結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽經(jīng)驗(yàn)談

2024/4/17結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與模型制作中的發(fā)散思維

2024/4/17背景與現(xiàn)狀

起源清華大學(xué)發(fā)展情況華東地區(qū)，華南地區(qū)，北京市，浙江省，湖南省

材料白卡紙、木材、鋁結(jié)構(gòu)形式高層建筑模型，簡(jiǎn)支橋梁模型，大跨屋架模型等2024/4/17思維的發(fā)散與創(chuàng)新

利用材料特性的發(fā)散思維

白卡紙，裝飾外墻用的硫酸紙以及蠟繩。常規(guī)的想法是：以白卡紙作主要受力構(gòu)建，硫酸紙裝飾外墻，而蠟繩一般不予考慮?，F(xiàn)在，我們換一種思維考慮：（1）分析蠟線的性質(zhì)受拉強(qiáng)，不能受壓。強(qiáng)度超高、而彈模很小。利用這一特性，可以作出一個(gè)全張力結(jié)構(gòu)。利用柱子受壓，繩子受拉。困難在于其施工。繩子節(jié)點(diǎn)出的固定問(wèn)題，以及類似砼的應(yīng)力松弛問(wèn)題都難以解決。

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清華大學(xué)比賽作品2024/4/17思維的發(fā)散與創(chuàng)新

利用材料特性的發(fā)散思維

（2）硫酸紙是否只能用來(lái)做裝飾而不能作為主要構(gòu)件參與結(jié)構(gòu)受力？充分利用透明紙張力好的特點(diǎn)，采用蒙皮結(jié)構(gòu)作為主要承載結(jié)構(gòu)，在承受側(cè)向荷載的時(shí)候，整個(gè)外墻面?zhèn)鬟f荷載，傳力途徑多樣，輔以臘線控制結(jié)點(diǎn)位移?；A(chǔ)采用倒置正交異性板結(jié)構(gòu)，增設(shè)兩對(duì)斜撐增大基礎(chǔ)整體剛度，此法同時(shí)增大了上部結(jié)構(gòu)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(xué)作品“白月光”2024/4/17思維的發(fā)散與創(chuàng)新

利用材料特性的發(fā)散思維另外一個(gè)也利用了硫酸紙受力的結(jié)構(gòu)是南京工業(yè)大學(xué)作品“升”，N道硫酸紙長(zhǎng)條斜著隔幾層螺旋設(shè)置，受側(cè)向力作用的時(shí)候，長(zhǎng)條受拉。雖然在賀載試驗(yàn)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(fā)散思維

普通的做法類似于預(yù)制構(gòu)件裝配式施工，即：先制作構(gòu)件，然后進(jìn)行裝配。下面介紹的幾個(gè)案例則類似于現(xiàn)澆施工，節(jié)點(diǎn)處的強(qiáng)度有較好的保證。（案例均取自于第一屆全國(guó)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽）

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從施工工藝上的發(fā)散思維

案例一：特等獎(jiǎng)得主，來(lái)自浙江大學(xué)的模型“一米陽(yáng)光”該結(jié)構(gòu)可分為兩榀平面框架，均成A型，作者對(duì)每個(gè)A型框架整體制作?，F(xiàn)作出柱梁，然后拼成A型的內(nèi)核，接著在外表粘一層白卡紙，同過(guò)精確定位，將外面的白卡紙又裁成A型，再通過(guò)梁與另外一榀框架連接形成結(jié)構(gòu)。從外表看，整個(gè)結(jié)構(gòu)猶如現(xiàn)澆得整體，小巧而美觀，節(jié)點(diǎn)處粘結(jié)不牢的問(wèn)題自然消除。

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從施工工藝上的發(fā)散思維

案例二：同濟(jì)大學(xué)一等獎(jiǎng)模型“云梯”結(jié)構(gòu)形式：框架+支撐。特點(diǎn)在于兩個(gè)斜撐在節(jié)點(diǎn)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(jì)這組的做法是直接做一根長(zhǎng)的斜撐，然后折一下形成兩根斜撐（注意，沒(méi)有折斷）。接著在彎折處與柱連接形成節(jié)點(diǎn)。2024/4/17思維的發(fā)散與創(chuàng)新

從施工工藝上的發(fā)散思維

案例三：三峽大學(xué)作品“纜月”梁，柱是由多層白卡紙粘結(jié)而成的實(shí)體，整體施工，節(jié)點(diǎn)處強(qiáng)度有很好的保證。

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從施工工藝上的發(fā)散思維

案例四：在全國(guó)賽之前，浙江大學(xué)校內(nèi)舉辦過(guò)預(yù)選賽，聽(tīng)說(shuō)有一種施工方法讓人amazing。一個(gè)小組中有一個(gè)是醫(yī)學(xué)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(jié)點(diǎn)處的強(qiáng)度。

