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正文：

1 引言
    湖南省第三届大学生结构设计竞赛由湖南省教育厅、湖南省住房和城乡建设厅共同主办，湖南省建设人力资源协会、南华大学承办、湖南锦霖建设有限公司协办，共有18所本科院校的64支队伍参赛。结构模型设计竞赛是针对土木工程专业大学生的一项重要的学科竞赛, 是极富创造性、挑战性的科技竞赛^{[ 1-3]}。同时该竞赛也是全省土木专业规模最大、竞赛水平最高、影响范围最广、最深的一项大学生科技竞赛活动，该竞赛旨在通过专业知识的综合运用，多方面培养大学生的创新意识、创新设计能力、动手实践能力和综合素质，加强高校间的交流与合作，促进我省土木建筑专业实践型人才培养的步伐。　 
2 竞赛内容及主要环节
2.1竞赛题目
    此次竞赛要求设计承受颗粒冲击的纸质结构模型，通过竞赛考察纸质结构模型承受颗粒冲击与分布荷载的能力，并使学生通过竞赛活动获得结构承载能力与散体物质装载过程中的相关力学知识。竞赛要求使用由竞赛组委会提供的5张A0白卡纸和2瓶普通耐水快干型乳胶作为材料制作模型，模型长为300mm≤l≤400mm，宽为300mm≤b≤400mm，高为h≤100 mm。由底部四个六角螺栓提供竖向支撑，螺栓中心形成一个边长为300mm的正方形，螺栓顶面到漏斗出钢珠位置（加载高度）为720mm。结构承受一次性冲击加载，冲击高度H=720mm，冲击荷载为连续下落总重量为80kg的钢球，保持结构不破坏，变形小于3cm且静载超过20s，视为加载成功，计算模型的装载重量与模型重量的比值。    
2.2材料特性测试
本次竞赛选用的材料为白乳胶和白卡纸，进行结构模型设计的第一步就是要明确模型使用材料的性质。为了得到较为准确的模型材料性质，掌握准确的构件承载性能，参赛学生首先要对模型选用的材料进行简单的力学性能测试。
白卡纸的强度受空气湿度的影响较大。当空气湿度大时，暴露于空气中的纸质杆件容易受潮变软，刚度不够，受荷后发生不均匀的变形和折曲。若空气过于干燥，杆件变脆，易因局部瑕疵发生脆性变坏。如果对模型构件进行人工风干，容易出现烘干不均匀造成模型变形改变受力状况，或过于干燥，造成模型脆性破坏。
为了得到最佳的材料使用性能，通过对不同的天气湿度情况下的白卡纸进行材料试验，得到空气湿度保持在60%左右为白卡纸性能最佳。在此状态下，实测白卡纸容重为823kN/m³，小吨位万能试验机进行材料试验，得到白卡纸的拉压强度分别为24Mpa和8Mpa。针对白卡纸拉压强度受到环境影响较大的问题，通过对白卡纸使用吹风机吹干、密封保存及自然风干的三种情况下的构件进行强度试验，其结论显示：冷风吹干的把卡纸强度较高，且抗拉强度是抗压强度的3倍。因此参赛者在模型的设计制作中，以此为依据充分利用白卡纸的抗拉强度，并考虑拉压结合，以得到最轻的模型重量，并且尽量在制作过程中采用冷风均匀吹干，并在吹干后密封保存，以求利用最佳的材料性能。
多组参赛队伍发现了此次竞赛所采用的白卡纸是由三层不同的的纸经过胶合而成，在制作过程中可将白卡纸拆分开，上下两层为光滑面，中间一层粗纤维的粗糙面。其中光滑面质量轻，抗拉轻度高，但容易冲切破坏，可以适当剥离出来用于抗拉构件，从而减轻重量。粗糙面摩擦系数大，粘接性能好，可以剥离出开用于增加模型与装置之间的摩擦力。
小吨位万能试验机测试得到白乳胶12H粘接强度为2Mpa，且白乳胶的强度同样受到温度、湿度、风干方式及是否密封保存等诸多因素的影响，使白乳胶的强度降低。并且，白乳胶的也对模型的影响较大，若太稀，则含水量较大，凝固时间较长，且粘接效果不佳；若太稠，则白乳胶不宜涂刷均匀，且粘接不牢，并且会增加模型重量。模型制作中选用较稀薄的乳胶，既能够保证涂刷均匀，且能减轻结构重量。因此，根据实际情况，模型粘接时可在提供的白乳胶中兑入一定比例的纯净水，以兑水后的乳胶呈细线状态均匀、迅速下流为宜。
2.3 杆件截面形式的选择
根据材料性能分析，明确了白卡纸抗拉性能良好，抗撕拉和抗压性能差。因此，将白卡纸卷成杆件形式可以承受一定的压力和弯矩，但纸杆受到长细比的限制，容易出现压杆失稳的现象。因此为了选择合适的纸质抗弯构件的截面形式，参赛队员选择不同的截面形式的杆件进行抗弯性能试验。
