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5.1 建筑结构与功能
八上 · 第5章 建筑结构与工程
01 本节导航·目标清单
目标导航 方法指导
了解建筑结构的一般分类（框架结构、壳体结构、实体结构），并能说出它们在生活中的应用实例。
能够建立模型分析作用在结构上的力，从而确定结构的稳固性与可靠性，发展科学思维。
知道建筑结构与功能相适应，并能根据生活实例进行说明。 分类法：依据受力特点把建筑结构分为框架、壳体、实体三类，结合典型建筑识记。
受力建模法：用杆件受力图（拉伸/压缩/弯曲）分析结构如何抵抗外力。
对比实验法：用长方形与三角形框架对比，理解三角形是最稳固的几何结构。
02 教材精研·内容全解
考点01 建筑结构及其分类
结构：（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。自然界中的结构如蜘蛛网、C60（富勒烯）分子结构；人类创造的结构如上海中华艺术宫的网状结构、各类建筑与桥梁。
图 不同的结构：蜘蛛网、C60 分子、中华艺术宫
分类：（2）建筑结构的分类。
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。
①框架结构：以刚性的杆作为梁和柱组成的结构。刚性杆按一定规则在空间排布，支撑空间而不充满空间，共同承受所受的力。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；使用的材料可以是木材、金属、塑料等。典型实例：杭州钱塘江大桥（我国自行设计建造的第一座铁路、公路两用双层桥，是典型的框架结构桁架梁桥）。
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，造型轻巧优雅。其拱形曲面能把受到的力均匀分散在结构体各个部分，能承受较大的力，使结构更坚固。优点：用料少、跨度大、坚固耐用。例如国家大剧院采用壳体结构屋顶，大大减轻屋顶所受的力，减少场地中间立柱数量。
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。实例：桥墩、房屋基座、雕塑基座、城墙等；建筑物的基座通常由石头、混凝土等做成实心结构，承担基座上方建筑物所受的重力。
构件：（3）构件。
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。建筑都有它特定的架构形态，以体现它的结构特性；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。
考点02 结构受力与形变
受力角度：（1）从受力角度看结构。
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，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。
探索活动：（2）不同结构受力的形变情况（探索活动）。
取一根长 20 cm、直径 2 cm 的弹性橡胶棒当作构件：两手抓两端向外拉伸，产生拉伸形变；向内挤压，产生压缩形变；两端支起、中间悬空，用力向下压中部，产生弯曲形变。物体受到不同的力时，会产生拉伸、压缩、弯曲等形变；结构的构件可能同时受多个力，产生多种形式的形变。
横梁：（3）横梁的受力（教材图 5.1-6）。
横梁水平放置，承受竖直方向的力。当横梁中部受压力 F 时，两端受支撑物的支持力 F 、F ，横梁发生弯曲：上部被压缩、下部被拉伸（上压下拉）。
图 横梁受力：上部压缩、下部拉伸（F 向下，F 、F 向上支持）
桁架：（4）三角形桁架的受力（教材图 5.1-7）。
三角形桁架由杆件连接成三角形。当上部受 F 作用时，力通过杆件传递给整个桁架：B、C 杆件被压缩，A 杆件被拉伸。
图 三角形桁架受力：B、C 杆受压，A 杆受拉伸（F /F /F ）
拱：（5）弧形拱的受力（教材图 5.1-8）。
弧形拱受向下压力 F 时，拱被压缩，压力经拱传递；基座产生竖直向上的支持力 F 、F ，以及水平方向的力 F 、F （向外的推力）。拱形结构以受压为主，常用抗压好、抗拉差的材料（砖、石、混凝土）建造。
图 弧形拱受力：F 向下，基座产生 F 、F 及水平推力 F 、F
考点03 结构的稳定性与强度
稳定性：（1）结构的稳定性。
结构在外力的作用下，维持其原有平衡状态的能力，叫作结构的稳定性。建筑物需要良好的结构稳定性；稳定性是结构的重要性质之一。
影响因素：（2）影响结构稳定性的因素。
①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：重心越低、支撑面越大，结构越稳定（如上海东方明珠电视塔底座支撑面大、整体重心低）。
②建筑结构的形状：四边形结构在力的作用下很容易发生形状的改变；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，在生产生活中广泛应用（三角形屋顶、三角形吊臂、三角形钢架桥等）。
强度：（3）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。三角形是框架结构中最基本的构造之一；人们在长方形或六边形等框架中加入支撑杆件，构成多个三角形，可大大增加结构强度，使结构能承受更大的荷载。
影响因素：（4）影响结构强度的因素。
①相同材料制成的框架构件，采用的截面不同（工字形、口字形、环形、方形、圆形等），其承受力大小也不一样。
图 不同截面的构件：工字形、口字形、环形、方形、圆形
②相同形状的不同材料制成的结构构件，其强度也不相同。生产中通常根据用途选择合适的材料：混凝土具有较好的抗压性，但抗拉性比较差；在制作混凝土梁时，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。
③钢材截面（教材第198页）：角钢（L 形截面）结构简单、加工方便、适合多种连接方式；在互相垂直的两个方向上都有较好的承载能力。
图 角钢（L 形）截面：结构简单、两方向承载好
考点04 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。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、反映时代特征、文化内涵等。
实例：国家游泳中心"水立方"用半透明膜覆盖，自重仅为同尺寸玻璃的百分之一，约 20% 的太阳能用于提高泳池和室内温度，白天光照充足，是"绿色、科技、人文"理念与建筑功能的高度融合。
科学阅读·蜂窝结构：蜂窝由许多大小相同的六棱柱体蜂房组成，蜂房被其他蜂房包围，两蜂房之间只隔一堵蜂蜡墙；用料少、空间利用率高，结构功能堪称完美。启示：设计强度高、用料少且需隔音隔热的工程结构（如航天飞机、宇宙飞船内部）常采用蜂窝结构。
03 避坑指南·易错辨析
易错警示 三类结构辨析：框架=杆梁柱空间排布（钱塘江大桥、鸟巢）；壳体=薄板曲面分散受力（国家大剧院、悉尼歌剧院）；实体=实心自身承重（桥墩、基座、城墙）。水立方是空间钢架结构，不是壳体。 上压下拉：横梁中部受压时上部被压缩、下部被拉伸；分析构件要先判断受压还是受拉。 三角形最稳固：四边形易变形；三角形不变形，框架中加支撑杆构成多个三角形可大幅提高强度。 稳定性因素：重心越低、支撑面越大越稳定；形状上三角形优于四边形。 强度因素：与形状、材料、连接方式有关；截面不同强度不同；混凝土抗压好但抗拉差，常加钢筋提升。 拱与桁架：拱以受压为主（砖石混凝土），产生水平推力；桁架中斜杆受压、水平杆受拉。 结构决定功能：水立方膜结构轻且透光、省能；蜂窝结构省料高强——结构是功能的保障，功能需要结构来保障。

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