第一節

結構與設計了解結構蜜蜂是大自然的建筑大師，蜂巢結構精巧美觀。每間蜂房都是大小相等的六棱柱體，底面由3個全等的菱形面封閉起來。天津中鋼國際廣場“蜂巢”既是建筑的外表皮，也是建筑結構的受力主體。這樣核心筒之外的內部空間不再需要額外的柱子支撐，因此室內空間獲得了極大的靈活性。這是一次將力與美有機結合的大膽嘗試和創新。應縣古塔

建于公元1056年，至今已歷近千年應縣古塔是現今絕無僅有的最高、最古老的重樓式純木結構塔，全塔高67.3米。塔身共分五層六檐。

木塔減震設計超過現代

地質基礎堅硬麻燕代代護塔

萬里長城埃菲爾鐵塔

EiffelTower

1889年，法國大革命100周年，巴黎舉辦了大型國際博覽會以示慶祝。它成為當時席卷世界的工業革命的象征。埃菲爾鐵塔除了四個腳是用鋼筋水泥之外，全身都用鋼鐵構成，塔身總重量7000噸。塔分三層，第一層高57米，第二層115米，第三層274米。除了第三層平臺沒有縫隙外，其他部分全是透空的。從塔座到塔頂共有1711級階梯，現已安裝電梯，故十分方便。每一層都設有酒吧和飯館，供游客在此小憩，領略獨具風采的巴黎市區全景：每逢晴空萬里，這里可以看到遠達70公里之內的景色。趙州橋

河北省趙縣的趙州橋（又稱安濟橋該橋在隋大業初年（公元605年左右）為李春所創建，是一座空腹式的圓弧形石拱橋，凈跨37m,寬9m，拱矢高度7.23m，在拱圈兩肩各設有二個跨度不等的腹拱，這樣既能減輕橋身自重，節省材料，又便于排洪、增加美觀.趙州橋距今1400多年，經歷了10次水災，8次戰亂和多次地震，特別是1966年3月8日邢臺發生7.6級地震，趙州橋距離震中只有40多公里，都沒有被破壞。1963年的水災大水淹到橋拱的龍嘴處，據當地的老人說，站在橋上都能感覺橋身很大的晃動。據記載，趙州橋自建成至今共修繕9次。.

趙州橋日本明石海峽大橋1998年4月5日，世界上目前最長的吊橋——日本明石海峽大橋正式通車。大橋坐落在日本神戶市與淡路島之間(東經135度01分，北緯34度36分）.明石海峽大橋按可以承受里氏8.5級強烈地震和抗150年一遇的80m/s的暴風設計。1995年1月17日，日本坂神發生里氏7.2級大地震（震中距橋址才4公里），大橋附近的神戶市內5000人喪生，10萬幢房屋夷為平地，但該橋經受住了大自然的無情考驗，只是南岸的岸墩和錨錠裝置發生了輕微位移，使橋的長度增加了0.8m。該橋在阪神地震中僅有微小損壞，由于地面運動。兩塔基礎之間的距離增加了80cm，橋塔頂傾斜了10cm，使主跨增加了近80cm，從而接近于l991m，主纜垂度因此減少了130cm。位于本州島與四國島之間，主跨1991米（960+1991+960），全長3911米，雙向六車道，加勁梁14米，抗震按1/150的頻率,8.5級強烈地震和抗150年一遇的80m/s的暴風設計，為目前世界上跨度最大的懸索橋，也是世界上最長的雙層橋結構與力被風吹斷的塔科馬大橋為什么懸索橋中的橋塔受到壓力作用？主纜受拉應力，且主纜搭在索鞍上，可自由滑動，所以主塔只承受壓力，如主纜與主塔固結，則主塔中會有彎曲力存在。扭曲力，剪切力結構的分類殼體結構實體結構框架結構組合結構第二節探究結構教學目標：1、了解結構穩定性和結構強度的概念。2、理解影響結構穩定性和結構強度的主要因素，區分結構穩定性和結構強度。3、了解內力和應力的概念，知道內力和應力的關系。彩虹橋坍塌后慘狀坍塌前的彩虹橋彩虹橋坍塌后的慘狀

坍塌原因：彩虹橋的主要受力拱架鋼管焊接不合格，存在嚴重缺陷，個別焊縫有陳舊裂痕。

構件連接處的強度是影響整個結構強度和穩定性的重要因素。構件連接處的強度取決于它的連接方式、連接技術和連接處的牢固程度等。重建后的彩虹橋04年5月23日，巴黎戴高樂機場2Ｅ候機廳頂棚發生坍塌事故，事故原因：金屬構件本來也負擔著頂棚的重量，但弧度結構上的裂痕使這個構件逐漸穿過了頂棚，不再支撐數十噸重的頂棚，最終導致拱形頂棚發生坍塌。臺風過后物體受到外力作用，原有的平衡狀態被打破出現的不穩定現象。超高的車輛容易翻倒1、結構穩定性含義：結構在荷載作用下維持其原有平衡形式的能力。一、結構的穩定性

