浙教版（2024）八年级上册（2024）第5章 建筑结构与工程第1节 建筑结构与功能试讲课教学ppt课件

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第1节 建筑结构与功能浙教版八年级科学上册第五章 建筑结构与工程学习目录学习目标科学观念科学思维了解建筑结构的基本分类，理解结构与功能的关系，建立建筑结构决定其功能的科学观念；掌握结构受力与形变的关系，建立结构稳定性与材料、形状关联的科学观念。能通过分析建筑实例解释不同结构的功能实现原理，强化结构与功能关系的科学思维；能结合实验归纳结构受力特点，强化材料性质与结构强度关联的科学思维。实践探索通过搭建三角形与四边形框架模型，对比分析其稳定性差异，总结三角形结构稳定性优势的操作要点；通过模拟拱形桥石块受力实验，探究力的传递路径，验证结构稳定性的影响因素。态度责任在实验中准确记录结构形变数据，尊重客观事实，避免主观臆断；通过小组合作完成蜂窝结构模型制作，养成严谨的科学态度与团队协作精神。课堂导入 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?PART 01建筑结构及其分类新知讲解 结构是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。一、建筑结构及其分类框架结构 框架结构是指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。图5.1-2所示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。一、建筑结构及其分类 壳体结构 壳体结构是指层状的结构，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。在壳体结构中，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。国家大剧院采用壳体结构屋顶，大大减轻了屋顶所受的重力，减少了场地中间的立柱数量。一、建筑结构及其分类 实体结构 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。桥墩、房屋的基座、雕塑的基座、城墙等都属于实体结构。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。一、建筑结构及其分类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。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)作用，并将其传递到基座。一、建筑结构及其分类PART 02结构受力与形变新知讲解 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。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，其能够承受力的大小是不同的。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，以确定结构的稳定性、可靠性。二、结构受力与形变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，观察橡胶棒因受拉力而产生的形变。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，观察橡胶棒因受压力而产生的形变。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。 实验表明，当物体受到不同的力作用时，会产生拉伸、压缩、弯曲等形变。通常情况，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。二、结构受力与形变 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5.1-6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5.1-6乙所示。二、结构受力与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。 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。当三角形桁架上部受到压力F₁时，压力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。二、结构受力与形变 有些建筑物采用弧形拱结构。如图5.1-8所示，当弧形拱受到向下压力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F₄F₃。二、结构受力与形变请分析图5.1-9中石拱桥A、B、C、D四处石块的受力情况。A处石块主要受两侧石块的水平推力、竖直约束力和自身重力，处于平衡状态；B、C处石块受相邻石块的反作用力，形成力的传递，水平分 力抵消，竖直分力与重力平衡；D处石块受地基的竖直支持力和水平约束力，同时传递上方石块的压力。PART 03建筑结构的功能新知讲解 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。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。 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。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。