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第六講 結構與設計
一 、常見結構的認識
1.無處不在的結構
世界上任何事物都存在結構,結構多種多樣且決定著事物存在的性質。
結構（structure）：是指事物的各個組成部分之間的有序搭配和排列。
通過對自然界中形形色色的結構的分析和研究，給了人們無限的創造靈感和啟示。
案例分析：①蒼耳子與尼龍搭扣 P3 ② 鳥與飛機 P3
③鷹眼與導彈跟蹤系統 P3
根據鷹眼的結構,人們正在研制“ 鷹眼”導彈系統。這種導彈系統能自動尋找、識別目標并跟蹤攻擊。
閱讀案例：魁北克大橋的坍塌。P4 大橋坍塌的原因是什么？擅自改變橋的結構。
在社會領域,也普遍存在著結構現象。
一篇文章的內容結構影響文章的表達與質量, 一家企業的人員結構關乎企業的運行與效率。
2.結構與力
從力學角度來說, 結構是指可承受一定力的架構形態，它可以抵抗能引起形狀和大小改變的力。
每個物體都有它的特定的架構形態，這種架構形態體現著它的結構。
物理學與通用技術研究力的角度不同,物理學往往研究外力,把物體當質點,哪怕是地球,在研究它繞太陽轉動時,仍把它當作質點。
而技術學則關注一個物體內部受力情況。
當一個結構受到外力作用時,內部各質點之間的相互作用會發生改變，產生一種抵抗的力，稱為內力。應力是構件的單位橫截面上所產生的內力。當應力達到某一極限值時，結構就會遭到破壞。用公式表示應力為：σ=F/s，其中F是內力，S是受力面積，σ是應力。
構件的基本受力形式：拉力、壓力、剪切力、扭轉力和彎曲力。
拉 力 物體所承受的拉拽力
壓 力 擠壓物體的力
剪切力 兩個距離很近 ,大小相等,方向相反,且作用于同一物體上的平行力
扭轉力 反方向向物體兩端均勻施力 ,使物體發生扭轉形變的力
彎曲力 作用于物體 ,使它產生彎曲的力
案例分析：P6它們受到那些力的作用 探究：P7說明石磨的推桿為什么要用一根繩子吊起來？
３.結構的類型： 實體結構、框架結構、殼體結構
實體結構：結構體本身是實心的。它的受力特點是：外力分布在整個體積中，如實心墻，大壩。
框架結構：結構體由細長的構件組成的結構。受力特點：支撐空間而不充滿空間。如鐵架塔，建筑用腳手架，廠房的框架。
殼體結構：通常是指層狀的結構。受力特點是：外力作用在結構體的表面上，如摩托車手的頭盔，飛機的外殼，貝殼。
案例分析：物體的結構類型 P10
二、穩定結構的探析
1.結構與穩定性
（1）結構的穩定性：是指結構在負載的作用下維持其原有平衡狀態的能力。
例如：臺風過后，東倒西歪的廣告牌或標牌；因貨物堆得過高而彎道處返倒的三輪車；路邊倒地的自行車等。（因為當物體受到外力作用時，原有的平衡狀態被打破而出現的不穩定現象。）
結構的穩定性是結構的重要性質之一。如果一個物體的結構不能有效地抵御常見外力的作用，那么該物體是很難承受負載而保持平衡的。
（2）影響結構穩定性的主要因素
主要有：重心位置的高低、結構與地面接觸所形成的支撐面的大小和結構的形狀等。
案例分析：穩定性 P13
1.重心位置的高低
重心越低,穩定性越好;重心越高,穩定性越差。
結構重心所在點的垂線是否落在結構底面的范圍內，落在就是穩定的，沒有就是不穩定的。
２.結構的底座，結構與地面接觸所形成的支撐面的大小。
支撐面越大越穩定，越小越不穩定。如：高塔的共同特點都是上端小而下端大。
３.結構的形狀
結構的形狀不同，其穩定性也不同，如板凳只有兩條腿就不穩定，而有不在同一條直線上的三條腿就有比較好的穩定性。
往往，影響結構穩定性的因素是相互關聯的，需要綜合考慮各種因素來討論結構的穩定性。
注意：
①運動狀態下與靜止狀態下物體的穩定條件有所不同。如：自行車，高空走鋼絲手持長桿。
案例分析：靜態的自行車是如何保持穩定的 P14
②材料也是影響結構穩定性的因素。如：汽車的車體采用殼體結構和薄鋼板材料制造，是因為殼體結構表面能分散所受的力，薄鋼板使車體質量較小
探究：
①自行車騎起來時，只有兩個支撐點，為什么不會倒下呢？
②靜止狀態下陀螺會傾倒，而當它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：倒置的啤酒瓶可以預報地震：在打水的桶口邊掛一重物，在水面時能自動翻倒打水。
2.結構與強度
（1）結構的強度：是指結構具有的抵抗被外力破壞的能力。
如：在拔河比賽中，繩子被拉斷了，說明繩子不具有抵抗兩隊拉力的能力；6級地震中一幢小樓倒塌了，說明這座小樓不具有抵抗6級地震的能力。
（2）影響結構強度的主要因素：
結構的強度與結構的形狀、使用的材料、構件之間的連接方式等因素有密切的關系。
案例分析：強度 P17
不同形狀的結構有著不同的強度。例如：吊蘭支撐架使用三角支架結構，而不使用由一根直桿挑起的結構；在建筑物兩根平行支撐柱之間增加一根斜柱；A字形梯子不采用鋁合金薄片，而采用長方形截面的構件。這些都是為了增加結構的強度。
材料方面：吊蘭的三角形支架使用的是鋼管而不是木條或塑料，是因為鋼管抗拉力性能好。
連接方式：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。
①結構的形狀: 三角形是框架結構中最基本的形狀之一,它結實、穩定，所用材料最少。
