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第1节 建筑结构与功能
浙教版八年级科学上册
第五章 建筑结构与工程
学习目录
建筑结构及其分类
1
结构受力与形变
2
建筑结构的功能
3
学习目标
科学观念
科学思维
了解建筑结构的基本分类，理解结构与功能的关系，建立建筑结构决定其功能的科学观念；掌握结构受力与形变的关系，建立结构稳定性与材料、形状关联的科学观念。
能通过分析建筑实例解释不同结构的功能实现原理，强化结构与功能关系的科学思维；能结合实验归纳结构受力特点，强化材料性质与结构强度关联的科学思维。
实践探索
通过搭建三角形与四边形框架模型，对比分析其稳定性差异，总结三角形结构稳定性优势的操作要点；通过模拟拱形桥石块受力实验，探究力的传递路径，验证结构稳定性的影响因素。
态度责任
在实验中准确记录结构形变数据，尊重客观事实，避免主观臆断；通过小组合作完成蜂窝结构模型制作，养成严谨的科学态度与团队协作精神。
课堂导入
建筑都有结构，如房屋的结构、桥梁的结构、塔的结构等。建筑结构展示了人类的智慧和创造力，带来了美的享受。那么,建筑结构有什么特点 这样的结构对其功能的实现有什么独特的价值
PART 01
建筑结构及其分类
新知讲解
结构是指组成事物的各个部分之间的有序搭配和空间排列。结构普遍存在于自然界和人类创造的各种事物中，不同的事物往往具有不同的结构，不同的结构具有不同的功能。
一、建筑结构及其分类
建筑工程能够很好地体现结构与功能的关系。建筑结构的分类多种多样。依据受力情况，建筑结构一般可以分为框架结构、壳体结构和实体结构。
一、建筑结构及其分类
框架结构 框架结构是指以刚性的杆作为梁和柱组成的结构。刚性的杆按一定的规则在空间排布，支撑空间而不充满空间，共同承受所受的力。图5.1-2所示是我国自行设计和建造的第一座铁路、公路两用双层桥——钱塘江大桥，它是典型的框架结构桁架梁桥。
框架结构的种类很多，广泛应用于房屋建造、桥梁工程、航空工业等。框架结构使用的材料可以是木材、金属、塑料等。
一、建筑结构及其分类
壳体结构 壳体结构是指层状的结构，它是由若干块薄板组成的，薄板做成具有曲面轮廓的外形，看起来造型轻巧而优雅。在壳体结构中，其拱形曲面可以把受到的力均匀分散在结构体的各个部分，这种结构能承受较大的力，使结构更加坚固。
壳体架构建筑有许多优点，如用料少、跨度大、坚固耐用等。国家大剧院采用壳体结构屋顶，大大减轻了屋顶所受的重力，减少了场地中间的立柱数量。
一、建筑结构及其分类
实体结构 实体结构是指结构体本身是实心的结构，利用自身来承受力，承受的力分布在整个实体上。桥墩、房屋的基座、雕塑的基座、城墙等都属于实体结构。建筑物的基座通常由石头、混凝土等材料做成实心的结构，承担基座上方的建筑物所受的重力。
一、建筑结构及其分类
建筑都有它特定的架构形态，以体现它的结构特性。一个较复杂的结构由许多不同的部分组成，这些组成部分通常称为构件。建筑是由建筑材料按一定规则组成的受力结构体系，各个部分(如梁、柱等)相互联结成为一个整体，起着承受外力(又称荷载)作用，并将其传递到基座。
一、建筑结构及其分类
PART 02
结构受力与形变
新知讲解
从受力的角度看，结构是指能够承受一定力的架构，它能通过形变来抵抗力的作用。每个结构需要承受一定大小的力的作用。用相同材料制作的形状不同的结构，或不同材料制作的形状相同的结构，其能够承受力的大小是不同的。因此，我们需要分析作用在结构上的力，以及这样的结构能否承受这些力的作用，以确定结构的稳定性、可靠性。
二、结构受力与形变
1.如图5.1-5甲所示，取一根长20cm、直径2cm的弹性橡胶棒，将橡胶棒当作结构的构件。
2.用两手抓住橡胶棒两端，用力向外拉伸，如图5.1-5乙所示，观察橡胶棒因受拉力而产生的形变。
3.用两手抓住橡胶棒两端，用力向内挤压，如图5.1-5丙所示，观察橡胶棒因受压力而产生的形变。
4.将橡胶棒两端支起来，中间悬空，用力向下压橡胶棒的中部，如图5.1-5丁所示，观察橡胶棒因中部受压力而产生的形变。
