5.1 建筑结构与功能 课件 2026-2027学年浙教版科学八年级上册

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 21清风明月 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 21清风明月 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 21清风明月 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 21清风明月 再见 $