②結構的材料與連接：不同材料構成的結構，其強度各不相同。
一個堅固的梁的材料必須具有好的抗拉力、壓力、剪切力和扭曲力的性能，所以，梁通常由不止一種材料制成。如一根混凝土梁含有加固鋼筋，混凝土擅長抗壓力，而鋼筋擅長抗拉力，它們共同形成了非常牢固的結構。
結構構件的連接通常有兩種：
1）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。如：折疊傘傘骨間的連接、門與門框的連接等。
2）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、焊接等，如：固定鐵床架的連接、不可移動的桌腿與桌面的連接等。
3.結構與功能
結構不僅是事物存在的一種形式，而且對事物的功能和作用產生著直接影響。結構的變化可能導致功能的變化。
案例分析：傘與拐杖 多用起子 P21 案例分析：自行車的結構與功能 P21
三、簡單結構的設計
結構設計對于我們的日常生活、對于各種各樣的生產活動都非常重要。日常生活中，沒有豐富的結構設計，產品將會造型單一、功能單調, 那些大型建筑物、交通運輸工具等更是無法產生，生產活動中，產品制造技術、結構安全性及耐久性評估、維修加固技術等，都離不開結構的設計和研究。
1.結構設計應考慮的主要因素
（1）結構設計的目標及要求
結構設計應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要。，
（2）結構設計應考慮的主要因素
結構設計應考慮的主要因素有：符合使用者對設計對象的穩定性和強度要求，安全因素，公眾和使用者的審美需求，使用者的個性化需要，對設計對象的成本控制要求和一定的使用壽命等。
在工程的結構設計中，應考慮結構的安全性、適用性和耐久性。在考慮結構的穩定性和強度，使結構在規定的條件下和規定的使用期限內，能實現一定的功能的同時，還要考慮經濟因素，如做到用料省、成本低等，也就是說，力求以最低的成本使所建造的結構達到預定的要求。
不同的結構設計，應考慮的因素各有側重，但無論在哪一類用途的結構設計中，安全都是至關重要的因素。在結構設計中還有一些需要考慮的因素，如材料、民俗文化、地域特點等。
案例分析：戶外廣告牌結構設計中的抗風問題 P25
2.簡單結構的設計案例
以簡易相片架為例說明簡單結構的設計過程與方法。P26 案例分析：簡易相片架的設計
四、經典結構的欣賞
1.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。
2.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。
案例分析：趙州橋 P30 案例分析：飛 檐 P31 案例分析：蛋形椅 P32
技術角度：1.功能：2.結構設計：3.技術施工：
文化角度：

探究：中國古代建筑的結構多以木材為材料。請你從材料與構件的連接方式等角度, 分析中國古代建筑穩固的原因。
中國古建筑以木材、磚塊為主要建筑材料，以木構架結構為主要結構方式，此結構式由立柱、橫梁、順模等主要構件建造而成，各個構件之間的連接點以棒卵相吻合,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，由于術材具有的特性，且構架的結構所用斗拱和棒卵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。
斗拱也是中國木構架建筑特有的結構構件，由方形的斗、升和矩形的拱、斜的昂組成。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，又是屋頂和屋身上的過渡。此外，它還是封建社會中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。大體可分為外檐斗拱和內檐斗拱，外檐斗拱中“斗”是最下面的構件，斗口的大小決定著整個建筑的尺寸，“拱”指木，“昂”是斗，拱中斜置的構件室外為下昂，室內為上昂。
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。
單元小結：
㈠結構對自然界、技術領域和社會領域具有普遍意義。
㈡從力的角度來看, 結構是指可承受一定力的架構形態, 它可以抵抗能引起形狀和大小改變的力。
㈢結構構件的基本受力有拉力、壓力、剪切力、扭轉力和彎曲力。
㈣結構類型主要有實體結構、框架結構和殼體結構。不同的結構類型有不同的受力特點。現實生活中遇到的結構更多的是若干結構類型的組合。
㈤結構的穩定性和強度是結構設計必須考慮的重要內容,二者相互聯系,相互影響。結 構的穩定性主要取決于重心位置的高低、結構與地面接觸所形成的支撐面的大小和結構的形狀等。結構的強度主要取決于結構的組成形式、構件的幾何形狀、截面形式、材料以及構件的連接方式等。
㈥結構設計中的美學因素、環境因素、安全因素以及時尚、個性、文化等都已成為人們進行結構設計時必須綜合考慮的重要因素。結構的牢固、穩定、簡約、和諧、美觀是結構設計不變的追求。

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