实验表明，当物体受到不同的力作用时，会产生拉伸、压缩、弯曲等形变。通常情况，结构的构件可能会同时受到多个力的作用，此时，该构件会产生多种形式的形变。
二、结构受力与形变
横梁是建筑结构中经常出现的构件。横梁呈水平放置，承受竖直方向的力的作用，产生形变。当横梁中部受到如图5.1-6甲所示的压力F 时，横梁的两端会受到支撑物对它的支持力F 、F 的作用，横梁发生弯曲，上部被压缩，下部被拉伸，如图5.1-6乙所示。
二、结构受力与形变
跳水的跳板用弹性材料做成，其一端固定，运动员站在另一端，跳板形变，产生弹力帮助运动员起跳。请分析跳板的形变情况。
运动员站的一端受到压力 F , 固定的一端受到支持力F , 跳板会 发生弯曲，上部被拉伸，下部被压缩。
三角形桁架结构是由杆件连接成三角形的一种空间结构，如图5.1-7甲所示。当三角形桁架上部受到压力F 时，压力F 会通过杆件传递给整个桁架，此时，B、C杆件被压缩，A杆件被拉伸，虚线为形变后的情况，如图5.1-7乙所示。
二、结构受力与形变
有些建筑物采用弧形拱结构。如图5.1-8所示，当弧形拱受到向下压力F 时，拱被压缩，拱的各部分相互挤压，压力F 被拱传递，对基座产生作用力，基座便产生竖直向上的支持力F 、F 和水平方向的力F F 。
二、结构受力与形变
请分析图5.1-9中石拱桥A、B、C、D四处石块的受力情况。
A处石块主要受两侧石块的水平推力、竖直约束力和自身重力，处于平衡状态；B、C处石块受相邻石块的反作用力，形成力的传递，水平分 力抵消，竖直分力与重力平衡；D处石块受地基的竖直支持力和水平约束力，同时传递上方石块的压力。
PART 03
建筑结构的功能
新知讲解
结构在外力的作用下，维持其原有的平衡状态的能力，叫作结构的稳定性。建筑物需要良好的结构稳定性。结构的稳定性是结构的重要性质之一。
建筑结构的重心高低和支撑面的大小对结构的稳定性有影响。例如，上海东方明珠电视塔建造的底座支撑面大、整体重心低。
三、建筑结构的功能
1.把四根短木棒钉起来，形成一个长方形结构，在一个角上作用力F,如图5.1-11甲所示，观察长方形结构是否比较容易变成一个如图5.1-11乙所示的平行四边形结构。
2.把三根短木棒钉起来，形成一个三角形结构，在一个角上作用力F,如图5.1-11丙所示，观察三角形结构是否比较容易发生改变。
四边形结构在力的作用下，很容易产生形状的改变；三角形结构在力的作用下，其结构保持不变。三角形是所有几何形状中最坚固稳定的结构。因此，三角形结构的稳定性在生产和生活中得到广泛应用。
三角形结构屋顶、三角形吊臂、三角形钢架桥等都利用了三角形结构的稳定性。结构的强度是指结构抵抗外力作用的能力。
结构的强度与结构的形状、材料、连接方式等有密切的关系。
三、建筑结构的功能
三角形是框架结构中最基本的构造之一。如图5.1-13所示，人们在长方形或六边形等框架中，通常加入支撑杆件，构成多个三角形，这样可以大大增加结构的强度，使结构承受更大的荷载。
三、建筑结构的功能
相同材料制成的框架构件，采用的截面不同，如工字形、口字形、环形、方形和圆形等，其承受力的大小也不一样。
三、建筑结构的功能
图5.1-15是某建筑中使用的钢材，请画出所用钢材的截面图示，这样的截面有什么好处呢
钢材的截面如图所示。
(1)结构简单：角钢加工方便，适合多种连接方式。
(2)刚性强：在两个互相垂直的方向上都有较好的承载能力。
相同形状的不同材料制成的结构构件，其强度也不相同。在生产中，通常会根据用途选择合适材料。例如，混凝土具有较好的抗压性，但抗拉性比较差。在制作混凝土梁的时候，通常在混凝土中加入钢筋，借助钢材的抗拉性提升梁的强度。
三、建筑结构的功能
建筑的结构决定了其功能，结构的变化可能会使建筑的功能得以增强，更好地应用于不同的环境。功能的实现需要相应的结构来保障。当然，良好的结构设计不仅表现在其功能上，还需要表现在其形式上，如展现美，反映出时代特征、文化内涵等。
三、建筑结构的功能