結構的支撐面積支撐面積越大，越穩定問題：哪個穩定性更好？為什么？2、影響結構穩定性的因素鋁合金A字形梯A字形梯為什么載人時能夠保持穩定?如果沒有梯子中間的拉桿將會怎么樣?攝影棚的攝像機、射燈均為三角架支撐1、為什么大壩的橫截面總是建成梯形的？想一想：2、為什么許多課桌椅的支撐腳要做成往外傾斜的？接觸面與支撐面的區別接觸面是物體與地面接觸形成的面。支撐面是物體與地面接觸形成支撐的點的連線與地面構成的面。接觸面支撐面結構的重心位置重心越低，越穩定

以前的農作物個子高，遭遇暴風驟雨容易傾覆，造成減產；現在的農作物普遍個子矮。這是利用了什么原理？由此你得出什么結論？

獨腳茶幾的高度設計得比較低，底座采用較重的材料（如大理石），臺面采用比底座輕的材料（如木材），使茶幾的重心降低，以提高穩定性。想一想：結構穩定性的基本條件：重心所在點的垂線應落在結構支撐面內。【思考】比薩斜塔為何斜而不倒？重心所在點的垂線落在結構支撐面內鞏固提高觀察學校的籃球架，并思考籃球架要有較高的穩定性，可以怎樣做？結構的幾何形狀三角形穩定性。照相機的支撐架常使用三角架而不用其他形狀，是因為三角支架與地面有三個接觸點，形成的三角結構使照相機的支撐架更容易穩定。

A字形梯為什么載人時能夠保持穩定？如果沒有梯子中間的拉桿將會怎么樣？想一想：【思考】1.靜態的自行車是如何保持穩定的?雙腳支撐的支撐架與地面之間有兩個接觸點，這兩點與前輪和地面的接觸點構成三點支撐形式，自行車的重心落在前輪與支撐架構成的支撐面內，它是穩定的。單腳支撐形式的支撐腳和地面的接觸點與前、后輪和地面之間的接觸點共同構成三點支撐，在地面形成⊿ABC。它的穩定程度取決于單腳支撐架的傾斜度，在一定范圍內，支撐架與地面的夾角越小（自行車的車身越斜），⊿ABC的面積越大，自行車的重心容易落在三角形內，穩定性越好。2.自行車騎起來時，只有兩個支撐點，為什么不會倒？注意！運動狀態下與靜止狀態下物體的穩定條件有所不同。3.陀螺靜止狀態會傾倒，而高速旋轉時卻可以立起來？

結構的穩定性在日常生活中有著廣泛的應用，一方面人們利用穩定的結構抵抗外力、承受負載，另一方面又利用不穩定的結構實現某些功能。如在地震多發地區，人們將啤酒瓶之類的物體倒置在地上，利用這一不穩定的結構實現預報地震的功能。hGL>Fh平衡保持不變，反之跨欄就要繞O軸按逆時針方向轉動。對跨欄過程的分析：二、結構的強度（一）基本概念1、內力：構件在外力作用下會變形，同時構件內部各質點之間的相互作用力發生了改變，這種作用力的改變稱作內力。

2、應力：構件單位截面面積上所受的內力。

σ=N/Aσ——應力，N——內力，A——截面面積3、強度：構件和材料抵抗破壞的能力。4、應力和強度的關系：用應力來衡量強度應力應力小，變形就小，抗變形能力就大。（二）影響結構強度的幾個主要因素結構的形狀使用的材料構件之間的連接方式結構外部形狀結構的橫截面形狀鉸連接剛連接1、使用的材料①結構的強度與材料有關紙杯鋼杯塑料杯②混凝土材料使用鋼筋混凝土結構的好處是什么？

混凝土抗壓性能較好，而抗拉能力就比鋼筋要小得多。因此在制造時可在梁的受拉區放置鋼筋，組成鋼筋混凝土梁，在這種梁中，鋼筋受拉，混凝土受壓，它們合理組成一個整體，共同承擔載荷的作用。

2、結構的形狀:

注意：結構形狀對強度的影響有兩點，一是結構的外部形狀，二是結構的橫截面形狀。三角形結構結實、穩定，所用材料最少。A字形梯不采用鋁合金薄片，而采用長方形截面的構件。說明構件截面的形狀影響著結構的強度。相同材料，相同截面積，不同截面形狀的構件強度不同。

