第5章建筑結(jié)構(gòu)與工程

第1節(jié)

建筑結(jié)構(gòu)與功能（浙教版）八年級(jí)上第1課時(shí)

建筑結(jié)構(gòu)及其分類、結(jié)構(gòu)受力與形變【引入】

各種事物都具有結(jié)構(gòu)，如原子的結(jié)構(gòu)、細(xì)胞的結(jié)構(gòu)、人體的結(jié)構(gòu)、建筑物的結(jié)構(gòu)、宇宙的結(jié)構(gòu)等。在工程上，為了實(shí)現(xiàn)特定的功能，需要設(shè)計(jì)并制造具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的裝置。我們?nèi)绾握J(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)及其影響因素？如何進(jìn)行簡單的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)？建筑都有結(jié)構(gòu)，如房屋的結(jié)構(gòu)、橋梁的結(jié)構(gòu)、塔的結(jié)構(gòu)等。建筑結(jié)構(gòu)展示了人類的智慧和創(chuàng)造力，帶來了美的享受。那么,建筑結(jié)構(gòu)有什么特點(diǎn)?這樣的結(jié)構(gòu)對(duì)其功能的實(shí)現(xiàn)有什么獨(dú)特的價(jià)值?

視頻：我國的建筑簡史。一、建筑結(jié)構(gòu)及其分類

不同區(qū)域的建筑有不同的結(jié)構(gòu)。同學(xué)們的住房結(jié)構(gòu)相同嗎？1.建筑結(jié)構(gòu)的概念

在建筑領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)是指組成事物的各個(gè)部分之間的有序搭配和空間排列。

【思考與討論】

怎樣理解“有序搭配”與“空間排列”？同學(xué)們談?wù)勛约旱睦斫馀c看法。2.建筑的結(jié)構(gòu)決定功能

結(jié)構(gòu)普遍存在于自然界和人類創(chuàng)造的各種事物中，不同的事物往往具有不同的結(jié)構(gòu)，不同的結(jié)構(gòu)具有不同的功能。

【舉例】以學(xué)校中的教室、實(shí)驗(yàn)室、圖書館、報(bào)告廳等進(jìn)行分析。說明建筑工程能夠很好地體現(xiàn)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系。3.建筑結(jié)構(gòu)的分類

建筑結(jié)構(gòu)的分類多種多樣。依據(jù)受力情況，建筑結(jié)構(gòu)一般可以分為框架結(jié)構(gòu)、殼體結(jié)構(gòu)和實(shí)體結(jié)構(gòu)。

（1）框架結(jié)構(gòu)

①概念：框架結(jié)構(gòu)是指以剛性的桿作為梁和柱組成的結(jié)構(gòu)。

視頻：框架結(jié)構(gòu)

②特點(diǎn)：剛性的桿按一定的規(guī)則在空間排布，支撐空間而不充滿空間，共同承受所受的力。

③應(yīng)用：廣泛應(yīng)用于房屋建造、橋梁工程、航空工業(yè)等。

④材料：框架結(jié)構(gòu)使用的材料可以是木材、金屬、塑料等。

【活動(dòng)】說說你看到的框架結(jié)構(gòu)。

（2）殼體結(jié)構(gòu)

視頻：殼體結(jié)構(gòu)

①概念：殼體結(jié)構(gòu)是指層狀的結(jié)構(gòu)，它是由若干塊薄板組成的，薄板做成具有曲面輪廓的外形，看起來造型輕巧而優(yōu)雅。

②特點(diǎn)：在殼體結(jié)構(gòu)中，其拱形曲面可以把受到的力均勻分散在結(jié)構(gòu)體的各個(gè)部分，這種結(jié)構(gòu)能承受較大的力，使結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)固。

③優(yōu)點(diǎn)：殼體架構(gòu)建筑有許多優(yōu)點(diǎn)，如用料少、跨度大、堅(jiān)固耐用等。

④實(shí)例：國家大劇院（如下圖）采用殼體結(jié)構(gòu)屋頂，大大減輕了屋頂所受的重力，減少了場地中間的立柱數(shù)量。

（3）實(shí)體結(jié)構(gòu)

①概念：實(shí)體結(jié)構(gòu)是指結(jié)構(gòu)體本身是實(shí)心的結(jié)構(gòu)。

②特點(diǎn)：利用自身來承受力，承受的力分布在整個(gè)實(shí)體上。

③實(shí)例：橋墩、房屋的基座、雕塑的基座、城墻等都屬于實(shí)體結(jié)構(gòu)。

④材料：建筑物的基座通常由石頭、混凝土等材料做成實(shí)心的結(jié)構(gòu)，承擔(dān)基座上方的建筑物所受的重力。4.建筑結(jié)構(gòu)的構(gòu)件與整體性

建筑都有它特定的架構(gòu)形態(tài)，以體現(xiàn)它的結(jié)構(gòu)特性。（1）構(gòu)件：一個(gè)較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)由許多不同的部分組成，這些組成部分通常稱為構(gòu)件。（2）整體性：建筑是由建筑材料按一定規(guī)則組成的受力結(jié)構(gòu)體系，各個(gè)部分(如梁、柱等)相互聯(lián)結(jié)成為一個(gè)整體，起著承受外力(又稱荷載)作用，并將其傳遞到基座。

【活動(dòng)】以教學(xué)樓為例，討論建筑結(jié)構(gòu)的構(gòu)件與整體性。

建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是一個(gè)在多重約束下尋求最優(yōu)解的決策過程。設(shè)計(jì)師需要像一位交響樂指揮，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)安全、功能、經(jīng)濟(jì)、規(guī)范、環(huán)境、美觀這六個(gè)聲部，最終奏出一部和諧、穩(wěn)固、耐用的建筑樂章。首先考慮的是安全，安全離不開力學(xué)原理的科學(xué)運(yùn)用。

