结构设计竞赛经验谈

2024/7/11结构设计与模型制作中的发散思维

2024/7/11背景与现状

起源清华大学发展情况华东地区，华南地区，北京市，浙江省，湖南省

材料白卡纸、木材、铝结构形式高层建筑模型，简支桥梁模型，大跨屋架模型等2024/7/11思维的发散与创新

利用材料特性的发散思维

白卡纸，装饰外墙用的硫酸纸以及蜡绳。常规的想法是：以白卡纸作主要受力构建，硫酸纸装饰外墙，而蜡绳一般不予考虑。现在，我们换一种思维考虑：（1）分析蜡线的性质受拉强，不能受压。强度超高、而弹模很小。利用这一特性，可以作出一个全张力结构。利用柱子受压，绳子受拉。困难在于其施工。绳子节点出的固定问题，以及类似砼的应力松弛问题都难以解决。

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清华大学比赛作品2024/7/11思维的发散与创新

利用材料特性的发散思维

（2）硫酸纸是否只能用来做装饰而不能作为主要构件参与结构受力？充分利用透明纸张力好的特点，采用蒙皮结构作为主要承载结构，在承受侧向荷载的时候，整个外墙面传递荷载，传力途径多样，辅以腊线控制结点位移。基础采用倒置正交异性板结构，增设两对斜撑增大基础整体刚度，此法同时增大了上部结构与板的锚固面积。楼板采用干乳胶薄膜以减轻自重。东南大学作品“白月光”2024/7/11思维的发散与创新

利用材料特性的发散思维另外一个也利用了硫酸纸受力的结构是南京工业大学作品“升”，N道硫酸纸长条斜着隔几层螺旋设置，受侧向力作用的时候，长条受拉。虽然在贺载试验中失败，但是其思想依然可以借鉴。

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从施工工艺上的发散思维

普通的做法类似于预制构件装配式施工，即：先制作构件，然后进行装配。下面介绍的几个案例则类似于现浇施工，节点处的强度有较好的保证。（案例均取自于第一届全国结构设计大赛）

2024/7/11思维的发散与创新

从施工工艺上的发散思维

案例一：特等奖得主，来自浙江大学的模型“一米阳光”该结构可分为两榀平面框架，均成A型，作者对每个A型框架整体制作。现作出柱梁，然后拼成A型的内核，接着在外表粘一层白卡纸，同过精确定位，将外面的白卡纸又裁成A型，再通过梁与另外一榀框架连接形成结构。从外表看，整个结构犹如现浇得整体，小巧而美观，节点处粘结不牢的问题自然消除。

2024/7/11思维的发散与创新

从施工工艺上的发散思维

案例二：同济大学一等奖模型“云梯”结构形式：框架+支撑。特点在于两个斜撑在节点处的连接。一般做法是先做两根斜撑，然后利用白乳胶与柱连接。而同济这组的做法是直接做一根长的斜撑，然后折一下形成两根斜撑（注意，没有折断）。接着在弯折处与柱连接形成节点。2024/7/11思维的发散与创新

从施工工艺上的发散思维

案例三：三峡大学作品“缆月”梁，柱是由多层白卡纸粘结而成的实体，整体施工，节点处强度有很好的保证。

2024/7/11思维的发散与创新

从施工工艺上的发散思维

案例四：在全国赛之前，浙江大学校内举办过预选赛，听说有一种施工方法让人amazing。一个小组中有一个是医学系的，他们用针管吸入白乳胶，再注入需要连接的地方，以保证节点处的强度。

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消除扭转的发散思维常规做法是从结构上考虑。可以通过在非受力方向设置支撑以增加整个结构的抗扭能力。将思维发散一下，还可以从构件上考虑，增大构件的几何尺寸，从而增强其抗扭能力，甚至可以达到不加斜撑的目的，从而减轻自重。蜡线的另外一个用途：初张力2024/7/11结构设计中的几个概念