幾種不同截面形狀的構件型材在相同結構強度的情況下，具有用料少，質量輕等優點，被廣泛應用。鉸連接：被連接的構件在連接處不能相對移動，但可相對轉動。具體有松螺栓、松鉚等。剛連接：被連接的構件在連接處既不能相對移動，也不能相對轉動。具體有榫接、膠接、焊接、鉚接、螺接等。

結構構件的連接通常有以下兩類：

3、結構的連接：

結構的連接是指通過一定的連接物將構件組成整體結構。鉸接傘骨間的連接鉚接金屬框架連接不易焊接鋁板連接螺栓和螺母榫接榫接膠接黏接金屬材料與其他材料的聯接，有間隙存在的金屬件之間的連接，補修金屬件的破損焊接錫焊電焊氣焊焊接電路板電子元件連接銅（鐵）材料的小型件連接承受強度較大金屬件連接受力大金屬件自行車車架的連接綜合分析：從材料形狀方面考慮，吊蘭用的是三角形支架而不是其它形狀是因為三角形結構結實、穩定，所用材料最少。從材料方面考慮，吊蘭的三角形支架使用的是鋼管而不是木條或塑料，是因為鋼管抗拉性能好。從連接方式考慮，吊蘭的三角形支架的構件是焊接的而不是捆綁的，是因為這種連接方式更牢固。吊蘭支撐架的強度結構的變化可能導致功能的變化四、結構的強度和穩定性試驗雨傘與拐杖一把撐開的雨傘，是通過傘的骨架和傘面的受力以實現遮風擋雨功能的，而收起的傘則可以通過傘的主干骨受力實現拐杖的功能。

【小結】

1、結構穩定性：結構在荷載作用下維持其原有平衡形式的能力。影響結構穩定性的因素：結構的支撐面積（支撐面積越大，越穩定）結構的重心（重心越低越穩定，重心所在點的垂線落在結構支撐面內）結構的形狀（三角形的穩定性）2、結構強度：構件和材料抵抗破壞的能力。影響強度的因素：材料、形狀（結構的外部形狀和橫截面形狀）、材料連接方式3、強度與穩定性的聯系與區別：穩定性是研究物體的保持平衡狀態的能力，強度是研究不被外力破壞的能力。4、應力和強度的關系：用應力來衡量強度。應力小，變形就小，抗變形能力就大。5、內力：構件在外力作用下會變形，同時構件內部各質點之間的相互作用力發生了改變，這種作用力的改變稱作內力。

6、應力：構件單位截面面積上所受的內力。

σ=N/Aσ——應力，N——內力，A——橫截面積鞏固測試：1、我們常用的A形梯不直接采用鋁合金片，而用長方形截面的鋁合金構件，這說明影響結構強度的是（）

A.構件截面的形狀B.材料

C.重心的高低D.連接方式2、空調的外機支架通常采用三角形結構，而不用一根直桿挑起的結構，這說明以下哪個因素影響著結構強度（）

A.材料B.形狀

C.構件D.連接方式3、分別在一根竹竿和一根同樣尺寸的脆性塑料桿上不斷加掛相同質量的重物，竹竿比脆性塑料桿能掛更多重物而不會斷裂，這可表明下列那項影響結構的強度（）

A.材料B.結構的形狀

C.構件橫截面形狀D.構件的連接方式

ABA4、房子、橋梁的衍架大多數是由多個三角形構成的。這是運用了三角形的什么原理（）A.三角形簡單B.三角形美觀C.三角形用料少D.三角形穩定5、2010年高考題：結構的形狀會影響其強度和穩定性。下列水庫壩體結構抵抗水作用最強的是（）DC一常見結構的認識1.什么是結構?2.結構與力3.結構的類型知識回顧1.結構與穩定性2.結構與強度3.結構與功能二穩固結構的探析重心、支撐面、形狀形狀、材料、連接方式三簡單結構的設計

在我們的日常生產生活中，如果沒有豐富的結構設計，我們的生活就會單調而乏味；如果沒有豐富的結構設計，我們的生活會黯淡無光；如果沒有豐富的結構設計，我們將生活在沒有色彩的世界里。因此，結構設計對我們的日常生產生活起著極其重要的作用。1.結構設計的目標及要求以一種或幾種功能的實現為基本目標，應滿足設計規范，滿足使用者的基本需求。例：兒童自行車的結構設計代步、鍛煉手腳鏈輪和鏈條不可裸露車把車閘內距不超6cm，外距不超8cm功能基本需求規范外形、色彩等商業建筑設計規范商店營業廳的出入門、安全門凈寬度不應小于1.40m，不應設置門檻。營業部分的公用樓梯、坡道應符合下列規定：（1）室內樓梯~~~（2）室外臺階~~（3）輪椅使用的坡道~~閱讀