图5.1-16为国家游泳中心，别名“水立方”,它用半透明外膜覆盖，其重仅为同尺寸玻璃的百分之一，如同一座隔热的温室，大约20%的太阳能被用来提高泳池和室内的温度，这些半透明外膜使“水立方”白天光线充足。“水立方”是“绿色、科技、人文”理念与建筑功能的结合。
三、建筑结构的功能
蜂窝结构
蜂窝由无数个大小相同的蜂房组成，蜂房都是六角柱体，每个蜂房都被其他蜂房包围，两个蜂房之间只隔着一堵蜂蜡制成的墙。这种结构非常精巧，用料也少，既适合蜜蜂近似圆柱形的身体，又提高了空间利用率。
蜜蜂能建筑精巧的蜂窝是长时间进化的结果，因此其结构和功能才能达到如此完美的程度。
蜂窝结构给工程师们以很大的启示。人们在设计一些强度高、用料小，还需隔音和隔热的工程结构时，往往采用蜂窝结构。例如，航天飞机、宇宙飞船等航天器需要具备上述这些性能，它们的内部大量地采用了蜂窝结构。
PART 04
课堂总结
课堂总结
课堂总结
课堂总结
PART 05
练习与应用
下列建筑结构中，其基本结构分类不正确的是( )
练习与应用
【答案】D
【解答】水立方采用了空间钢架结构，每一个钢架框上都有薄膜制成的气枕作为外墙。
A.壳体结构：悉尼歌剧院屋顶
B. 框架结构：鸟巢
C.实体结构：水电站坝体
D. 壳体结构：水立方
安全帽之所以能承受很大的压力，是因为它利用的原理是( )
A.拱形 B. 圆顶形 C. 三角形 D. 以上均不是
练习与应用
【答案】B
【解答】 圆顶形可以看成拱形的组合，它有拱形承载压力大的优 点，而且不产生向外的推力。安全帽之所以能承受很大的压力，是因为它利用了圆顶形承受压力的特性。
在台风频发的沿海地区建造高层住宅时，以下结构类型 最适合的是( )
A.砖木结构(木框架+砖墙填充)
B. 砖混结构(砖墙承重+钢筋混凝土楼板)
C. 钢混结构(钢筋混凝土框架+剪力墙)
D. 纯钢结构(钢框架+轻质墙体)
练习与应用
【答案】C
【解答】对于房屋建造的牢固性来说，选址要合适、地基要稳固、承 重结构要稳定。在台风频发的沿海地区建造高层住宅时，选择结 构类型需要综合考虑抗震性、抗风性能和空间灵活性，钢混结构 (钢筋混凝土框架+剪力墙)类型最适合。
PART 06
提升训练
郑州绿地中心 ·千玺广场(俗称“大玉米楼”)坐落于郑 东新区CBD 核心区，以280 m 挺拔身姿成为中原第一高楼。这座 超高层建筑，其创意源自中国现存最古老的砖塔——嵩岳寺塔，外 立面通过24段渐收的弧形轮廓，形成宛如玉米穗的独特造型，金 色玻璃幕墙在阳光下熠熠生辉。
提升训练
(2)“大玉米楼”从设计到建造，下列说法不正确的是 。
A.工程人员需要全面了解“大玉米楼”的建造需求
B.建造“大玉米楼”之前，设计师要先画出该建筑的设计图
C.设计师把建筑主体设计完成后，可以直接安排建造
(3)“大玉米楼”的建筑结构属于 。
A.框架结构B.壳体结构C.实体结构D.空间网架结构
(4)下列材料，建造“大玉米楼“时主要使用的是 。
A.木材 B.钢材 C.石料
(5)从古至今，人类的房屋发生了怎样的变化 它们又有什么共 同之处 请在横线上作答。
提升训练
提升训练
【答案】(1) B(2)C(3)D(4)B(5)从古至今，人类房屋主要建筑材料、结构、功能外观和使用的工 具都有了巨大的变化；共同之处是它们都是人们的栖息场所，都能 帮人们遮风避雨。
【解答】(1)塔吊是建造“大玉米楼”时用到的主要建筑工具之一。
(2)“大玉米楼”从设计到建造的过程中，工程人员需要全面了解“大 玉米楼”的建造需求，建造“大玉米楼”之前，设计师要先画出该建筑 的设计图；设计师把建筑主体设计完成后，还需要进一步完善设计。
(3)“大玉米楼”建筑结构并不是典型的壳体结构，而是属于一种框 架——核心筒结构或空间网架结构。这种结构通过竖向的钢筋混 凝土柱和水平的梁、桁架等构件形成一个三维的空间框架，能够有 效承受建筑的自重和外部荷载。
(4)“大玉米楼”属于现代建筑，建造“大玉米楼”时主要使用的材料
是钢材。

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