5.1 建筑结构与功能-【牵手名师】2025-2026学年八年级科学上册同步教学课件（浙教版·新教材）

第5章　建筑结构与工程 第1节　建筑结构与功能 浙教版　八年级上册 科学 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？ 课堂引入 （1）定义 组成事物的各个部分之间的有序搭配和空间排列。这一概念涵 盖广泛，无论是自然界的物质，还是人类创造的产物，都存在特定 结构。 一、建筑结构及其分类 1. 结构 内容讲解 5 （2）不同结构 ①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。 蜘蛛网的结构 内容讲解 6 ②C60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。 C60的分子结构 内容讲解 7 ③中国国家馆（现中华艺术宫） 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。 上海中华艺术宫的结构 内容讲解 8 2. 建筑结构分类 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。 框架结构 壳体结构 实体结构 依据受力情况，建筑结构一般可以分为： 内容讲解 9 （1）框架结构 ①定义：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典型实例：钱塘江大桥，作为 我国首座自行设计和建造的铁路、公 路两用双层桥，是典型的框架结构桁 架梁桥。其利用框架结构的特性，合 理分布受力，保障桥梁承载能力和稳 定性。 杭州钱塘江大桥 内容讲解 10 ③应用领域：在房屋建造中，常见的多层及高层建筑常采用框 架结构，可灵活分隔室内空间；在桥梁工程里，像钱塘江大桥这样 的桁架梁桥是典型应用；在航空工业中，飞机的机身框架等部分也 会采用框架结构原理，以满足强度和轻量化需求。 飞机机身的框架 房屋的框架 内容讲解 11 ④使用材料：涵盖木材，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。 木质结构的房屋 钢结构桥梁 内容讲解 12 （2）壳体结构 ①定义与构成：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。这种结构外观造型轻巧优雅，常见 于建筑、工业产品等设计中。 ②应用实例：国家大剧院的屋 顶是典型壳体结构。此设计有效减 轻屋顶自重，减少场地中间立柱， 创造出开阔内部空间，兼顾美观与 实用功能。 国家大剧院 内容讲解 13 ③受力特性：其拱形曲面能将外力均匀分散至结构体各处。如 同蛋壳，虽薄却能承受较大压力，通过力的分散机制，使结构具备 良好的承载能力，坚固耐用。 ③优点： a. 用料少：利用高效的受力方式，在满足强度要求下，可减少 材料用量，降低成本，符合资源节约理念。 b. 跨度大：能实现较大空间跨度，适用于体育馆、剧院等大空 间建筑，无需过多内部支撑即可维持结构稳定。 内容讲解 14 （3）实体结构 ①定义：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。 ②常见实例：桥墩，承受桥梁上部结 构传来的荷载；房屋基座，支撑房屋整体 重量；雕塑基座，稳固雕塑防止倾倒；城 墙，抵御外敌、承受自身重力及外部冲击。 桥墩 内容讲解 15 ③材料：多采用石头、混凝土等坚固、抗压性强的材料，打造 实心的结构，确保结构稳固性和承载能力。 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。 内容讲解 16 特别提醒 实体结构、框架结构、壳体结构的划分并不能囊括生活中所 有的建筑结构类型。比如桥梁中桥墩和桥台采用实心混凝土，承 受车辆荷载并传递至地基，上部桥面可由钢桁架或箱梁框架支撑， 跨越较大跨度。通过融合实体结构的刚性与框架结构的轻便性， 在承载力、空间利用及经济性间取得平衡，这种由两种或两种以 上的结构类型组成的结构，我们称其为组合结构。 内容讲解 17 二、结构受力与形变 1. 结构受力 （1）结构的受力本质：从受力的角度看，结构是指能够承受 一定力的架构，它能通过自身形变来抵抗力的作用。比如，桥梁 在承受车辆荷载时，梁体会发生弯曲形变，以此来抵抗车辆重量 产生的力。 内容讲解 18 （2）影响结构承受力大小的因素 ①形状因素：相同材料下，结构形状不同，承受力的大小不同。 