建筑結(jié)構(gòu)與力學(xué)二、結(jié)構(gòu)受力與形變1.建筑結(jié)構(gòu)的受力原理

（1）結(jié)構(gòu)是指能夠承受一定力的架構(gòu)，它能通過形變來抵抗力的作用。每個(gè)結(jié)構(gòu)需要承受一定大小的力的作用。（普遍性）

（2）用相同材料制作的形狀不同的結(jié)構(gòu)，或不同材料制作的形狀相同的結(jié)構(gòu)，其能夠承受力的大小是不同的。（特殊性）因此，我們需要分析作用在結(jié)構(gòu)上的力，以及這樣的結(jié)構(gòu)能否承受這些力的作用，以確定結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、可靠性。（設(shè)計(jì)目標(biāo)）1.如圖5.1-5甲所示，取一根長20cm、直徑2cm的彈性橡膠棒，將橡膠棒當(dāng)作結(jié)構(gòu)的構(gòu)件。2.用兩手抓住橡膠棒兩端，用力向外拉伸，如圖5.1-5乙所示，觀察橡膠棒因受拉力而產(chǎn)生的形變?！咎剿骰顒?dòng)】3.用兩手抓住橡膠棒兩端，用力向內(nèi)擠壓，如圖5.1-5丙所示，觀察橡膠棒因受壓力而產(chǎn)生的形變。4.將橡膠棒兩端支起來，中間懸空，用力向下壓橡膠棒的中部，如圖5.1-5丁所示，觀察橡膠棒因中部受壓力而產(chǎn)生的形變?！咎剿骰顒?dòng)】（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)論：結(jié)構(gòu)受力與形變的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)物體受到不同的力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生拉伸、壓縮、彎曲等形變。通常情況，結(jié)構(gòu)的構(gòu)件可能會(huì)同時(shí)受到多個(gè)力的作用，此時(shí)，該構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生多種形式的形變。2.不同建筑構(gòu)件的受力與形變

（1）橫梁

橫梁是建筑結(jié)構(gòu)中經(jīng)常出現(xiàn)的構(gòu)件。橫梁呈水平放置，承受豎直方向的力的作用，產(chǎn)生形變。當(dāng)橫梁中部受到如圖5.1-6甲所示的壓力F?時(shí)，橫梁的兩端會(huì)受到支撐物對(duì)它的支持力F?、F?的作用，橫梁發(fā)生彎曲，上部被壓縮，下部被拉伸，如圖5.1-6乙所示?！舅伎寂c討論】

跳水的跳板用彈性材料做成，其一端固定，運(yùn)動(dòng)員站在另一端，跳板形變，

產(chǎn)生彈力幫助運(yùn)動(dòng)員起跳。請(qǐng)分析跳板的形變情況。

運(yùn)動(dòng)員站的一端受到壓力,固定的一端受到支持力,跳板會(huì)發(fā)生彎曲，上部被拉伸，下部被壓縮。

（2）三角形桁架結(jié)構(gòu)

三角形桁架結(jié)構(gòu)是由桿件連接成三角形的一種空間結(jié)構(gòu)，如圖5.1-7甲所示。當(dāng)三角形桁架上部受到壓力F?

時(shí)，壓力F?

會(huì)通過桿件傳遞給整個(gè)桁架，此時(shí)，B、C桿件被壓縮，A桿件被拉伸，虛線為形變后的情況，如圖5.1-7乙所示。

（3）弧形拱結(jié)構(gòu)

如圖5.1-8所示，當(dāng)弧形拱受到向下壓力F?時(shí)，拱被壓縮，拱的各部分相互擠壓，壓力F?被拱傳遞，對(duì)基座產(chǎn)生作用力，基座便產(chǎn)生豎直向上的支持力F?、F?和水平方向的力F?、F5?！舅伎寂c討論】請(qǐng)分析圖5.1-9中石拱橋A、B、C、D四處石塊的受力情況。A處石塊主要受兩側(cè)石塊的水平推力、壓力和自身重力，處于平衡狀態(tài)；B、C處石塊受相鄰石塊的反作用力，形成力的傳遞，水平分力抵消，豎直分力與重力平衡；D處石塊受地基的支持力和水平力，同時(shí)受到上方石塊的壓力而受力平衡?！菊n堂小結(jié)】1.什么是建筑結(jié)構(gòu)？依據(jù)受力情況建筑結(jié)構(gòu)分為哪三類？試舉例說明各類的結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系。2.什么是構(gòu)件？舉例說明構(gòu)件的受力與形變的關(guān)系及在實(shí)際生活中的應(yīng)用?！倦S堂鞏固】【例1】下列建筑結(jié)構(gòu)中，其基本結(jié)構(gòu)分類不正確的是()A.殼體結(jié)構(gòu)：悉尼歌劇院屋頂B.框架結(jié)構(gòu)：鳥巢C.實(shí)體結(jié)構(gòu)：水電站壩體D.殼體結(jié)構(gòu)：水立方【答案】D【解析】水立方采用了空間鋼架結(jié)構(gòu)，每一個(gè)鋼架框上都有薄膜制成的氣枕作為外墻?！敬鸢浮緽【解析】符合弧形拱的力學(xué)原理?！纠?】安全帽之所以能承受很大的壓力，是因?yàn)樗玫脑硎?)A.橫梁B.弧形拱C.三角形D.實(shí)體結(jié)構(gòu)【板書設(shè)計(jì)】第1節(jié)

建筑的結(jié)構(gòu)與工程（第1課時(shí)）——建筑結(jié)構(gòu)及分類、結(jié)構(gòu)受力與形變實(shí)體結(jié)構(gòu)構(gòu)件