进行杆件抗弯试验的实验参数包括：杆件截面形式，杆件尺寸，卷杆白卡纸的层数，杆件重量等，得到最大荷重比的杆件形式，用于制作结构模型。比较的抗弯构件的截面形式包括：方形截面、矩形截面、三角形截面、工字型截面、圆形截面、箱型截面等。最终，参赛队伍根据不同的部位构件受力要求的不同，选择最佳的杆件形式。
2.4 缓冲处理设置
参赛队员为了减轻散粒式冲击荷载对模型的冲击作用，在模型作品中研制了多种减少冲击效应的细部处理，其处理方式包括：（1）底板中心做加密肋梁；（2）底板蜂窝缓冲体系；（3）三棱柱缓冲底板；（4）横向三棱柱缓冲底板；（5）底板拉条加强；（6）瓦楞缓冲结构；（7）底板整体蒙皮加强等。
2.5 节点处理
结构模型的破坏很多是缘于节点的破坏而不是构件破坏，因此，在模型制作中参赛队伍从分体现了“强节点弱构件”的主导思想，在模型制作中尽量保证节点的牢固且减少节点的数量。
模型作品中，采用的节点加强处理方式有：（1）节点卯榫法；（2）杆件穿插连接法；（3）节点贴片加强法；（4）内部填充加强法；（5）局部增加杆件卷杆层数法：（6）拉条缠绕法等。
2.6 结构计算分析
    为了明确结构的受力性能，优化杆件尺寸，因此，需对初选的结构模型需要进行建模计算，得到模型的理论受力和位移状态，判断模型的合理性，并以此为基础进行构件优化，并以此与模型加载结果进行对比分析。竞赛中，参赛队伍均对模型进行了详细的结构受力计算和优化，但动力计算犹显不足。其中模型计算采用的计算软件包括：MIDAS、SAP2000、ANSYS、ABAQUS等。
2.7结构模型的类型
该赛事中，为了具有良好的结构抗冲击性能和更优的结构形式，参赛队主要从以下几个因素进行考虑：（1）模型使用材料的性能；（2）结构的装载空间；（3）结构的抗冲击性能；（4）节点的数量多少和节点的可行性；（5）模型重量。
竞赛中模型作品出现了多种结构形式，如：（1）底板桁架、梁组合结构；（2）底板波纹刚性结构；（3）底板对角线双拱底面框架；（4）底板圆柱孔板底面；（5）底板井字梁楼盖结构；（6）底板田字梁楼盖结构；（7）底板十字交叉两式结构；（8）底板平行斜梁结构；（9）底板密肋结构；（9）三棱锥柱口袋型框架；（10）垂直立柱型框架等。模型的外观形式包括正方形、圆形、漏斗形等多种形式。
3 竞赛的实践性意义
3.1 赛题的实践意义
结构模型竞赛的赛题均源自于工程实践，本次竞赛赛题中考虑的冲击效应是工程中普遍存在的现象。工程中，海浪的冲刷、汽车运动的冲击、机械构件的碰撞、砂石装料、仓储卸料、泵送混凝土造成的冲击效应都是不可忽略的。在本次结构设计竞赛中要求设计一承受颗粒冲击的纸质结构模型，充分的结合了工程实际，引入了模拟冲击作为模型的测试条件，因此在结构设计中也要求制作者能考虑如何减少冲击对结构物的影响，解决工程中抗冲击作用的难题。结构模型竞赛从选题的角度就牢牢联系工程实践，力求在完成赛题的过程中，培养学生处理工程实践问题的基本能力。针对于目前本科教育更多的偏向于理论教学，实践教学的环节相对不足的现象。结构模型竞赛的选题思路使参赛的学生适应能力、合作能力、工程实践能力和创新能力^[4]能得到大步的提升，使土木工程专业的人才培养模式更适合“宽口径、应用型”人才培样的。
3.2 竞赛环节的实践意义
为了完成该赛题，得到一个优秀的作品，参赛的同学需要完成材料性能的测试、结构的选型、构件的选型、结构的模拟计算、模型的比选优化、模型的制作、模型加载、实验结果的分析总结和再优化的过程。
在这个过程中，参赛者应掌握CAD、大学物理、大学物理实验、高等数学、理论力学、材料力学、结构力学、土木工程材料、计算机辅助设计、材料力学试验、土木工程材料试验、结构试验、钢筋混凝土结构、钢结构等基础课和专业基础课知识^[5]。这些相关的课程涵盖了土木工程专业的大部教学分 内容。通过结构模型设计竞赛可实现土木专业各主要学科知识点的贯通和融合运用。在竞赛的过程中，能使参赛者熟练的掌握所学专业知识，并在运用的过程中发现不足，而指导教师也同样可以在竞赛的过程中发现教学的薄弱环节，以此为基础促进教学的改革，从而提高教学的质量。