例如，三角形结构稳定性好，相比同样材料的四边形结构，能承受 更大外力而不易变形。 ②材料因素：形状相同，材料不同，承受力的大小也不同。像 钢材和木材制作同样形状的梁，钢材强度高，能承受更大荷载。 内容讲解 19 1. 如图甲所示，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。 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。 橡胶棒会拉伸 实验探究 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， 如图丁所示，观察橡胶棒因中部受压力而产生的形变。 橡胶棒会压缩 橡胶棒会弯曲 实验探究 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。 内容讲解 22 2. 横梁受力变形 （1）横梁的基本情况：横梁是建筑结构中经常出现的构件， 水平放置，主要承受竖直方向的力并产生形变。 （2）受力分析：当横梁中部 受到压力F1时，根据力的平衡原 理，横梁两端会受到支撑物的支 持力F2、F3。 内容讲解 23 （3）形变情况：如图所示，在力F1和F2、F3的共同作用下， 横梁发生弯曲形变。其上部材料相互靠近，处于压缩状态；下部 材料相互远离，处于拉伸状态。这种形变是建筑结构力学分析的 基础内容，对于建筑设计中合理选择横梁材料、确定横梁尺寸和 结构形式至关重要，确保横梁在承受荷载时安全可靠。 内容讲解 24 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。 跳板一端固定、另一端自由。运动员静 止站立在自由端时，对其产生压力，使跳板 向下弯曲，跳板上部被拉升，下部被压缩。 建筑中的悬臂梁受力情况类似于跳板。 跳板 悬臂梁 内容讲解 25 3. 三角形桁架结构 （1）结构组成：由杆件连接成三角形的空间结构。三角形具 有稳定性，这种结构在工程中广泛应用，如建筑屋顶桁架、桥梁 支撑结构等。 建筑屋顶桁架 桥梁支撑结构 内容讲解 26 （2）受力分析：如图甲所示，当三角形桁架上部受到压力F1时， 力不会通过杆件传递给整个桁架，此时，B、C杆件承受压力，会产 生压缩形变，表现为杆件长度有缩短趋势；A杆件承受拉力，会产生 拉伸形变，呈现出长度有伸长趋势，如图乙所示虚线为形变后的情况。 这种力的传递和杆件的形变特点，使整个桁架结构能有效分散和承受 外力，维持结构稳定。 内容讲解 27 4. 弧形拱结构 如图所示，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。这种受力方式使弧形拱 能将荷载有效分散，以较小的材料用量承受较大荷载，在桥梁、建 筑屋顶等设计中广泛应用。 内容讲解 28 请分析图中石拱桥A、B、C、D四处石块的受力情况。 都受到重力和周围石块的 压力。 内容讲解 29 三、建筑结构的功能 1. 结构的稳定性 （1）定义：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。对建筑物而言，良好的结构稳定性至关重 要，是保障建筑安全使用的基础。 内容讲解 30 （2）影响因素 ①重心高低：重心越低，结构越稳定。例如， 一些底部较重、上部较轻的建筑，在抵御外力 （如风荷载、地震作用）时，更不容易倾倒。 ②支撑面大小：支撑面越大，结构稳定性越 好。像上海东方明珠电视塔（如图所示），其宽 阔的基座增大了支撑面，能有效分散荷载，增强 结构在各种情况下的稳定性。 东方明珠电视塔 内容讲解 31 1. 如图甲所示，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 乙所示的平行四边形结构。 长方形等四边形结构在荷载作用下，很容易产生形状的改变。 实验探究 2. 如图丙所示，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。 三角形结构在受到荷载的作用后，其几何形状保持不变。 实验探究 2. 三角形结构的应用与结构强度 （1）三角形结构的应用：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。稳定性使这些结构在承受外力时，能保持形 状和平衡，保障正常使用和安全。 三角形结构屋顶 三角形吊臂 三角形钢架桥 内容讲解 34 （2）结构强度的概念：结构抵抗外力作用的能力。