是將另一個適宜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)卷桿，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好，缺乏之處是：需在制作之前設計好該桿件四個側(cè)面所需的白卡紙層數(shù)，并確定先卷的是哪個側(cè)面。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：全拼法：即將弧形拱圈分割成長度及數(shù)目適宜的直桿弦段，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)點多，美觀性也較差；但工序簡單、操作方便；半拼法：即先卷成一根較長的直桿“拱肋〞，然后在拱肋內(nèi)側(cè)適當位置剪出小的缺口，形成笛子狀的“直拱肋〞，然后將缺口兩側(cè)的桿件進行粘結(jié)，形成拱形桿件。該方法制成的拱肋整體性能較好，美觀程度較高，但工序復雜，需要結(jié)合腹桿節(jié)點合理分割缺口，手工技巧要求較高。以上兩種“曲梁直做〞法，在拼接時均需制作準確的拼接圖，即在平臺上繪制1：1拱肋幾何圖，或直接在施工圖上進行拼接亦可。拼接時，從拱肋一端逐段粘結(jié)，每粘結(jié)一個連接點，均需要用電吹風進行強制加熱凝固直至到達足夠強度；粘結(jié)過程中務必保證拱肋按拼接圖所繪幾何形狀彎折，建議在連接點拱肋內(nèi)外側(cè)均制作固定卡位器——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。其他截面形式桿件根據(jù)設計，桿件也可采用不同的截面形式，如T形截面、十字形截面等。2.4木質(zhì)模型制作工藝木材處理增大截面一般提供的木材桿件較細，如果設計中選用截面較大的桿件時，一般可將多根桿件疊合粘結(jié)。在粘接時，務必保證粘結(jié)平面的平整，使二者粘結(jié)牢固，增加桿件的整體性。減小截面可用美工刀適當劈削后，再進行打磨處理。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，然后再進行彎曲，彎曲過程務必緩慢進行，待其根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！〕木材粘結(jié)一般使用較為濃稠的白乳膠，且涂抹厚度應較紙質(zhì)模型大。在粘接時，務必使用夾子給予粘結(jié)處力量足夠大、時間足夠長的正壓力，確保粘結(jié)牢固。節(jié)點處一般需粘貼較薄的木片作為節(jié)點板，增加有效粘結(jié)面積。2.5節(jié)點設計與制作節(jié)點處的受力較為復雜，是結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)。實際工程中，一般要求框架結(jié)構(gòu)節(jié)點強度大于梁柱強度，模型制作也不例外，尤其是受拉節(jié)點。節(jié)點設計的根本原那么是：主要受力構(gòu)件在節(jié)點處保持連續(xù)不截斷，次要構(gòu)件與重要構(gòu)件保證可靠連接。受拉節(jié)點即該節(jié)點處至少有一根以上的桿件承受拉應力，受拉節(jié)點是模型試驗中破壞最為常見的部位，應引起參賽者的足夠重視。在設計時，對于一般的受拉節(jié)點可采用以下方法：“整體彎折法〞：即將受拉的桿件在連接處整體彎折而不截斷，或者僅在預留出足夠粘結(jié)接觸外表后截斷?！皹?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；對于木材模型，可以使用節(jié)點板。受壓節(jié)點結(jié)構(gòu)構(gòu)件一般具有足夠的強度，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)點較受拉節(jié)點來說，抵抗破壞的能力也較好。在制作時，壓節(jié)點根本要領(lǐng)時：保證節(jié)點處各桿件軸線處于同一平面內(nèi)，且受壓接觸面務必充分接觸。交叉節(jié)點交叉節(jié)點在立體結(jié)構(gòu)中較為常見，如高層建筑模型等，在橋梁結(jié)構(gòu)中，一般為橋面系設計中的縱橫梁交叉。在制作時，需要制作者進行不斷嘗試，尋求較適宜的連接方法。以矩形截面為例，一般在接觸點分別開出槽口，然后將二者充分咬合連接。而槽口的開挖方法卻有各種形式，需根據(jù)實際選用。第3節(jié)要點提示3.1關(guān)于模型選型模型選型是一個較為復雜的過程，參賽者需要根據(jù)命題要求，結(jié)合結(jié)構(gòu)設計知識，進行多方位、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問題：明確荷載傳遞路徑這個概念在結(jié)構(gòu)設計競賽中十分重要，各位可參看有關(guān)書籍。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，從作用點開始依次經(jīng)過結(jié)構(gòu)各局部的相互作用，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)力在傳遞時引起的變形類型也是不同的。結(jié)構(gòu)設計的目標，歸根結(jié)底是將結(jié)構(gòu)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。尤其是在進行桁架結(jié)構(gòu)設計時，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。加強結(jié)構(gòu)型式比照結(jié)構(gòu)設計競賽倡導的是“百花齊放、百家爭鳴〞，滿足命題要求的結(jié)構(gòu)型式應該是且必然是多樣性的。即使對于規(guī)定結(jié)構(gòu)型式的比賽命題來說，符合該種結(jié)構(gòu)類型的實際模型也可以是多種多樣的。參賽者應在選型時，加強對各種符合要求的結(jié)構(gòu)型式的比照分析，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。尋求優(yōu)化與創(chuàng)新在根本確定結(jié)構(gòu)型式之后，就需要依據(jù)各種功能目標及約束條件進行模型的優(yōu)化。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計是理論分析與模型試驗相輔相成的過程。一方面，我們需經(jīng)過理論計算與分析，探求合理的受力型式，優(yōu)化荷載傳遞路徑，并對該型式進行加載試驗；另一方面，通過加載試驗，我們可以發(fā)現(xiàn)模型的薄弱部位及破壞形式，并將其得到改良或加強，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十分重要的問題。在自重約束的條件下，參賽者需要根據(jù)設計計