团队合影
天初暖，日初长，和煦的春风荡漾着少年的心。三月的校园草木蔓发，在榆中校区高远楼的试验室里，三位少年正不舍昼夜，一遍一遍计算数据，设计结构，搭建模型，试验荷载，优中选优，为即将到来的第十五届全国大学生结构设计竞赛紧张准备着。
全国大学生结构设计竞赛是由教育部批准的全国性九大学科竞赛资助项目之一，是土木领域级别最高、影响最大的综合性学科竞赛，被誉为“土木皇冠上最璀璨的明珠”。2014年，由兰州大学土木工程与力学学院武生智教授带队，王亚军担任指导老师首次组建队伍代表学校参加“第八届全国大学生结构设计竞赛”并获得三等奖，此后学校连年在该比赛中获得佳绩。2015、2016年分别获得第九届、第十届全国大学生结构设计竞赛二等奖。2017年全国大学生结构设计竞赛改革赛制，执行全国总决赛、省分区赛和校赛的三级赛制。赛制改革后，兰州大学结构设计团队分别在2017、2018、2022年获得甘肃省第一届、第二届、第五届大学生结构设计竞赛一等奖。2023年，该团队更是以作品“凝力菁工”再次斩获全国大学生结构设计竞赛二等奖，并荣获大赛“优秀组织奖”。
“从零开始的探索与琢磨”
万事开头难。首届全国大学生结构设计竞赛从2005年开始举办，而直到2014年，兰州大学才首次组队参加比赛，所以在参赛的最初几年，队员们面临的最大问题就是经验不足，与常年参加该赛事的学校相比，缺乏丰富的结构设计经验与工艺制作经验。在结构设计中，杆件的制作最为基础，最为耗时，也直接关系着模型的质量与荷载，只有模型质量越小，承载的荷载越重，得分才会越高。而在最初制作杆件时，由于缺乏经验，队员们直接用四条宽1cm的竹皮粘接形成长方体杆件，这样制作的杆件不仅竹皮本身的质量重，粘接所需的大量胶水也会大大增加杆件的重量，而且一旦粘接不够牢固，稍微施压就会破坏模型结构。在这个过程中队员们常常是补了东墙再补西墙，重复的修补和不断增加的重量经常让他们陷入自我怀疑，但日复一日的模型制作与思考也终于产生了灵感的乍现。“开始一直是在摸黑探索，直到有一天我突然想到可以把薄的竹皮用刀背划出折叠线，沿三条折叠线卷起的箱型杆件直径就只有4mm。”这样的发现让2017年参加全国赛的队员李毅豪和他的队友信心倍增，因为这样制作的杆件不仅质量更轻，需要胶水粘接的面积更小，稳定性也更好。虽然在参赛时，队员们发现这种杆件制作工艺在很多成熟的参赛团队中已经通用了，但通过实践不断摸索出的经验和技巧总能给参赛队员带来更多的信心与动力。这种杆件制作工艺也在后来的参赛队伍中不断传承，成为一种经验性的常规操作。
事实上，成功的经验很重要，但失败的经验更为珍贵。2018年，全国大学生结构设计竞赛在华南理工大学举办。赛时，队员们按照在兰州设计的预定方案进行模型制作后进行晾置，本以为万无一失，但第二天发现受南方潮湿天气影响，粘接杆件的胶水没有干透，所选竹皮受潮后结构强度也发生了变化，导致模型整体稳定性较差，未能拿到名次。参赛队员黄鸿伟也因此总结经验“存在地域偏差的话，一定要考虑到参赛地区的湿度和温度影响。”虽然这次受天气影响没有在国赛中拿到名次，但通过参赛，队员们不断学习其他团队的成熟经验，为后来的参赛积累了丰富的经验。“比赛时我们发现，有的团队会将竹条磨成粉，然后混合胶水进行粘接，杆件就会非常牢固”“有的团队直接将竹条磨成‘T’型用来搭建模型，相比我们用的竹皮，竹条不易受潮，且‘T’型结构能够大大增强模型的稳定性。”说起在比赛中学到的经验，黄鸿伟如数家珍。2023年参加全国赛的队员李嘉轩也表示：“国赛是一个舞台，我们不仅是去参加比赛，其实也是去交流学习，在观察其他一百多支队伍的模型制作时，会学到很多新的思路和方法。”
