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第六讲 结构与设计一 、常见结构的认识1.无处不在的结构世界上任何事物都存在结构,结构多种多样且决定着事物存在的性质。 结构（structure）：是指事物的各个组成部分之间的有序搭配和排列。通过对自然界中形形色色的结构的分析和研究，给了人们无限的创造灵感和启示。 案例分析：苍耳子与尼龙搭扣 P3 鸟与飞机 P3鹰眼与导弹跟踪系统 P3根据鹰眼的结构,人们正在研制“ 鹰眼”导弹系统。这种导弹系统能自动寻找、识别目标并跟踪攻击。阅读案例：魁北克大桥的坍塌。P4 大桥坍塌的原因是什么？擅自改变桥的结构。在社会领域,也普遍存在着结构现象。一篇文章的内容结构影响文章的表达与质量, 一家企业的人员结构关乎企业的运行与效率。2.结构与力从力学角度来说, 结构是指可承受一定力的架构形态，它可以抵抗能引起形状和大小改变的力。每个物体都有它的特定的架构形态，这种架构形态体现着它的结构。物理学与通用技术研究力的角度不同,物理学往往研究外力,把物体当质点,哪怕是地球,在研究它绕太阳转动时,仍把它当作质点。而技术学则关注一个物体内部受力情况。 当一个结构受到外力作用时,内部各质点之间的相互作用会发生改变，产生一种抵抗的力，称为内力。应力是构件的单位横截面上所产生的内力。当应力达到某一极限值时，结构就会遭到破坏。用公式表示应力为：=F/s，其中F是内力，S是受力面积，是应力。 构件的基本受力形式：拉力、压力、剪切力、扭转力和弯曲力。 拉 力物体所承受的拉拽力压 力挤压物体的力剪切力两个距离很近 ,大小相等,方向相反,且作用于同一物体上的平行力扭转力反方向向物体两端均匀施力 ,使物体发生扭转形变的力弯曲力作用于物体 ,使它产生弯曲的力案例分析：P6它们受到那些力的作用 探究：P7说明石磨的推杆为什么要用一根绳子吊起来？.结构的类型： 实体结构、框架结构、壳体结构实体结构：结构体本身是实心的。它的受力特点是：外力分布在整个体积中，如实心墙，大坝。框架结构：结构体由细长的构件组成的结构。受力特点：支撑空间而不充满空间。如铁架塔，建筑用脚手架，厂房的框架。壳体结构：通常是指层状的结构。受力特点是：外力作用在结构体的表面上，如摩托车手的头盔，飞机的外壳，贝壳。案例分析：物体的结构类型 P10二、稳定结构的探析1.结构与稳定性（1）结构的稳定性：是指结构在负载的作用下维持其原有平衡状态的能力。例如：台风过后，东倒西歪的广告牌或标牌；因货物堆得过高而弯道处返倒的三轮车；路边倒地的自行车等。（因为当物体受到外力作用时，原有的平衡状态被打破而出现的不稳定现象。）结构的稳定性是结构的重要性质之一。如果一个物体的结构不能有效地抵御常见外力的作用，那么该物体是很难承受负载而保持平衡的。（2）影响结构稳定性的主要因素主要有：重心位置的高低、结构与地面接触所形成的支撑面的大小和结构的形状等。案例分析：稳定性 P131.重心位置的高低重心越低,稳定性越好;重心越高,稳定性越差。结构重心所在点的垂线是否落在结构底面的范围内，落在就是稳定的，没有就是不稳定的。.结构的底座，结构与地面接触所形成的支撑面的大小。支撑面越大越稳定，越小越不稳定。如：高塔的共同特点都是上端小而下端大。.结构的形状结构的形状不同，其稳定性也不同，如板凳只有两条腿就不稳定，而有不在同一条直线上的三条腿就有比较好的稳定性。往往，影响结构稳定性的因素是相互关联的，需要综合考虑各种因素来讨论结构的稳定性。注意：运动状态下与静止状态下物体的稳定条件有所不同。如：自行车，高空走钢丝手持长杆。案例分析：静态的自行车是如何保持稳定的 P14材料也是影响结构稳定性的因素。如：汽车的车体采用壳体结构和薄钢板材料制造，是因为壳体结构表面能分散所受的力，薄钢板使车体质量较小探究：自行车骑起来时，只有两个支撑点，为什么不会倒下呢？静止状态下陀螺会倾倒，而当它高速旋转时却可以立起来？结构的稳定性在日常生活中有着广泛的应用，一方面人们利用稳定的结构抵抗外力、承受负载，另一方面又利用不稳定的结构实现某些功能。如：倒置的啤酒瓶可以预报地震：在打水的桶口边挂一重物，在水面时能自动翻倒打水。2.结构与强度（1）结构的强度：是指结构具有的抵抗被外力破坏的能力。如：在拔河比赛中，绳子被拉断了，说明绳子不具有抵抗两队拉力的能力；6级地震中一幢小楼倒塌了，说明这座小楼不具有抵抗6级地震的能力。（2）影响结构强度的主要因素：结构的强度与结构的形状、使用的材料、构件之间的连接方式等因素有密切的关系。案例分析：强度 P17不同形状的结构有着不同的强度。例如：吊兰支撑架使用三角支架结构，而不使用由一根直杆挑起的结构；在建筑物两根平行支撑柱之间增加一根斜柱；A字形梯子不采用铝合金薄片，而采用长方形截面的构件。这些都是为了增加结构的强度。材料方面：吊兰的三角形支架使用的是钢管而不是木条或塑料，是因为钢管抗拉力性能好。