三、建筑结构的功能1.把四根短木棒钉起来，形成一个长方形结构，在一个角上作用力F,如图5.1-11甲所示，观察长方形结构是否比较容易变成一个如图5.1-11乙所示的平行四边形结构。2.把三根短木棒钉起来，形成一个三角形结构，在一个角上作用力F,如图5.1-11丙所示，观察三角形结构是否比较容易发生改变。 四边形结构在力的作用下，很容易产生形状的改变；三角形结构在力的作用下，其结构保持不变。三角形是所有几何形状中最坚固稳定的结构。因此，三角形结构的稳定性在生产和生活中得到广泛应用。 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。结构的强度是指结构抵抗外力作用的能力。 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、建筑结构的功能 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，使结构承受更大的荷载。 三、建筑结构的功能 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、方形和圆形等，其承受力的大小也不一样。三、建筑结构的功能图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?钢材的截面如图所示。(1)结构简单：角钢加工方便，适合多种连接方式。(2)刚性强：在两个互相垂直的方向上都有较好的承载能力。 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。 三、建筑结构的功能 建筑的结构决定了其功能，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。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，反映出时代特征、文化内涵等。三、建筑结构的功能 图5.1-16为国家游泳中心，别名“水立方”,它用半透明外膜覆盖，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，这些半透明外膜使“水立方”白天光线充足。“水立方”是“绿色、科技、人文”理念与建筑功能的结合。三、建筑结构的功能蜂窝结构 蜂窝由无数个大小相同的蜂房组成，蜂房都是六角柱体，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，因此其结构和功能才能达到如此完美的程度。 蜂窝结构给工程师们以很大的启示。人们在设计一些强度高、用料小，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。PART 04课堂总结课堂总结课堂总结课堂总结PART 05练习与应用下列建筑结构中，其基本结构分类不正确的是( )练习与应用【答案】D【解答】水立方采用了空间钢架结构，每一个钢架框上都有薄膜制成的气枕作为外墙。 A.壳体结构：悉尼歌剧院屋顶B. 框架结构：鸟巢C.实体结构：水电站坝体 D. 壳体结构：水立方安全帽之所以能承受很大的压力，是因为它利用的原理是( )A.拱形 B. 圆顶形 C. 三角形 D. 以上均不是练习与应用【答案】B【解答】 圆顶形可以看成拱形的组合，它有拱形承载压力大的优 点，而且不产生向外的推力。安全帽之所以能承受很大的压力，是因为它利用了圆顶形承受压力的特性。 在台风频发的沿海地区建造高层住宅时，以下结构类型 最适合的是( )A.砖木结构(木框架+砖墙填充)B. 砖混结构(砖墙承重+钢筋混凝土楼板)C. 钢混结构(钢筋混凝土框架+剪力墙)D. 纯钢结构(钢框架+轻质墙体)练习与应用【答案】C【解答】对于房屋建造的牢固性来说，选址要合适、地基要稳固、承 重结构要稳定。在台风频发的沿海地区建造高层住宅时，选择结 构类型需要综合考虑抗震性、抗风性能和空间灵活性，钢混结构 (钢筋混凝土框架+剪力墙)类型最适合。PART 06提升训练郑州绿地中心 ·千玺广场(俗称“大玉米楼”)坐落于郑 东新区CBD 核心区，以280 m 挺拔身姿成为中原第一高楼。这座 超高层建筑，其创意源自中国现存最古老的砖塔——嵩岳寺塔，外 立面通过24段渐收的弧形轮廓，形成宛如玉米穗的独特造型，金 色玻璃幕墙在阳光下熠熠生辉。提升训练(2)“大玉米楼”从设计到建造，下列说法不正确的是 。A.工程人员需要全面了解“大玉米楼”的建造需求B.建造“大玉米楼”之前，设计师要先画出该建筑的设计图C.设计师把建筑主体设计完成后，可以直接安排建造(3)“大玉米楼”的建筑结构属于 。A.框架结构B.壳体结构C.实体结构D.空间网架结构(4)下列材料，建造“大玉米楼“时主要使用的是 。A.木材 B.钢材 C.石料(5)从古至今，人类的房屋发生了怎样的变化?它们又有什么共 同之处?请在横线上作答。提升训练提升训练【答案】(1) B(2)C(3)D(4)B(5)从古至今，人类房屋主要建筑材料、结构、功能外观和使用的工 具都有了巨大的变化；共同之处是它们都是人们的栖息场所，都能 帮人们遮风避雨。【解答】(1)塔吊是建造“大玉米楼”时用到的主要建筑工具之一。(2)“大玉米楼”从设计到建造的过程中，工程人员需要全面了解“大 玉米楼”的建造需求，建造“大玉米楼”之前，设计师要先画出该建筑 的设计图；设计师把建筑主体设计完成后，还需要进一步完善设计。(3)“大玉米楼”建筑结构并不是典型的壳体结构，而是属于一种框 架——核心筒结构或空间网架结构。这种结构通过竖向的钢筋混 凝土柱和水平的梁、桁架等构件形成一个三维的空间框架，能够有 效承受建筑的自重和外部荷载。(4)“大玉米楼”属于现代建筑，建造“大玉米楼”时主要使用的材料是钢材。