在摸索之中，参赛队员或成功或失败的经验都为后来者垫下基石，他们或通过讲座，或亲身指导，将经验进行传授，为荣誉的取得倾情付出。“我们总结了结构设计的几个原则，第一个是让所有的杆件都能承受拉压荷载，不受弯；第二个原则是杆件在承受拉压荷载时能受拉就不要受压；第三个原则是尽量让力流在杆件间的传递简洁，这些经验会在每年赛前的分享会上进行分享。”李毅豪讲道。
通过经验的积累和传递，参赛工艺越来越成熟，结构越来越稳定，模型越来越轻巧，所承荷载越来越重，取得的成绩也越来越好。
甘肃省第六届大学生结构设计竞赛暨第十六届 全国大学生结构设计竞赛分区赛现场
“成功源于无数次的返工重造”
全国大学生结构设计竞赛旨在培养学生的创新设计能力和动手实践能力，要求参赛学生深入理解赛题，并使用力学求解器等力学软件或结合力学知识设计方案，进行模型制作与承重试验，选取结构最优、质量最轻、荷载最大的模型在比赛现场进行制作。
摆在参赛队员面前的第一个难题便是读懂赛题。每年赛题都会在比赛前几个月公布，二十多页的赛题涵盖命题背景、模型要求、加载装置、现场制作、待定参数等内容，这就要求参赛队员必须反复读题，直到明确赛题中的每一项要求，“如果某一句话没有理解透彻，就会对比赛结果造成很大影响。”王亚军说道。在深入理解了赛题要求之后，便可以根据赛题要求运用麦达斯等模型分析软件进行结构设计，但对于很多低年级的参赛队员而言，他们从未接触过模型分析软件，所以只有利用充分课余时间或求教老师，或网上自学，掌握模型分析软件的基本操作，并以此设计模型，分析结构受力。
最后也是最重要的一步，按照软件模拟的结构进行实体模型的制作，并通过荷载试验不断进行优化改进。“制作的模型越多，验证的方案越多，尝试的思路越多，结构才越近于完美。”这是王亚军对队员们的要求。“暑假期间，我们做了四五十个模型，从制作工艺到整体结构一直在不断改进，不断变动。”黄宏伟回忆2018年的备赛经历时说道，“当时另一支队伍的三位同学和我们一起准备国赛，经常两队各做一个模型，然后进行加载试验，并用手机录制整个加载过程，达到最大荷载后模型就会自动破坏，模型破坏后我们会一帧一帧回放破坏过程，分析破坏原因，总结各自的优势与不足，不断进行优化与改进。”李毅豪也回忆道：“制作一个模型需要两三天，但破坏只需要短短几分钟。”为了寻找破坏的原因，参赛队员只有一遍一遍试错，一遍一遍对可能存在问题的局部进行强化，找到问题症结所在，也因此经常通宵做模型，三四天只能睡几个小时。
“有时候要给模型结构做加法，有时候又要做减法，加的是更合理的东西，减掉的是一些不重要的东西，这就需要通过一次次试验去发现哪些是重要的，哪些是不重要的。”李毅豪说道。在参加省赛前，他们准备的模型有100克，这个重量对他们而言已经非常轻了，所以对于参赛还是满怀信心，但就在比赛前两天，有传言说其他学校的参赛队伍模型质量做到40克，而且能够荷载的重量远超过他们。“听到这个消息我们突然就感到很绝望，一遍又一遍地想哪里还可以优化。直到半夜，灵感突然来了，题目中说要做一个柱体，但并没有说用竹皮做柱体，我们或许可以用白线代替竹皮。”为了验证这种设想，李毅豪用剪刀把之前用竹皮做的柱体剪下来，让模型再次承重，发现中间的柱体对荷载的重量确实没有影响，这就验证了他的设想可行。“这个发现给我们的模型减重了整整30克。”