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消除扭轉(zhuǎn)的發(fā)散思維常規(guī)做法是從結(jié)構(gòu)上考慮?？梢酝ㄟ^(guò)在非受力方向設(shè)置支撐以增加整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗扭能力。將思維發(fā)散一下，還可以從構(gòu)件上考慮，增大構(gòu)件的幾何尺寸，從而增強(qiáng)其抗扭能力，甚至可以達(dá)到不加斜撐的目的，從而減輕自重。蠟線的另外一個(gè)用途：初張力2024/4/17結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)概念

設(shè)計(jì)準(zhǔn)則結(jié)構(gòu)效率目標(biāo)準(zhǔn)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中在保證結(jié)構(gòu)安全和剛度前提下尋求在給定跨度和荷載時(shí)所用材料重量最小的要求。制作與裝配效率準(zhǔn)則考慮構(gòu)件制作與裝配成本2024/4/17結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)概念

優(yōu)化設(shè)計(jì)（減輕自重）原則優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系e.g.拉壓構(gòu)件與彎曲構(gòu)件的比較1.結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度的增加要比結(jié)構(gòu)彈性模量的增加快得多；2.由軸力產(chǎn)生的拉壓桿的軸向位移要比彎曲產(chǎn)生的側(cè)向變形小得多；3.鋼桁架在側(cè)向力作用下的側(cè)移比鋼框架側(cè)向力作用下的側(cè)移小得多。優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置e.g.桁架高度的選擇；腹桿角度的選擇合理的構(gòu)造方法2024/4/17模型制作

準(zhǔn)備工作材料性質(zhì)的初步認(rèn)識(shí)

比賽提供的材料：230g巴西白卡紙，硫酸紙，白乳膠現(xiàn)在讓我們初步認(rèn)識(shí)他們：（1）230g巴西白卡紙。含義：每張A0紙重230g。a.白卡紙的保護(hù)問(wèn)題。剛買好的紙務(wù)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(qiáng)度降低很多。b.順紋和逆紋。大家仔細(xì)觀察白卡紙會(huì)發(fā)現(xiàn)順、逆紋的差別。一般來(lái)說(shuō)，沿長(zhǎng)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(diǎn)：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(qiáng)度上的因素，順紋方向強(qiáng)度稍大于逆紋方向，當(dāng)然相差不大。因此，在制作構(gòu)件過(guò)程中務(wù)必下意識(shí)的體型自己沿順紋裁剪。2024/4/17模型制作

準(zhǔn)備工作

材料性質(zhì)的初步認(rèn)識(shí)（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(jié)效果會(huì)更好，因?yàn)楸砻娴拇植诓黄?，使其在粘結(jié)中會(huì)產(chǎn)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(xiàn)實(shí)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(wèn)題。南方空氣濕度較大，這就使得白卡紙受潮，太軟，制作的構(gòu)建強(qiáng)度會(huì)降低，因此需好好保養(yǎng)。在制作構(gòu)件及拼裝結(jié)構(gòu)的時(shí)候準(zhǔn)備個(gè)電吹風(fēng)。詳細(xì)見(jiàn)后述。

2024/4/17模型制作

準(zhǔn)備工作

材料性質(zhì)的初步認(rèn)識(shí)（2）硫酸紙。制作外墻用，前已述及，這里我就不多說(shuō)了。比賽時(shí)本來(lái)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(jié)構(gòu)，盡可能少用，結(jié)構(gòu)本身才是考慮的重點(diǎn)。（3）白乳膠。注意的問(wèn)題是乳膠的濃度問(wèn)題。太稀，內(nèi)含水分太多，凝固時(shí)間太長(zhǎng)，太稠，粘結(jié)不牢，都不可取。覺(jué)得太稀的話，可讓其自然風(fēng)干一小段時(shí)間（注意，不要太久）2024/4/17模型制作

準(zhǔn)備工作

工具的匹配a.美工刀田島（tajima）b.電吹風(fēng)能讓構(gòu)件在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到期望強(qiáng)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(shí)會(huì)傷到木板，使其可用度降低，而玻璃板則不會(huì)。注意，用的時(shí)候不要傷手哦。2024/4/17模型制作

準(zhǔn)備工作

工具的匹配d.圓棒卷?xiàng)U必備（建材市場(chǎng)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(gòu)件（如矩形柱梁等）時(shí)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(duì)紙的傷害不大，而使彎折容易進(jìn)行，并且制作出來(lái)的構(gòu)件棱角分明，美觀。2024/4/17模型制作

構(gòu)件的制作和養(yǎng)護(hù)

劃紙構(gòu)件的常規(guī)制作（標(biāo)準(zhǔn)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(gòu)件的制作和養(yǎng)護(hù)

養(yǎng)護(hù)（主要是對(duì)圓形構(gòu)建而言）a.養(yǎng)護(hù)的要點(diǎn)可以概括為先插后吹。插，即將圓棒插入已經(jīng)制作好的構(gòu)件中，然后將構(gòu)建整齊放好，用電吹風(fēng)吹干。注意吹得時(shí)候盡量的保證柱均勻受熱。b.注意點(diǎn)：構(gòu)件在成型后將圓棒拔出過(guò)程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)圓棒與構(gòu)件內(nèi)壁粘在一塊。拔出比較費(fèi)力，且容易使構(gòu)件內(nèi)壁受損;長(zhǎng)大構(gòu)件初始彎曲問(wèn)題。