连接方式：吊兰的三角形支架的构件是焊接的而不是捆绑的，是因为这种连接方式更牢固。结构的形状: 三角形是框架结构中最基本的形状之一,它结实、稳定，所用材料最少。 结构的材料与连接：不同材料构成的结构，其强度各不相同。一个坚固的梁的材料必须具有好的抗拉力、压力、剪切力和扭曲力的性能，所以，梁通常由不止一种材料制成。如一根混凝土梁含有加固钢筋，混凝土擅长抗压力，而钢筋擅长抗拉力，它们共同形成了非常牢固的结构。结构构件的连接通常有两种：1）铰连接：被连接的构件在连接处不能相对移动，但可相对转动，具体有松螺栓、松铆等。如：折叠伞伞骨间的连接、门与门框的连接等。2）刚连接：被连接的构件在连接处既不能相对移动，也不能相对转动，具体有榫接、胶接、焊接等，如：固定铁床架的连接、不可移动的桌腿与桌面的连接等。3.结构与功能结构不仅是事物存在的一种形式，而且对事物的功能和作用产生着直接影响。结构的变化可能导致功能的变化。案例分析：伞与拐杖 多用起子 P21 案例分析：自行车的结构与功能 P21三、简单结构的设计结构设计对于我们的日常生活、对于各种各样的生产活动都非常重要。日常生活中，没有丰富的结构设计，产品将会造型单一、功能单调, 那些大型建筑物、交通运输工具等更是无法产生，生产活动中，产品制造技术、结构安全性及耐久性评估、维修加固技术等，都离不开结构的设计和研究。1.结构设计应考虑的主要因素（1）结构设计的目标及要求结构设计应以一种或几种功能的实现为基本目标，应满足设计规范，满足使用者的基本需要。，（2）结构设计应考虑的主要因素结构设计应考虑的主要因素有：符合使用者对设计对象的稳定性和强度要求，安全因素，公众和使用者的审美需求，使用者的个性化需要，对设计对象的成本控制要求和一定的使用寿命等。在工程的结构设计中，应考虑结构的安全性、适用性和耐久性。在考虑结构的稳定性和强度，使结构在规定的条件下和规定的使用期限内，能实现一定的功能的同时，还要考虑经济因素，如做到用料省、成本低等，也就是说，力求以最低的成本使所建造的结构达到预定的要求。不同的结构设计，应考虑的因素各有侧重，但无论在哪一类用途的结构设计中，安全都是至关重要的因素。在结构设计中还有一些需要考虑的因素，如材料、民俗文化、地域特点等。案例分析：户外广告牌结构设计中的抗风问题 P252.简单结构的设计案例以简易相片架为例说明简单结构的设计过程与方法。P26 案例分析：简易相片架的设计四、经典结构的欣赏1.优秀的结构设计不仅表现在结构的实用功能上,也表现在形式上,特别是功能与形式的统一上。古今中外许多能工巧匠把结构的功能与形式恰当地结合起来，形成了一些经典的结构。2.赏析结构设计作品,可从技术与文化两个角度进行。（1）技术的角度主要有：结构功能、稳固耐用、造型设计的创意和表现力、材料使用的合理性，工艺制造的精湛程度等。（2）文化的角度主要有：文化寓意与传达，公众认可的美学原则，反映的时代、民族、习俗方面的特征、结构的个性特征等。案例分析：赵州桥 P30 案例分析：飞 檐 P31 案例分析：蛋形椅 P32技术角度：1.功能：2.结构设计：3.技术施工：文化角度：探究：中国古代建筑的结构多以木材为材料。请你从材料与构件的连接方式等角度, 分析中国古代建筑稳固的原因。中国古建筑以木材、砖块为主要建筑材料，以木构架结构为主要结构方式，此结构式由立柱、横梁、顺模等主要构件建造而成，各个构件之间的连接点以棒卵相吻合,构成富有弹性的框架。木构架结构有很多优点。首先，承重与围护结构分工明确，屋顶重力由木构架来承担，外墙起遮挡阳光、隔热防寒的作用，内墙起分割室内空间的作用。由于墙壁不承重，这种结构赋予建筑物以极大的灵活性。其次, 有利于防震、抗震。木构架结构很类似今天的框架结构，由于术材具有的特性，且构架的结构所用斗拱和棒卵又都有若干伸缩余地，因此在一定限度内可减少由地震对这种构架所引起的危害。“墙倒屋不塌”形象地表达了这种结构的特点。斗拱也是中国木构架建筑特有的结构构件，由方形的斗、升和矩形的拱、斜的昂组成。在结构上挑出承重，并将屋顶的大面积荷载经斗拱传递到柱上。它有一定的装饰作用，又是屋顶和屋身上的过渡。此外，它还是封建社会中森严的等级制度的象征和重要的建筑尺度衡量标准。斗拱一般使用在高级的官式建筑中，称为大式建筑。大体可分为外檐斗拱和内檐斗拱，外檐斗拱中“斗”是最下面的构件，斗口的大小决定着整个建筑的尺寸，“拱”指木，“昂”是斗，拱中斜置的构件室外为下昂，室内为上昂。因为斗拱的重要性，历代建筑对它十分重视，使它成为判断建筑时代的重要标志之一。单元小结：结构对自然界、技术领域和社会领域具有普遍意义。从力的角度来看, 结构是指可承受一定力的架构形态, 它可以抵抗能引起形状和大小改变的力。结构构件的基本受力有拉力、压力、剪切力、扭转力和弯曲力。结构类型主要有实体结构、框架结构和壳体结构。不同的结构类型有不同的受力特点。现实生活中遇到的结构更多的是若干结构