首届全国大学生结构设计竞赛作品分析
发表时间：2018-06-04T16:45:44.867Z 来源：《基层建设》2018年第10期作者：高洋
[导读] 摘要：全国大学生结构设计竞赛作为教育部指定的九大大学生学科竞赛之一，其在大学生科技类比赛中发挥着明显的作用，该赛事对土木、结构、建筑设计类大学生的研究能力、创新能力、工程实践能力、团队精神、人际沟通能力、计算机应用水平及综合运用能力的培养与增强有着无法替代的价值。
河北大学建筑工程学院河北保定 071000
摘要：全国大学生结构设计竞赛作为教育部指定的九大大学生学科竞赛之一，其在大学生科技类比赛中发挥着明显的作用，该赛事对土木、结构、建筑设计类大学生的研究能力、创新能力、工程实践能力、团队精神、人际沟通能力、计算机应用水平及综合运用能力的培养与增强有着无法替代的价值。查阅了众多参赛作品将其与获奖作品进行比较对各结构体系有了更深程度的理解。
关键词：结构设计竞赛；框架结构；蒙皮结构；预应压力；建筑造型
国内大学生结构设计竞赛最早缘起于1994年清华大学校园内一座观赏性小桥—— “莲桥”建造方案的征集，其目的在于健全面向未来的教学体系，将学生们的学习由理论影像实践，通过对理论知识的综合运用和团队共同协作精神的培养，以及提高当代大学生的创新精神和动手实践能力。2000年，浙江大学在学习借鉴清华大学的基础上，在校内组织开展了首届大学生结构设计竞赛活动。2002年，在浙江省教育厅的大力支持下，浙江大学又将这项活动推向了全省，并承办了浙江省首届大学生结构设计竞赛活动。随着国内部分高校校内大学生结构设计竞赛的兴起，清华大学、同济大学、浙江大学等高校在成功举办校内竞赛的基础上，又分别将竞赛扩展到了港澳台地区，、华东地区和亚洲地区邀请赛以及全国竞赛。
这项赛事的举办旨在为土木相关专业的大学生提供一个挑战、创新、发掘自身潜能的平台，提高学生对专业的实际综合运用能力、思维能力、动手能力，在挑战中体现创新的理念，培养团队协作的能力，领悟学科魅力，增进个学校同学间的学科交流，拓展更加深层次的合作平台。在比赛中，同学们加深了对理论知识的理解，并将其运用与实际的模型设计中，计算能力、分析能力也从中获得了提高。
如同济大学土木工程系教授周克荣所说：“欲使我国在国际竞争中立于不败之地，人才培养是关键。”于2005年首届全国大学生结构设计竞赛在浙江大学举办，参赛题目为高层建筑结构模型设计与制作，竞赛内容包含方案设计与理论分析、结构模型制作、作品介绍与答辩、模型加载试验。根据建筑造型、结构方案、理论分析、模型制作、叙述答辩和加载试验 6 个方面进行评审。计分方法：先按荷重比（F=Q/W ）计算出各模型的相对分，其中 Q 代表模型所承受的最大侧向静荷载或冲击荷载（ N ）， W代表模型自重（ N ）；再将 F 值为最大（记 Fmax ）的模型定为满分（侧向静载 25 分，冲击荷载 20 分），其余模型的分数按（满分× F / Fmax）计算。
其中加载试验所占比重最大为45分，要求设计过程中选取合理的结构体系，这是对力学课程的考究，也是对现场制作时节点构件间合理稳固的连接的考察。
1、锥形框架结构
特等奖作品浙江大学的“一米阳光”借鉴了塔形的稳固结构，底部采用拉线，在压铁砂时张紧，整体造型先收后放，制作精美，结构与建筑造型的完美结合得到专家的好评。特等奖作品“一米阳光”、一等奖作品同济大学的“五月竹阁”“云梯”均采用的是锥形框架结构体系。框架最大的特点就是利用结构杆件的轴向承载力和刚度传递侧向荷载和重力荷载，从而提高整体的荷重比，因此有较高的有效性。柱子倾斜法治的框架体系（锥形框架）对刚度有较大的提高，可减少10%---30%的侧移。若再增加层间支撑（一层或几层，支撑角度45-60度为最佳），形成框架---支撑体系，可由框架结构主要承受竖向荷载，支撑体系承受水平荷载，保证了结构有足够的侧向刚度，以控制其位移在规定以内。在这种体系中，水平剪力主要由腹杆而不是柱承受，而腹杆由主要由其轴力的水平分量抵抗剪力，可接近一个真正的悬臂梁。该体系经过合理设计，其结构整体立面丰富，构件受力合理，适用于高层建筑结构。
2、蒙皮结构
一等奖作品东南大学的“云梯”、“白月光”采用的是蒙皮结构体系。蒙皮加上骨架的结构是非常好的结构，采用水平横梁变间距的体系，采用斜柱两向不对称。在结构外围，外包硫酸纸，在整个结构外围的硫酸纸完全绷紧时，可以提高结构的整体性能，提高幅度在15—30%左右，但应注意剪应力滞后的问题。其原理本人认为是在竖向荷载作用下，蒙皮相当于一个套箍的作用，跟混凝土结构中柱子的箍筋或钢管混凝土中的钢管作用异曲同工。在水平荷载下，相当于弱剪力墙的作用。“蒙皮结构”可以说是本次比赛的一大亮点，也是最有创意的地方。简洁的厂房体型，简单的四根柱子，外墙用硫酸纸包一圈，使四周密封，形成蒙皮结构，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，模型本身很轻，制作工艺简单，受力性能良好，无疑是比赛中最优秀的结构之一。另外一个也利用了硫酸纸受力的蒙皮结构是南京工业大学的“升”，三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，虽然在荷载试验中失败，但是其思想依然可以借鉴。
3.预应压力
二等奖作品湖南大学的“逸云阁”、三等奖作品上海交通大学的“爱奥尼大厦”、三峡大学的“索源”利用蜡线在柱子中间穿过，柱底柱顶锚固蜡线，从而对柱子形成预应压力。当在水平力作用下，柱子一边受拉，一边受压，可以提供受拉柱子一定的拉力，从而减少结构的侧移。水平力方向不定，蜡线不可受压，柔性支撑不一定可以发挥作用。若在刚性支撑中再加蜡线，形成刚柔并济的支撑体系，更好，只是较为费材料。
4. 筒体结构
筒体结构由框架-剪力墙结构与全剪力墙结构综合演变和发展而来。筒体结构是将剪力墙或密柱框架集中到房屋的内部和外围而形成的空间封闭式的筒体。其特点是剪力墙集中而获得较大的自由分割空间，多用于写字楼建筑。筒体结构作为高层建筑的一种结构形式，古已有之，如建于公元2世纪的印度佛祖塔,平面为正方形，砖砌塔身高55米;1055年建成的中国定县开元寺塔，塔身为砖砌筒中筒,共11层,高84米。筒体结构在现代高层建筑中广泛应用。目前世界上的高层建筑多是筒体结构，如美国芝加哥的约翰?汉考克大厦、西尔斯大厦、标准石油公司大厦和纽约的世界贸易中心大厦等。但框架筒体结构和筒体结构，在获奖作品中此类作品没有入围我认为是筒体结构在实体建筑中虽有使用但多应用于超高层建筑结构。此类结构虽受力性能良好，但自重较大在大赛中并不占优势。
另外，获奖作品中的来自上海交通大学的“爱奥尼大厦”还有其独特之处：单向结构设计。由于设计者对规则的解读，深刻的剖析了加载实验的加载方向，勇于放手一搏，最终取得了较可观的成绩。