设计准则结构效率目标准则结构设计中在保证结构安全和刚度前提下寻求在给定跨度和荷载时所用材料重量最小的要求。制作与装配效率准则考虑构件制作与装配成本2024/7/11结构设计中的几个概念

优化设计（减轻自重）原则优化结构体系e.g.拉压构件与弯曲构件的比较1.结构材料强度的增加要比结构弹性模量的增加快得多；2.由轴力产生的拉压杆的轴向位移要比弯曲产生的侧向变形小得多；3.钢桁架在侧向力作用下的侧移比钢框架侧向力作用下的侧移小得多。优化结构布置e.g.桁架高度的选择；腹杆角度的选择合理的构造方法2024/7/11模型制作

准备工作材料性质的初步认识

比赛提供的材料：230g巴西白卡纸，硫酸纸，白乳胶现在让我们初步认识他们：（1）230g巴西白卡纸。含义：每张A0纸重230g。a.白卡纸的保护问题。刚买好的纸务必好好保管，最好有足够大的地方将其平摊，上面再用东西盖一下，以免受潮。注意不要伤着白卡纸，一旦上面有折皱，那么基本上这张纸就废了。受伤的纸强度降低很多。b.顺纹和逆纹。大家仔细观察白卡纸会发现顺、逆纹的差别。一般来说，沿长边方向是顺纹，沿短边方向是逆纹。讨论顺和逆的差别基于两点：第一主要是施工上的因素，沿顺纹剪裁要方便，也更顺手些；第二，强度上的因素，顺纹方向强度稍大于逆纹方向，当然相差不大。因此，在制作构件过程中务必下意识的体型自己沿顺纹裁剪。2024/7/11模型制作

准备工作

材料性质的初步认识（1）230g巴西白卡纸。含义：每张A0纸重230g。c.光滑面与粗糙面。白卡纸一般一面为光滑面而另一面是粗糙面。用粗糙面粘结效果会更好，因为表面的粗糙不平，使其在粘结中会产生一种类似于砼骨料之间的咬合力，而摩擦力也更大些。类似现实施工中新老砼连接需要“挫毛”的原因。（注意砂纸的利用）d.湿度的问题。南方空气湿度较大，这就使得白卡纸受潮，太软，制作的构建强度会降低，因此需好好保养。在制作构件及拼装结构的时候准备个电吹风。详细见后述。

2024/7/11模型制作

准备工作

材料性质的初步认识（2）硫酸纸。制作外墙用，前已述及，这里我就不多说了。比赛时本来是要用的，但最后被通知外墙可以不做，所以就取消了。如果不作持力结构，尽可能少用，结构本身才是考虑的重点。（3）白乳胶。注意的问题是乳胶的浓度问题。太稀，内含水分太多，凝固时间太长，太稠，粘结不牢，都不可取。觉得太稀的话，可让其自然风干一小段时间（注意，不要太久）2024/7/11模型制作

准备工作

工具的匹配a.美工刀田岛（tajima）b.电吹风能让构件在短时间内达到期望强度的必备工具。c.玻璃板好处在于划纸的方便快捷。若采用普通的绘图板（木制），用刀划纸时会伤到木板，使其可用度降低，而玻璃板则不会。注意，用的时候不要伤手哦。2024/7/11模型制作

准备工作

工具的匹配d.圆棒卷杆必备（建材市场有售，较贵）e.笔芯用完的圆珠笔该工具主要用于著作有棱角构件（如矩形柱梁等）时的划痕。在需要弯折的地方先用它划一条痕（注意用力适度，不要太猛，也不要太温柔）再折，这样对纸的伤害不大，而使弯折容易进行，并且制作出来的构件棱角分明，美观。2024/7/11模型制作

