结构创想，成果绽放——公司第二届结构设计竞赛成果展播（六）
为进一步落实习近平总书记关于青年工作的重要思想和关于技能人才工作的重要指示精神，为公司青年工程师提升职业技能水平和创新创效能力搭建平台，激励职工大力弘扬劳模精神、劳动精神和工匠精神立足本职岗位积极投身公司高质量发展实践，公司成功举办了第二届结构设计竞赛。各参赛队凭借扎实深厚的专业知识功底，从理论层面精心构思设计方案，首次运用光固化精细3D打印技术，快速实现方案模型的造型呈现，为各专业协调优化结构空间探索新路径，均取得了优异的成绩。
近期，公司将集中推出第二届结构设计竞赛优秀成果展播系列，一起来领略参赛队的风采吧~
本/期/展/播
优秀奖获得者（综合设计六、七所）参赛队结构竞赛技术回顾
——轻盈之上的力量：探秘抽空四角锥网架的力学之美
团队成员：王晓煜、孙万、闫博、张瑞、张岩、张云
技术指导：郝鹏
团队口号：我们秉持“协作、创新、责任、卓越”的核心价值观，友谊第一，比赛第二！
01赛题背景
一场跨越时空的智慧对话悄然启幕——当千年文明遗存与现代工程科技相遇，传统临时保护棚空间局促、结构简陋，难承大型遗址长期精细发掘之重。此次竞赛精准锚定大跨结构这一核心要素，旨在凭借其卓越的空间覆盖能力与灵活多变的设计特性，为考古现场量身打造科学、高效且持久的保护体系，切实达成“发掘即保护”的目标要求。
02审题与思考
经过对赛题全面、细致的分析，最终确定本次结构设计竞赛模型采用网架结构。网架结构是由杆件和节点按照一定规律构成的空间桁架体系，以其独特的空间受力特性、良好的稳定性和较高的空间利用率，成为契合赛题要求的理想之选。
在满足强度、刚度、稳定性要求的情况下，尽量保证结构材料用量较少，因此选用抽空四角锥网架。抽空四角锥网架是在正放四角锥网架基础上，适当抽掉一些四角锥单元中的腹杆和下弦杆，使下弦网尺寸比上弦网格尺寸大一倍。这种网架的杆件数量少，腹杆总数为正放四角锥网架腹杆总数的3/4左右，下弦杆减少1/2左右，故构造简单，经济效果较好。我们设计的结构模型效果如图1、2所示。
03计算分析
在建模计算阶段，我们利用了3D3S软件，对整体模型的刚度、强度、稳定性进行了评估与分析。
（1）内力分析：确定网架杆件在各种荷载作用下的内力（轴力），是判断杆件是否满足强度要求的依据。
（2）变形计算：计算网架在荷载作用下的位移，确保变形在允许范围内，保证结构的正常使用和外观要求。
（3）稳定性分析：对于大跨度或荷载较大的网架，需进行稳定性分析，防止结构在荷载作用下发生整体或局部失稳。
（4）动力分析：在有动力荷载（如地震、风振等）作用的情况下，分析网架的动力响应，评估结构的抗震、抗风性能。
以杆件材料为PLA为准，经过计算杆件的最大内力位于吊挂点，当吊挂物达到50千克时，杆件最大应力比为0.96达到强度极限；此时最大位移量为1.08毫米，小于规范限值1/250；本模型属于小跨度网架，无需进行稳定分析，加载为简单的吊挂静荷载，无需进行动力分析。
04结构形式创新
（1）由上弦杆形成正方形网格：上弦杆件沿纵横方向等距布置，构成规则正方形网格，提升结构整体性与荷载传递均匀性，便于下部支撑协调受力。
（2）四角锥单元垂直向下延伸：四角锥单元从上弦节点垂直向下延伸，形成稳定的空间受力形态，有效传递竖向荷载并增强结构抗扭刚度。
（3）抽空区域避开关键受力路径：在保证结构刚度前提下，合理设置抽空区域，避开主受力杆件与支座连接路径，减轻自重而不影响整体承载性能。
（4）所有节点采用铰性连接方式：节点通过焊接或螺栓球实现铰接，确保杆件间协同工作，有效传递弯矩与剪力，提升结构空间整体稳定性。
（5）杆件布置遵循对称均衡原则：杆件在三维空间内对称分布，避免偏心受力，实现荷载均衡传递，减少局部应力集中，提高结构动力性能。
（6）整体形成稳定三维受力体系：通过上下弦与腹杆协同作用，构建空间三维受力体系，具备良好整体刚度与多向承载能力，适应复杂边界条件。
05总结与回顾
结构竞赛是一场集创意、智慧与实践于一体的工程盛宴，它不仅考验着参赛者对力学原理的深刻理解，更挑战着团队在材料运用、结构优化与动手能力上的综合水平。回顾本次竞赛，从最初的方案构思到模型创建，再到最终的加载测试，每一个环节都充满了思考与协作的火花。
抽空四角锥网架在忻州大剧院中的应用，这种大跨度空间网格兼具受力合理、自重轻、刚度大的优点，非常适合剧院这类需要大空间、大柱距的公共建筑。通过调整锥体单元密度与杆件截面，可灵活适应不同荷载与建筑造型需求，为剧院这类文化地标提供坚实的技术支撑。