一項產品在結構設計時不僅要考慮其功能或目標的實現，還應注意產品結構設計的國家標準和規范要求。【馬上行動】列舉你所知道或聽說過的關于結構設計類的國家標準或規范。生活中：

。工農業生產中：

。鉛筆的設計標準、飲料包裝盒的食品安全標志等兒童玩具安全規范、藥品名稱規范等橋功能問題橋功能問題橋功能問題橋功能問題成本問題安全問題美觀問題2.結構設計應考慮的主要因素(觀察:橋梁結構設計所考慮的因素!)強度穩定性美觀安全壽命等```個性化需要功能成本結構設計3簡單結構的設計案例斜拉橋作為一種拉索體系，比梁式橋的跨越能力更大，是大跨度橋梁的最主要橋型。

斜拉橋由索塔、主梁、斜拉索組成。索塔型式有A型、倒Y型、H型、獨柱，材料有鋼和混凝土的。斜拉索布置有單索面、平行雙索面、斜索面等。世界首座弧形鋼塔斜拉橋南京建成通車07年5月13日，法國馬拉松賽參賽者在世界最高斜拉橋上飛奔。該橋橫跨法國南部城鎮密佑附近的塔恩河上的山谷,高343米，甚至高過了埃菲爾鐵塔而且僅僅比帝國大廈低38米，堪稱世界最壯觀的公路橋。密佑高架橋長2460米，整個結構耗費鋼材36000噸，占大橋重量的四分之一，其他部分是用混凝土建造的。杭州灣大橋的設計方案杭州錢江大橋結構

多瑙河橋是跨越多瑙河的一座混凝土斜拉橋，全長406m，通航孔177m，截面采用具有較好的抗風和抗震性能的箱形截面。著名橋梁設計穩定性\強度\成本\功能\美觀\個性化需要\壽命\安全等

福斯灣懸臂鋼桁架橋位于英國蘇格蘭東海岸，為19世紀末期世界上最大的雙線鐵路、懸臂剛桁架橋，該橋1883年開工，1889年竣工。著名橋梁設計穩定性\強度\成本\功能\美觀\個性化需要\壽命\安全等

著名橋梁設計穩定性\強度\成本\功能\美觀\個性化需要\壽命\安全等高明橋是一跨越西江的大型公路橋，主通航孔采用中承式鋼管混凝土拱，引橋系鋼筋混凝土肋拱，屬于弓形拱橋。著名橋梁設計穩定性\強度\成本\功能\美觀\個性化需要\壽命\安全等維拉札諾橋位于美國紐約，是跨越維拉札諾海峽的雙層公路懸索橋。雙面懸索，每面均為雙索工藝品設計穩定性\強度\成本\功能\美觀\個性化需要\壽命\安全等二、結構設計應考慮的主要因素【案例分析】戶外廣告牌結構設計中的抗風問題在戶外廣告牌的結構設計中，應該考慮其抗風性能，以減小正面風的壓力。請你就戶外廣告牌設計中的抗風問題，提出兩種以上可行的方案設計方案內容實現的方式、方法、途徑方案1方案2方案3增加結構的強度加固支撐架、連接點減小受力面積采用通風孔改變結構形狀采用立體環繞4.案例:簡易相片架的設計（1）設計要求：（2）設計分析：（3）設計準備：（4）設計方案：穩定性\強度\成本\功能\美觀\個性化需要\壽命\安全等相框的設計~~支架設計~~相框與支架的連接~~相片架設計方案A方案B方案C創意相框設計創意相框設計結構設計的目標和主要因素

