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5.1 建筑结构与功能
本节导航·目标清单
目标导航 方法指导
· 了解建筑结构的基本分类（框架结构、壳体结构、实体结构），理解结构与功能的关系 · 掌握结构受力与形变的关系（拉伸、压缩、弯曲），能分析横梁、三角形桁架、弧形拱的受力 · 理解结构稳定性和结构强度的概念，掌握影响稳定性和强度的因素 · 了解三角形结构的稳定性及其在建筑中的应用 · 了解材料选择对结构强度的影响，理解钢筋混凝土复合结构的优势 · 结构分类：按受力情况分为框架结构、壳体结构、实体结构三类 · 受力分析：明确力的来源→分析力的传递路径→判断形变类型 · 稳定性判断：重心越低、支撑面越大，结构越稳定 · 强度提升方法：改变形状（加三角形支撑杆）、选择合适材料、改变截面
教材精研·内容全解
考点01 建筑结构及其分类
1. 结构的概念
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。
例如，蜘蛛网的结构、C60的分子结构、上海中华艺术宫的结构，都体现了结构与功能的密切关系。建筑工程能够很好地体现结构与功能的关系。
不同的结构——蜘蛛网、C60分子结构、上海中华艺术宫
2. 建筑结构的分类
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。
（1）框架结构：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。
（2）壳体结构：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，造型轻巧而优雅。
（3）实体结构：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。
框架结构——钱塘江大桥，典型的框架结构桁架梁桥
3. 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。
典型实例：钱塘江大桥是我国自行设计和建造的第一座铁路、公路两用双层桥，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。
4. 壳体结构
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。
国家大剧院——采用壳体结构屋顶，用料少、跨度大
5. 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。
实体结构——桥墩，利用自身承受力，力分布在整个实体上
6. 构件与受力结构体系
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）的作用，并将其传递到基座。
构件是组成建筑结构的基本单元，不同类型的构件承担不同的力学功能：梁承受弯曲力，柱承受压缩力，基座承受整体的重力并将其传递到地基。
考点02 结构受力与形变
1. 结构受力与形变的关系
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，以确定结构的稳定性、可靠性。
2. 探索活动：橡胶棒受力形变实验
取一根长20 cm、直径2 cm的弹性橡胶棒，将橡胶棒当作结构的构件，进行以下操作：
（1）拉伸：用两手抓住橡胶棒两端，用力向外拉伸，观察橡胶棒因受拉力而产生的形变。
（2）压缩：用两手抓住橡胶棒两端，用力向内挤压，观察橡胶棒因受压力而产生的形变。
（3）弯曲：将橡胶棒两端支起来，中间悬空，用力向下压橡胶棒的中部，观察橡胶棒因中部受压力而产生的形变。
实验结论：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。
3. 横梁的受力与形变
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。
横梁形变的特点：上部受压缩、下部受拉伸，中间部分形变最大。横梁的承重能力与其材料、截面形状和跨度有关。
横梁受力变形——上部被压缩，下部被拉伸
4. 跳板的受力分析
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。
受力分析：运动员站的一端受到向下的压力F1，固定的一端受到支持力F2，跳板发生弯曲形变。跳板上部被拉伸，下部被压缩，与横梁的受力情况正好相反。
这是因为跳板一端固定，受力点在自由端，而横梁两端支撑，受力点在中间。两种情况下弯曲的方向不同，因此上下部分的拉伸和压缩状态也不同。
5. 三角形桁架结构的受力
三角形桁架结构是由杆件连接成三角形的一种空间结构。
当三角形桁架上部受到压力F1的作用时，压力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。
受力特点：三角形桁架将上部受到的压力分解为不同杆件的拉伸力和压缩力，各杆件各司其职，共同分担外力。这种力的传递方式使得三角形桁架能够承受较大的荷载，同时保持结构稳定。
三角形桁架各杆件受力图——B、C杆件被压缩，A杆件被拉伸
6. 弧形拱结构的受力