2024/4/17模型制作

結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的拼裝

節(jié)點(diǎn)制作在實(shí)際框架結(jié)構(gòu)中要保證節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度大于梁柱強(qiáng)度，模型制作也不例外。構(gòu)件受壓好一點(diǎn)，但要注意偏心影響；受拉的話經(jīng)常會(huì)在節(jié)點(diǎn)處脫落。

空心銷蠟線后續(xù)加固拼裝后的補(bǔ)強(qiáng)

結(jié)構(gòu)拼裝好后，先用電吹風(fēng)吹干結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)有地方比較弱隨時(shí)加膠補(bǔ)強(qiáng)。

2024/4/17評(píng)審規(guī)則及分值建筑造型（20分）按構(gòu)思新穎、外形美觀、布局合理、樓層有效使用面積充分評(píng)分。結(jié)構(gòu)方案（10分）按結(jié)構(gòu)方案的合理性、實(shí)用性和創(chuàng)新性評(píng)分。理論分析（10分）按設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)、方案圖和計(jì)算書(shū)內(nèi)容的完整性、準(zhǔn)確性評(píng)分。模型制作（10分）按模型制作工藝評(píng)分。敘述答辯（5分）加載試驗(yàn)（45分)2024/4/17理論分析要求

內(nèi)容應(yīng)包括設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)、方案圖和計(jì)算書(shū)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)應(yīng)包括對(duì)方案的構(gòu)思、布局、功能、結(jié)構(gòu)選型及其他有特色方面的說(shuō)明；方案圖應(yīng)包括結(jié)構(gòu)整體布置圖、主要構(gòu)件詳圖和方案效果圖；計(jì)算書(shū)應(yīng)包括計(jì)算模型、荷載分析、內(nèi)力分析、承載能力估算等。2024/4/17總結(jié)和體會(huì)

2024/4/17總結(jié)和體會(huì)

創(chuàng)新，是時(shí)下一個(gè)比較時(shí)髦的名詞，但我以為創(chuàng)新并不應(yīng)該是一個(gè)時(shí)時(shí)在頭腦中映現(xiàn)的框框，而是積累到一定境界，水到渠成的靈感，是應(yīng)該建立在堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)上的突破。我想這是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，需要思考和嘗試。在具體細(xì)節(jié)處理上面，我認(rèn)為要擅于觀察，勤于總結(jié)。別人的優(yōu)點(diǎn)要充分學(xué)習(xí)和汲取，缺點(diǎn)與不足也應(yīng)該及時(shí)發(fā)現(xiàn)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(chǎng)遇到意外，不要亂了方寸，能夠沉著、冷靜地面對(duì)解決。這種比賽不僅僅是對(duì)你的學(xué)識(shí)與能力的考驗(yàn)，也包括精神與心理上的較量。自己認(rèn)為正確的地方要堅(jiān)持，要敢于向權(quán)威挑戰(zhàn)；而對(duì)于自己的弱點(diǎn)和缺陷不要退縮和回避，要敢于面對(duì)解決和承擔(dān)責(zé)任。2024/4/17總結(jié)和體會(huì)

從大方向（體系）進(jìn)行修改需要勇氣與魄力，但效果往往來(lái)的明顯；在選擇時(shí)，首先需要考慮結(jié)構(gòu)體系的效率問(wèn)題，注意模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)的區(qū)別，盡可能選擇傳力路徑清晰、簡(jiǎn)潔的體系。不要忽視細(xì)節(jié)，注意關(guān)鍵部位的構(gòu)造措施，遇到問(wèn)題勤于向自己和師長(zhǎng)提問(wèn)。分工與合作（teamspirits）精力的合理分配6月2日晚開(kāi)幕式后，我們領(lǐng)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(gòu)件。6月3日上午7：00至12：30，按原計(jì)劃睡覺(jué)，為后續(xù)裝配積蓄體力，同時(shí)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(kāi)始裝配，直至次日7：00上部結(jié)構(gòu)全部完工。剩余時(shí)間完成基礎(chǔ)。2024/4/17關(guān)于有限元和軟件

有限元理論及軟件介紹參考書(shū)籍:《有限元分析及應(yīng)用》

熟悉一種有限元分析軟件

推薦：SAP2000參考書(shū)籍:

《結(jié)構(gòu)概念分析與SAP2000應(yīng)用》要學(xué)會(huì)利用已有知識(shí)概念去分析計(jì)算機(jī)算得的結(jié)果，進(jìn)而進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。有限元分析並不能替你解決問(wèn)題，只能幫助你了解問(wèn)題，提供解決問(wèn)題的線索。

2024/4/17參考資料

參考書(shū)籍結(jié)構(gòu)概念和體系（美）林同炎斯多臺(tái)斯伯利·S·D著高立人等譯北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1999.2建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)及案例羅福午編著北京:清華大學(xué)出版社,2003建筑結(jié)構(gòu)——分析方法及其設(shè)計(jì)應(yīng)用（美）