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5.1 建筑结构与功能
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、建筑物的结构、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？
原子结构
细胞结构
人体结构
建筑结构
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？
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
蜘蛛网的结构
1、结构：
C60的分子结构
中华艺术宫的结构
图5.1-1 不同的结构
2、建筑结构
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
壳体结构
实体结构
图5.1-2 杭州钱塘江大桥
图5.1-2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。
（1）框架结构：
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。
指以刚性的杆作为梁和柱组成的结构。
特点：
（2）壳体结构：
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。
图5.1-3 国家大剧院
北京南站
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。
特点：
桥墩、房屋的基座、雕塑的基座、城墙等都属于实体结构。
（3）实体结构：
结构稳定，承载能力强，安全性高，具有耐久性。
图5.1-4 桥墩
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。
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。
特点：
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。
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。
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，以确定结构的稳固性、可靠性。
（1）结构受力的本质：
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。
二、结构受力与形变
1、结构受力
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。
（2）结构受力大小的影响因素：
形状和材料。
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。
2、结构的形变
图5.1-5 橡胶棒受力发生形变
（2）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。
（1）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。
① 横梁的受力与形变
图5.1-6 横梁受力形变
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。
运动员站的一端受到压力F1，固定的一端受到支持力F2，跳板会发生弯曲，上部被拉伸，下部被压缩。
拉伸
压缩
② 三角形桁架结构的受力与形变
当三角形桁架上部受到力F1 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5.1-7乙所示。
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。
拉伸
图5.1-7 三角形桁架各杆件受力图
如图5.1-8所示，当弧形拱受到向下的压力F1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。
③ 弧形拱结构的受力与形变
压缩
压缩
图5.1-8 拱的受力图
请分析图5.1-9中石拱桥A、B、C、D 四处石块的受力情况。
图5.1-9 石拱桥
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、C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；
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。
1、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。
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。
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。
图5.1-10 东方明珠电视塔
底座支撑面大、整体重心低的建筑物稳定性好。
三、建筑结构的功能
结构在外力的作用下，维持其原有的平衡状态的能力。
什么形状结构的稳定性好？
1.如图5.1-11甲所示，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如图5.1-11乙所示的平行四边形结构。
2.如图5.1-11丙所示，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。
四边形结构在力的作用下，很容易发生形状的改变；而三角形结构在力的作用下，其结构保持不变。
图5.1-11 不同结构的稳定性
三角形是所有几何形状中最坚固稳定的结构。
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。
三角形结构屋顶
三角形吊臂
三角形钢架桥
（2）结构的形状
因此在生产和生活中得到广泛应用。
是指结构抵抗外力作用的能力。
（1）结构的形状：
图5.1-13 三角形结构
2、结构的强度：
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。
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，使结构能承受更大的荷载。
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、环形和圆形等，其承受力的大小也不一样。
（2）框架构件的截面形状
图5.1-14 不同截面的构件
由于不同截面形状的几何特性不同，导致力在构件内的分布和传递方式不同。
截面形状 核心力学特性 适用场景
工字形 抗弯强度高，上下翼缘可有效抵抗弯曲应力，抗扭性能较弱 建筑钢梁、大型抗弯梁等需承受大弯矩、保持结构稳定的构件
口字形 封闭截面提供较好的抗扭和抗弯性能，能兼顾扭转与弯曲组合受力 需同时抵抗扭转和弯曲作用的结构，如工业厂房的支撑框架、机械机架
环形 各向同性，承受均匀分布的压力/拉力表现优异，抗内压能力强 管道、轴类构件、压力容器、输送流体的管材等
方形 两个正交方向抗弯刚度相近（正方形），实心截面抗压性能好，抗扭弱于封闭薄壁截面 建筑框架柱、设备基础承台、小型支撑梁、承受多向均匀压力的构件
圆形 受力均匀，抗扭性能极佳，各方向均匀受力表现好 承受扭转力的机械轴、各方向均匀受力的机械零部件、建筑中的圆形柱
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？
图5.1-15 钢架结构
好处：抗弯性能好、节省材料、稳定性高。
（3）结构构件的材料
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。
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。
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。
3、建筑的结构决定了其功能。
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，反映时代特征、文化内涵等。
图5.1-16为国家游泳中心，别名“水立方”，它用半透明膜覆盖，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”白天光线充足。“水立方”是“绿色、科技、人文”理念与建筑功能的高度融合。
图5.1-16 国家游泳中心
蜂窝结构
蜂窝由无数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，其结构和功能堪称完美。
图5.1-17蜂窝结构
蜂窝结构给了工程师们很大的启示。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。
1、福建土楼其墙体土石为主要材料，坚固且抗震，这种墙体结构属于（ ）
A.实体结构 B.框架结构
C.壳体结构 D.以上都不是
A
2、如图是北京奥运会主会场“鸟巢”，那么“鸟巢”的主体建筑结构类型是（ ）
A. 实体结构 B. 框架结构
C. 壳体结构 D. 以上都不是
B
3、建筑结构应满足的功能要求是（ ）
经济、适用、美观 B. 安全性、适用性、耐久性
C. 安全、舒适、经济 D. 可靠性、稳定性、耐久性
B
4、下列有关结构的说法中，正确的是（ ）
A. 结构是指事物的各个组成部分之间的有序搭配和排列
B. 结构广泛存在于世界各处，且全部都是由人设计和制造的
C. 从力学角度来看，结构是指可承受一切外力的架构形态
D. 电灯泡的结构类型属于实体结构
A
5、如图为钢筋混凝土横梁的受力变形示意图，由于混凝土擅长抗压力，而钢筋擅长抗拉力，为了合理利用钢筋，下列对横梁的分析中正确的是（ ）
上部弯曲的程度比下部大，应在上部布置粗钢筋，
下部布置细钢筋
B. 下都受弯曲，应在上部和下部布置相同的钢筋
C. 上部受压，下部受拉，应在上部布置细钢筋，
下部布置粗钢筋
D. 上部受拉，下部受压，应在上部布置粗钢筋，下部布置细钢筋
C
6、如图为常见的钢筋混凝土“牛腿梁”结构，以下说法正确的是（ ）
虚线①位置主要受压，所以应布置细钢筋
B. 虚线②位置主要受拉，所以应布置粗钢筋
C. 该结构为壳体结构
D. 虚线①位置主要受拉，所以应布置粗钢筋
D
再见

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