有些建筑物采用弧形拱结构。当弧形拱受到向下的压力F1的作用时，拱被压缩，拱的各部分相互挤压，压力F1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F2、F3和水平方向的力F4、F5。
受力特点：弧形拱将向下的压力转化为对基座的竖直压力和水平推力。拱形各部分相互挤压，结合得更加紧密，因此拱结构能承受较大的压力。
思考讨论：分析石拱桥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。
考点03 建筑结构的功能
1. 结构的稳定性
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。
影响稳定性的因素：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。
（1）重心越低，结构越稳定。
（2）支撑面越大，结构越稳定。
典型实例：上海东方明珠电视塔建造的底座支撑面大、整体重心低，因此具有良好的结构稳定性。
上海东方明珠电视塔——底座支撑面大、整体重心低
2. 探索活动：三角形与四边形的稳定性
（1）把四根短木棒钉起来，形成一个长方形结构，在一个角上施加作用力F，观察长方形结构是否比较容易变成平行四边形结构。
（2）把三根短木棒钉起来，形成一个三角形结构，在一个角上施加作用力F，观察三角形结构是否比较容易发生形变。
实验结论：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，因此在生产和生活中得到广泛应用。
3. 三角形结构的应用
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。
在框架结构中，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，这样可以大大提升结构的强度，使结构能承受更大的荷载。
三角形结构的应用——屋顶、吊臂、钢架桥 在长方形框架中加入支撑杆件构成三角形，提升结构强度
4. 结构的强度
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。
影响结构强度的因素：
（1）形状：三角形结构比四边形结构强度大；加入支撑杆件构成三角形可大幅提升强度。
（2）材料：相同形状的不同材料制成的结构构件，其强度不相同。例如，混凝土抗压性好但抗拉性差，钢材抗拉性好。
（3）截面：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。
（4）连接方式：构件之间的连接方式（焊接、螺栓连接、铆接等）也会影响结构的整体强度。
不同截面的构件——工字形、口字形、环形、方形、圆形
5. 材料选择与钢筋混凝土
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的材料。
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。
钢筋混凝土是复合材料在建筑中的典型应用：
（1）混凝土主要承受压力（上部受压区）。
（2）钢筋主要承受拉力（下部受拉区）。
两种材料优势互补，使钢筋混凝土梁既能承受压力又能承受拉力，大大提升了结构的整体强度。
6. 结构决定功能
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。
良好的结构设计不仅要表现在其功能上，还要表现在其形式上，如展现美，反映出时代特征、文化内涵等。
典型实例：国家游泳中心（别名"水立方"）用半透明膜覆盖，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，这些半透明膜使"水立方"白天光照充足。"水立方"是"绿色、科技、人文"理念与建筑功能的高度融合。
国家游泳中心"水立方"——半透明膜结构体现绿色科技理念
考点04 科学阅读——蜂窝结构
1. 蜂窝的结构特点
蜂窝由许多个大小相同的蜂房组成，蜂房都是六棱柱体，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，蜂窝的结构和功能堪称完美。
2. 蜂窝结构在工程中的应用
蜂窝结构给了工程师很大的启示。人们在设计一些强度高、用料少，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。
蜂窝结构的应用体现了"结构决定功能"的核心理念：六边形排列方式以最少的材料获得最大的结构强度和空间利用率，同时具备良好的隔音隔热性能，是仿生学在建筑工程中的成功实践。
蜂窝结构在航天器中的应用——强度高、用料少、隔音隔热
避坑指南·易错辨析
【温馨提示】 1. 框架结构、壳体结构、实体结构的分类依据是受力情况，不能按外观形状来分。框架结构是杆件组成的骨架，壳体结构是薄板曲面，实体结构是实心体。 2. 横梁受力弯曲时，上部被压缩，下部被拉伸；跳板受力弯曲时，上部被拉伸，下部被压缩。两者上下部分受力情况正好相反，不能混淆。 3. 三角形结构具有稳定性，四边形结构不具有稳定性。在四边形框架中加入支撑杆件构成三角形后才能变牢固，不是因为增加了材料，而是因为改变了结构形状。 4. 结构的稳定性与结构的强度是两个不同的概念。稳定性是指维持原有平衡状态的能力（与重心、支撑面有关），强度是指抵抗外力作用的能力（与形状、材料、连接方式有关）。 5. 混凝土抗压性好但抗拉性差，钢材抗拉性好。钢筋混凝土中钢筋主要承受拉力（下部受拉区），混凝土主要承受压力（上部受压区），两者不能颠倒。 6. 水立方的结构不属于壳体结构，它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。