构件的制作和养护

划纸构件的常规制作（标准化）

a.两层矩形梁的制作（考虑白卡纸自身的厚度）b.箱形梁柱的制作

c.圆形柱梁的制作2024/7/11模型制作

构件的制作和养护

养护（主要是对圆形构建而言）a.养护的要点可以概括为先插后吹。插，即将圆棒插入已经制作好的构件中，然后将构建整齐放好，用电吹风吹干。注意吹得时候尽量的保证柱均匀受热。b.注意点：构件在成型后将圆棒拔出过程中，经常发现圆棒与构件内壁粘在一块。拔出比较费力，且容易使构件内壁受损;长大构件初始弯曲问题。

2024/7/11模型制作

结构的拼装

定位与拼装

注意制作顺序，以我们的模型为例：2024/7/11模型制作

结构的拼装

节点制作在实际框架结构中要保证节点强度大于梁柱强度，模型制作也不例外。构件受压好一点，但要注意偏心影响；受拉的话经常会在节点处脱落。

空心销蜡线后续加固拼装后的补强

结构拼装好后，先用电吹风吹干结构，发现有地方比较弱随时加胶补强。

2024/7/11评审规则及分值建筑造型（20分）按构思新颖、外形美观、布局合理、楼层有效使用面积充分评分。结构方案（10分）按结构方案的合理性、实用性和创新性评分。理论分析（10分）按设计说明书、方案图和计算书内容的完整性、准确性评分。模型制作（10分）按模型制作工艺评分。叙述答辩（5分）加载试验（45分)2024/7/11理论分析要求

内容应包括设计说明书、方案图和计算书设计说明书应包括对方案的构思、布局、功能、结构选型及其他有特色方面的说明；方案图应包括结构整体布置图、主要构件详图和方案效果图；计算书应包括计算模型、荷载分析、内力分析、承载能力估算等。2024/7/11总结和体会

2024/7/11总结和体会

创新，是时下一个比较时髦的名词，但我以为创新并不应该是一个时时在头脑中映现的框框，而是积累到一定境界，水到渠成的灵感，是应该建立在坚实的理论和实践基础上的突破。我想这是一个漫长的过程，需要思考和尝试。在具体细节处理上面，我认为要擅于观察，勤于总结。别人的优点要充分学习和汲取，缺点与不足也应该及时发现以警示自己。要把困难想多些，各种情况尽可能地想周到。一旦临场遇到意外，不要乱了方寸，能够沉着、冷静地面对解决。这种比赛不仅仅是对你的学识与能力的考验，也包括精神与心理上的较量。自己认为正确的地方要坚持，要敢于向权威挑战；而对于自己的弱点和缺陷不要退缩和回避，要敢于面对解决和承担责任。2024/7/11总结和体会

从大方向（体系）进行修改需要勇气与魄力，但效果往往来的明显；在选择时，首先需要考虑结构体系的效率问题，注意模型与实际结构的区别，尽可能选择传力路径清晰、简洁的体系。不要忽视细节，注意关键部位的构造措施，遇到问题勤于向自己和师长提问。分工与合作（teamspirits）精力的合理分配6月2日晚开幕式后，我们领取了模型制作材料；6月2日晚上10：00至次日早上7：00我们卷完了所有的构件。6月3日上午7：00至12：30，按原计划睡觉，为后续装配积蓄体力，同时保证杆件上的乳胶干透。6月3日下午1：00至5：00切柱和剪条，晚上7：00正式开始装配，直至次日7：00上部结构全部完工。剩余时间完成基础。2024/7/11关于有限元和软件

有限元理论及软件介绍参考书籍:《有限元分析及应用》

熟悉一种有限元分析软件

推荐：SAP2000参考书籍:

《结构概念分析与SAP2000应用》要学会利用已有知识概念去分析计算机算得的结果，进而进行结构优化。有限元分析並不能替你解決問題，只能幫助你了解問題，提供解決問題的線索。

2024/7/11参考资料

参考书籍结构概念和体系（美）林同炎斯多台斯伯利·S·D著高立人等译北京:中国建筑工业出版社,1999.2建筑结构概念设计及案例罗福午编著北京:清华大学出版社,2003建筑结构——分析方法及其设计应用（美）