結構設計以一種或幾種功能的實現為基本目標，應滿足設計規范，滿足使用者的基本需求。

主要因素：穩定性、強度、安全因素、審美需求、個性需要、成本、使用壽命等等經典結構的欣賞優秀的結構設計不僅表現在結構的實用功能上,也表現在形式上,特別是功能與形式的統一上。古今中外許多能工巧匠把結構的功能與形式恰當地結合起來,形成了一些經典的結構。如何賞析結構設計作品？賞析結構設計作品,可從技術與文化兩個角度進行。（1）技術的角度主要有：結構功能、穩固耐用、造型設計的創意和表現力、材料使用的合理性，工藝制造的精湛程度等。（2）文化的角度主要有：文化寓意與傳達，公眾認可的美學原則，反映的時代、民族、習俗方面的特征、結構的個性特征等。閱讀：案例分析趙州橋趙州橋又名安濟橋，建于隋大業(公元605-618)年間，是著名匠師李春建造。橋長64.40米，跨徑37.02米，是當今世界上跨徑最大、建造最早的單孔敞肩型石拱橋。因橋兩端肩部各有二個小孔，不是實的，故稱敞肩型，這是世界造橋史的一個創造（沒有小拱的稱為滿肩或實肩型）。趙州橋距今已1400年，經歷了10次水災，8次戰亂和多次地震，特別是1966年邢臺發生的7.6級地震，邢臺距這里有40多公里，這里也有四點幾級地震，趙州橋都沒有被破壞，著名橋梁專家茅以升說，先不管橋的內部結構，僅就它能夠存在1400多年就說明了一切。1963年的水災大水淹到橋拱的龍嘴處，據當地的老人說，站在橋上都能感覺橋身很大的晃動。據記載，趙州橋自建成至今共修繕8次。

饕餮,最貪吃,能吃能喝,常飾于鼎的蓋子上。因它能喝水,幾乎在古代橋梁外側正中都能見到,防止大水將橋淹沒。

趙州橋欄板上的饕餮(仿隋朝欄板）

1991年9月，趙州橋被美國土木工程師學會選定取為第十二個“國際土木工程里程碑”，并在橋北端東側建造了“國際土木工程歷史古跡”銅牌紀念碑。案例分析：飛檐、斗拱

岳陽樓飛檐5層，從樓的縱向看各層排檐與樓名直接有關，形如黃鶴，展翅欲飛。整座樓的雄渾之中又不失精巧，富于變化的韻味和美感。

黃鶴樓斗拱斗拱是中國木構架建筑特有的結構構件，在結構上挑出承重，并將屋頂的大面積荷載經斗拱傳遞到柱上。它有一定的裝飾作用，又是屋頂和屋身的過渡。此外，它還是封建社會森嚴的等級制度的象征和重要的建筑尺度衡量標準。斗拱一般使用在高級的官式建筑中，稱為大式建筑。因為斗拱的重要性，歷代建筑對它十分重視，使它成為判斷建筑時代的重要標志之一。

釋迦木塔位于應縣城內西北佛宮寺內，俗稱應縣木塔。建于遼清寧二年（公元1056年），金明昌六年（公元1195年）增修完畢。是我國現存最高最古的一座木構塔式建筑。為全國重點文物保護單位。應縣木塔的設計，廣泛采用斗拱結構，全塔共用斗拱54種，每個斗拱都有一定的組合形式，設計科學嚴密，構造完美，巧奪天工，是一座既有民族風格、民族特點，又符合宗教要求的建筑，在我國古代建筑藝術中可以說達到了最高水平，即使現在也有較高的研究價值。應縣木塔太和殿俗稱“金鑾殿”，殿高35.05米，為重檐廡殿式，面積2,377平方米,共55門,72根大柱,其中6根是纏龍金柱,是宮中最高大的建筑

中和殿。在太和殿舉行大典時，皇帝先到中和殿稍事休息，更衣后再到太和殿。

保和殿。每年除夕，清代皇帝在保和殿舉行宴會，賜宴外藩、蒙古王及文武大臣。這里也是考狀元的地方，殿試由皇帝親自命題，前十名的卷子還要由皇帝親自閱看，前三名分別為狀元、榜眼、探花，賜進士及第。

重脊的頂端為騎鳳仙人，后面依次排列鴟吻(音吃吻，龍的九子

之一)、獅子、天馬、海馬、狻猊、狎魚、獬豸、斗牛、行什。裝飾物越多，建筑等級越高。太和殿是我國唯一有十個飾物的建筑。

中國古建筑以木材、磚瓦為主要建筑材料，以木構架結構為主要的結構方式。此結構方式，由立柱、橫梁、順檁等主要構件建造而成，各個構件之間的結點以榫卯相吻合，構成富有彈性的框架。木構架結構有很多優點。首先，承重與圍護結構分工明確，屋頂重力由木構架來承擔，外墻起遮擋陽光、隔熱防寒的作用，內墻起分割室內空間的作用。由于墻壁不承重，這種結構賦予建筑物以極大的靈活性。其次，有利于防震、抗震。木構架結構很類似今天的框架結構，由于木材具有的特性，且構架的結構所用斗拱和榫卯又都有若干伸縮余地，因此在一定限度內可減少由地震對這種構架所引起的危害。“墻倒屋不塌”形象地表達了這種結構的特點。中國古代建筑的特點閱讀：案例分析蛋形