实战演练·随堂检测
【实战演练】
1. 下列建筑结构中，其基本结构分类不正确的是（ ）
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
答：__________
2. 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
答：__________
3. 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）
答：__________
4. 关于框架结构，下列说法正确的是（ ）
A. 框架结构只能使用钢材建造
B. 钱塘江大桥是典型的框架结构桁架梁桥
C. 框架结构的杆件充满整个空间
D. 框架结构不能用于桥梁工程
答：__________
5. 关于结构稳定性和结构强度，下列说法正确的是（ ）
A. 重心越高，结构越稳定
B. 支撑面越小，结构越稳定
C. 三角形结构比四边形结构强度大
D. 结构的强度只与材料有关，与形状无关
答：__________
6. 在制作混凝土梁时，通常在混凝土中加入钢筋，其主要原因是（ ）
A. 钢材比混凝土便宜
B. 混凝土抗拉性差，加入钢筋借助钢材的抗拉性提升梁的强度
C. 钢材能增加梁的重量
D. 钢材能提高梁的抗压性
答：__________
巩固拓展·课后提升
【巩固拓展】
1. 请分别列举框架结构、壳体结构、实体结构的建筑实例各一个，并简述其结构特点。
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2. 横梁受力弯曲时，上部和下部分别产生什么形变？跳板受力弯曲时呢？两者为什么不同？
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3. 蜂窝结构有哪些优点？在工程中有哪些应用？请举例说明。
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参考答案
1. D
解析：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，不属于壳体结构。悉尼歌剧院屋顶属于壳体结构，鸟巢属于框架结构，水电站坝体属于实体结构，分类均正确。故选D。
2. B
解析：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。故选B。
3. C
解析：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。故选C。
4. B
解析：框架结构使用的材料可以是木材、金属、塑料等，不限于钢材，A错误；钱塘江大桥是我国自行设计和建造的第一座铁路、公路两用双层桥，是典型的框架结构桁架梁桥，B正确；框架结构的杆件支撑空间而不充满空间，C错误；框架结构广泛应用于房屋建造、桥梁工程、航空工业等，D错误。故选B。
5. C
解析：重心越低、支撑面越大，结构越稳定，A、B错误；三角形是所有几何形状中最坚固稳定的结构，比四边形结构强度大，C正确；结构的强度与结构的形状、材料、连接方式等都有密切关系，不只与材料有关，D错误。故选C。
6. B
解析：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。钢筋主要承受拉力（下部受拉区），混凝土主要承受压力（上部受压区），两者优势互补。故选B。
巩固拓展参考答案：
1. 框架结构：钱塘江大桥（以刚性的杆作为梁和柱组成，支撑空间而不充满空间，广泛应用于桥梁工程）。
壳体结构：国家大剧院（层状结构，由薄板组成曲面轮廓，拱形曲面把力均匀分散，用料少、跨度大、坚固耐用）。
实体结构：桥墩（结构体本身是实心的，利用自身承受力，力分布在整个实体上，由石头、混凝土等材料做成）。
2. 横梁受力弯曲时，上部被压缩，下部被拉伸。跳板受力弯曲时，上部被拉伸，下部被压缩。
两者不同的原因：横梁两端支撑、中间受力，弯曲时向下凸，因此上部压缩、下部拉伸；跳板一端固定、自由端受力，弯曲时向上翘，因此上部拉伸、下部压缩。两种情况下弯曲方向不同，上下部分的拉伸和压缩状态正好相反。
3. 蜂窝结构的优点：
（1）用料少：蜂房都是六棱柱体，两个蜂房之间只隔一堵蜂蜡墙，材料利用率高。
（2）空间利用率高：六边形排列方式以最少的材料获得最大的空间。
（3）强度高：六边形结构具有很好的力学性能，能承受较大的力。
（4）隔音隔热：蜂窝结构的空腔具有良好的隔音隔热性能。
工程应用：航天飞机、宇宙飞船等航天器的内部大量采用蜂窝结构，因为航天器需要具备强度高、用料少、隔音隔热的性能。蜂窝结构是仿生学在建筑工程中的成功实践，体现了"结构决定功能"的核心理念。

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