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5.1 建筑结构与功能
浙教版八年级上册
第1课时
新知导入
各种事物都具有结构，如原子的结构、细胞的结构、人体的结构、建筑的结构、宇宙的结构等。在工程上，为了实现特定的功能，需要设计并制造具有独特结构的装置。
我们如何认识结构及其影响因素？
如何进行简单的结构设计？
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？
新知讲解
建筑结构及其分类
在建筑领域，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。
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。
蜘蛛网的结构：属于自然界结构。它由放射状的丝和螺旋状的丝有序搭配组成。放射状丝起到支撑框架的作用，螺旋状丝则用于捕捉昆虫。这种结构使蜘蛛网在保证强度的同时，能以最小的材料消耗实现最大的覆盖面积，高效发挥捕食功能。
C60的分子结构：是化学领域的分子结构。C60分子形似足球，由60个碳原子组成，这些碳原子通过共价键相互连接，形成了独特的球形多面体结构。这种结构赋予C60分子特殊的物理和化学性质，比如具有良好的超导性、光学性质等，在材料科学、医学等多领域中有潜在的应用价值。
上海中华艺术宫的结构：是人类建筑领域的结构。其造型独特，采用了层层出挑的斗拱结构元素，这些构件有序排列。从功能上，这种结构不仅展现了中国传统建筑文化特色，还在力学上实现了稳定承载，同时为建筑外观营造出宏伟壮观的视觉效果，兼具文化传承与实用功能。
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等。
框架结构是指以刚性的杆作为梁和组成的结构。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。
如图为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桥梁。
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（如一些传统木结构房屋）、金属（像钢结构桥梁和建筑中常用的钢材）、塑料（在一些对重量、成本等有特殊要求的小型结构或模型制作中会用到）等。
壳体结构是指层状的结构，由若干块薄板组成，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。
壳体结构建筑有许多优点，如用料少、跨度大、坚固耐用等。
国家大剧院就是采用壳体结构屋顶，大大减轻了屋顶所受的力，减少了场地中间的立柱数量。
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。
建筑有其特定的架构形态，以体现其结构特性。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）相互联结成一个整体，起着承受外力（又称荷载）的作用，并将其传递到基座。
结构受力与形变
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，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，以确保结构的稳固性、可靠性。
探索活动
2.用两手抓住橡胶棒两端，用力向外拉伸，如图乙所示，观察橡胶棒因受拉而产生的形变。
1.如图甲所示，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。
3.用两手抓住橡胶棒两端，用力向内挤压，如图丙所示，观察橡胶棒因受压而产生的形变。
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，如图丁，观察橡胶棒因中部受到压力而产生的形变。
实验表明，当物体受到不同的力的作用时，会产生拉伸、压缩、弯曲等形变。通常情况下，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。
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甲所示的压力F1的作用时，横梁的两端会受到支撑物对它的支持力F2、F3的作用，横梁发生弯曲，上部被压缩，下部被拉伸，如图乙所示。
思考与讨论
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，跳板发生形变，产生弹力帮助运动员起跳。请分析跳板的形变情况。
跳板可看作是一端固定的悬臂梁结构。运动员对跳板自由端的压力，使跳板发生弯曲。此时，跳板上部的材料受到拉伸；下部的材料受到压缩。就如同横梁在受力时会发生弯曲一样，跳板也会形成向下弯曲的形状。
三角形桁架结构是由杆件连接成三角形的一种空间结构，如图甲所示。
当三角形桁架上部收到力F1的作用时，力F1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，如图乙所示。
有些建筑物采用弧形拱结构。如图所示，当弧形拱受到向下的压力F1被拱传递，对基座产生作用力，基座便会产生竖直向上的支持力F2、F3和水平方向的力F4、F5。
思考与讨论
请分析图中石拱桥A、B、C、D四处石块的受力情况。
石拱桥A、B、C、D四处石块都处于静止状态，受到平衡力的作用，合力均为零：
A处石块：受到竖直向下的重力，以及左右相邻石块对它的压力（来自两侧石块的挤压作用）；
B处石块：受到竖直向下的重力，上方石块对它的压力，以及左右两侧石块对它的支持力（或挤压力），这些力共同维持其平衡；
C处石块：受力情况与 B 处类似，受到竖直向下的重力，上方石块的压力，以及左右两侧石块的支持力（或挤压力）；
D处石块：受到竖直向下的重力，上方石块的压力，桥墩对它的支持力（竖直向上），同时还受到左右相邻石块的挤压力。
课堂总结
建筑结构与功能（一）
结构受力与形变：
建筑结构及其分类：①框架结构 ②壳体结构 ③实体结构
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。
当物体受到不同的力的作用时，会产生拉伸、压缩、弯曲等形变。
课堂练习
1. 图所示为拱桥在拱顶受到竖直向下的压力时，拱的内部传递压力以及对基座作用力的示意图，其中正确的是（ ）
A
2.大棚是一种农业设施，主要用于保护作物免受外界环境的影响，并提供适宜的生长条件。
（1）如图所示的大棚，采用了______________结构。
（2）使用过程中发现，如图乙所示的大棚不适合大范围推广使用，其缺点是高度不够，且抗压、抗风能力弱。对此，某同学决定设计一个高度适宜、抗压能力强的大棚。这个阶段属于工程实践中的__________________。
甲
乙
弧形拱
明确问题
（3）以下是该同学的整个工程实践过程，关于下列操作步骤，正确的排序是_______________。
A.绘制出大棚设计草图 B.初步构思了几种方案
C.对大棚进行了抗压抗风试验 D.进行大棚模型的制作加工
E.收集大鹏制作的各种信息，分析相关材料的特征信息
E B A D C
优点：在原基础上增加了立柱，使得大棚整体高度得以提升，并使用了框架结构，加强了整体的抗压性能。
缺点：立柱与地面的稳固程度不够，抗风能力不强。
（4）该同学根据所学知识设计了如图所示的大棚方案，阐述该方案的优缺点。
https://www.21cnjy.com/help/help_extract.php

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