它与结构的 形状、材料、连接方式等密切相关。合理的形状设计、优质的材料 选择以及可靠的连接方式，都能提升结构强度。 （3）三角形增强结构强度：三角形是 框架结构的基本构造之一。如图所示，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，可显著 增加结构的强度。因为三角形的稳定性和力传递特性，能将外力有 效分散，让结构承受更大荷载，在建筑、机械等领域广泛应用。 内容讲解 35 3. 框架构件截面形状与承力关系 （1）承力差异原理：相同材料的框架构件，因截面形状（如工 字形、口字形、环形、圆形等）不同，其承受力的大小也不一样。 这是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。 （2）常见截面 内容讲解 36 工字形：具有较高的抗弯强度，上下翼缘可有效抵抗弯 曲应力，常用于建筑钢梁等，能在承受较大弯矩时保持结构 稳定。 口字形：封闭截面提供较好的抗扭和抗弯性能，在一些 需要抵抗扭转和弯曲组合作用的结构中适用。 环形：各向同性，在承受均匀分布的压力或拉力时表现 良好，常用于管道、轴类等构件。 圆形：受力均匀，抗扭性能好，常用于承受扭转力或需 要在各个方向均匀受力的场合，如机械轴。 内容讲解 37 图是某建筑中使用的钢材，请画出所用钢材的截面图示。查找 资料，说一说这样的截面有什么好处。 该钢材的截面形状为“工”形。工形钢 的质量相对较轻，但具有较高的强度，能够 承受较大的荷载。这使得它在满足建筑强度 要求的同时，还能减轻建筑物的整体质量， 降低对地基的要求，从而节省材料和成本。 钢架结构 内容讲解 38 4. 结构构件强度与材料选择 （1）材料对强度的影响：相同形状的结构构件，因材料不同强 度各异。如混凝土抗压性佳但抗拉性差，钢材抗拉性强，在制作混 凝土梁时加入钢筋，利用钢材抗拉优势弥补混凝土不足，提升梁的 整体强度，体现材料特性互补在结构设计中的应用。 内容讲解 39 （2）建筑结构与功能：建筑结构决定了其功能，结构变化可增 强建筑的功能以适应不同的环境。良好结构设计兼顾功能与形式， 可以展现美，反映时代特征、文化内涵等。像国家游泳中心（如图 所示），半透明膜结构使其兼具隔热、利用太阳能、采光等功能， 实现“绿色、科技、人文”理念与建筑功能的高度融合。 国家游泳中心 内容讲解 40 广济桥首创“梁桥＋浮桥”的组合形式，东、西段为石梁桥， 共24座桥墩，中间由18只梭船组成浮桥，形成“十八梭船廿四洲” 的独特格局。这种设计既可满足行人通行，又能通过开合浮桥实 现通航和泄洪。 内容讲解 41 参考视频 内容讲解 42 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。 蜂窝结构 蜂窝结构 内容讲解 43 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。 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 具备上述性能，它们的内部大量地采用了 蜂窝结构。 内容讲解 44 建筑结构 与功能 建筑结构及其分类 ①结构：组成事物的各个部分之间的有序搭配和空间排列 ②分类：框架结构、壳体结构和实体结构 结构受力与形变 建筑结构的功能 知识总结 45 1．房屋、桥梁、塔等各种建筑都有结构。关于结构一词，下列说法中 不正确的是（　　） A．结构指组成事物的各部分之间的有序搭配和空间排列 B．结构存在于人类创造的各种事物中，而自然界中并不存在 C．不同的事物往往具有不同的结构 D．不同的结构具有不同的功能 B 当堂巩固 2．建筑结构的分类多种多样，将建筑结构分为框架结构、壳体结构 和实体结构的分类依据主要是（　　） A．受力情况 B．结构材料 C．结构基础 D．结构等级 A 当堂巩固 3．返回舱（如图所示）又称座舱，它是航天员的“驾驶室”。是 航天员往返太空时乘坐的舱段。返回舱的主体结构类型属于（　　） A．壳体结构 B．实体结构 C．框架结构 D．桁架结构 A 当堂巩固 4．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，下列关于基座受到的力的分析，正 确的是（　　） A 当堂巩固 声　明 本课件中所用的图片、视频等素材，一部分取自电子版教材； 另一部分来源于网络，由于网络资源源头不易查询，所以未能联 系到版权所有者，若侵权，请联系删除。 宁波涌济文化发展有限公司 $