正是在一遍遍推翻重来的过程中，队员们对赛题的理解更深刻、对结构的认识更具体、对工艺的打磨更精细、对模型的制作也更纯熟。以去年获奖的“凝力菁工”为例，刚开始队员们做一个模型需要20多个小时，但经过不断的训练，制作速度越来越快，到后来基本上15个小时内就能完成。而且该模型采用的带挑檐四立柱三重木塔结构，也是在三十余次试验之后探索出来自重最轻，承重最重的结构模型。
参赛学生用竹条和竹片现场制作的结构模型
“船要行稳致远，离不开舵手操控方向”
为了提高学生对结构设计的兴趣，土木工程与力学学院自2021年开设学校通识课《建筑美学》。在这一课程中，王亚军将结构模型设计的相关内容穿插入授课之中，吸引了大量来自不同专业的同学。“在课堂上，我会让同学们用纸材料、白乳胶、刷子等现场制作小框架，同学们非常感兴趣，选课的人每次都很多。”以兴趣为导向，不少学生因课结缘，走进了结构设计的试验室。他们自行组队，运用试验室场地和材料自行训练，并逐步参与到全国大学生结构设计竞赛校赛、省赛、国赛的层层选拔之中。
在多年的参赛过程中，作为指导老师的王亚军一直扮演着舵手的角色。首先在选拔队员时，他会综合考虑不同学生的优势与特长，选拔学习能力强、勤奋刻苦、喜欢钻研，而且能够共同协作、优势互补的同学。“去年选拔的三位同学各有特点，夏志刚上手较快，对一些比较复杂的工艺很容易学会并运用；杜豪飞头脑灵活，善于思考，能发现结构存在的潜在问题，制作一些小工具；李嘉轩手工精细，统筹兼顾的能力比较强，能较好地协调团队。”王亚军说道。
“亚军老师工程经验比较丰富，但是他不会直接告诉我们应该怎么做，而是启迪和发散我们的思维，让我们自己去探索不同的解决方案。”李嘉轩说道。在备赛过程中，王亚军会每周检查模型制作情况，与队员们一起完成加载试验，观察破坏过程，找寻破坏原因，提供中肯的建议和指导。但同时，他也给予队员充分的探索空间，培养队员的创新意识和创新能力。“因为在正常的教学实践过程中，由于资金和经费限制，学生很难将自己的设想变为现实，而通过结构模型设计竞赛，学生可以将理论与实践相结合，将自己对结构的认识与理解变为现实，因此让他们充分地实践心中所想更重要。”王亚军说道。
在比赛时，进行加载试验是队员们最紧张的一个环节，很多学生怕模型垮塌，经常手抖、腿抖。王亚军又化身心理按摩师，给队员们加油打气，帮他们舒缓压力。“加载前特别紧张，王老师就安慰我们说只要咱模型做得好，手抖也一定不会塌，然后就会好很多。”李嘉轩笑着说。
在王亚军的悉心指导下，队员们全心投入，获得了巨大的成长。虽然刚开始有的队员动手能力差、有的不会合理分配时间、有的不懂得团队协作、有的理论分析方法掌握不牢固，但通过坚持不懈的实践锻炼，这些缺点都被一一克服，迅速提升。“首先集体荣誉感在不断增强，因为能够代表兰州大学去参赛本身就是一种荣誉，而这种集体荣誉感是远超过个人荣誉的，所以我们的目标特别明确，就是希望能为学校拿一个一等奖。其次是团队协作的能力也在不断提升，我们三个经常是各抒己见后一起商量讨论，寻求解决问题的最优解。最后是专业素质的提升，通过备赛、参赛，我们对结构设计的理解更加深刻，相关的力学知识更加丰富，主动探索、实践的能力也在不断加强。”李嘉轩说道。因为同一个目标，三位少年进入同一战壕，一同熬夜，一同成长，过程中有争执也有异见，但也能愈辩愈明，找到最优方案。
回首来时路，郁郁满芳华。讲起参赛时的“凝力菁工”模型，李嘉轩站在试验室认真地介绍着每一个结构的设计原理和制作时的巧思。回首参赛过程，现已博士三年级的李毅豪感叹道：“备赛乃至参赛的过程确实很辛苦，也很刻骨铭心，纯粹地参与到这件事时，我们既感受着结构模型独特的美，也会在做出成品的时候涌起强烈的成就感。”