参赛者为了获得最佳的模型，需要在认识各类结构形式及受力特点的基础上，准确的分析出各结构的受力情况，并充分掌握各材料的性能及材料间的共同效应，从而得到结构和材料使用的最佳状态。并且在模型的制作工程中，要充分考虑到细部构造及工艺的可行性，并且需要精确制作，把握细节。在这个过程中能过提高参赛者分析问题和解决问题的能力，弥补学生不能有效利用专业知识、实践能力不足的问题。
在此次竞赛中，参赛者的主观能动性非常强，体现了极高的综合素养，对材料的分析精准到位，模型类型非常的富有创造性，对模型的分析计算也非常充分，而且针对抗冲击的实际问题，展开了动力计算，并采取了多种类型的有效抗冲击措施。从竞赛的结果来看第一名的作品“凤凰涅槃”的模型重量212.9g，模型装载重量72.5Kg，底板采用了井字型矩形梁，底板为抵抗冲击荷载进行了中心区域的局部加肋，为了减少挠度，在底面采用了对角拉带加强。该作品传力明确，制作优良，从作品中体现了制作者的极高的实践能力。
4 实践型人才培养模式的探索
4.1　以科技协会为主导，全面推广竞赛活动
为了开展此次竞赛，在预选之初就在全校展开了多次有效的动员和专业讲座，推动了土木及相关专业学生的参与热情。在校内，以科技协会牵头在学校内部进行了两次预选赛，参加预选的学生有组别有124组，占到大二大三的总人数的35%以上，并且有多组涌现更多的跨专业、跨年级的组合形式，以求最佳的组合实力。
为了提高参赛队伍的竞赛实力，由有经验的指导老师进行了针对性的讲座和答疑。在对学生的指导中展开了如下几个环节的指导：
（1）帮助学生系统梳理专业知识。其一，认识材料性能，熟悉和掌握材料实验环节。其二，培养学生对结构的认识和理解， 解剖结构的荷载传递路径和结构构件的相互关系。其三，引导学生从整体上认识结构的基本受力原理。
（2）指导学生测定所用材料、所用构件、所用结点的物理力学性能，深化对材料和结构试验的认识。
    （3）指导学生进行结构选型和优化。培养学生学习一到两种有限元分析软件，通过模型内力对比计算以及模型的优化过程培养学生的数值计算能力，实现“理论应用于实践”这一土木工程专业的培养目标。  
    （4）以参赛经验指导学生模型制作的细节处理，并通过竞赛培养学生的管理能力、协作能力、沟通能力和适应能力。
学院为该协会配备专门的模型设计室, 并开放了相关实验室。 通过开展科协结构模型设计竞赛活动，开拓了学生的视野，提供了新的学习平台，促进了学生自主学习和探索的意识，让学生对专业知识得到新的认识，并提供的机会让学生将知识转化为成果，推动了学科学习的实践性。
而在校内举办的省赛，也让学生更多的学习到其他高校的模型设计和制作的技巧，更大的激发了学生的参赛热情。
4.2全面开展结构模型设计的实践环节
虽然科技协会活动吸引了一大批的学生参与到竞赛活动中来，但是，竞赛活动并没有覆盖到所有学生。为了实现以竞赛促进实践型人才的培养模式，急需对实践课程体系的进行深入细致的改革。 因此，在教学体系中引入结构模型设计竞赛的思想，加强学生分析能力和实际动手能力，加强学生的实践性培养^{[ 5-6]}。
在教学体系中, 加大实践环节教学量。在“结构力学”的课程中, 布置结构模型设计的课外活动环节，同时在教学中突出矩阵位移法，并将矩阵位移法向有限元基本原理部分作了必要拓展，突出“有限元”的思想^{[ 3]}，并在课程中增加专业计算软件学习的选修课程。同时，将结构模型设计纳入到有关课程设计环节中，如钢结构、桥梁工程、混凝结构设计原理的课程设计环节，为弥补以往的课程设计实践型不足的缺点，力求在掌握分析计算能力的基础上完成结构模型的设计制作及模型试验，通过实际动手的教学环节，提高学生的实践能力。
5 结论
（1）通过对“湖南省第三届结构模型竞赛”的赛题和参赛队伍完成作品的总结，充分说明了该竞赛对土木工程专业学生实践型能力培养的意义。
（2）通过科技协会的竞赛活动，并在在教学环节中开展结构模型设计环节，突出教学实践环节，达实现通过“结构模型设计竞赛”全面提高土木专业学生实践型能力的培养模式。
参考文献
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[5 金凌志, 曹霞, 李豫华. 土木工程专业应用型人才培养探讨[ J] . 高等建筑教育, 2008, 17( 2) : 16-18.
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