“建筑結構”教學中生動實例探究

王廣利

（黎明職業大學土木建筑工程學院，福建泉州 362000）

“建筑結構”教學中生動實例探究

王廣利

（黎明職業大學土木建筑工程學院，福建泉州 362000）

總結了一些在建筑結構教學中通俗易懂的講課實例，活躍了課堂氣氛，既能激發學生對所學理論的學習興趣，有益于學生理解建筑結構，也可以為從事建筑結構教學的教師提供一定的參考.

建筑結構；教學；實例

建筑結構是高職土建類專業核心課程之一，在建筑結構學習時，由于對工程實際中的許多問題不了解，加上課程的理論知識抽象，公式繁多，不少學生對教師的講解似懂非懂，因此普遍存在厭學和恐懼心理，難以從結構理論本身把握并建立起結構概念．作為一位長期從事建筑結構教學的教師，本文總結了一些在建筑結構教學中通俗易懂的講課實例，這些實例來之于生活實際，通俗易懂，可以活躍課堂氣氛，既能激發學生對所學理論的學習興趣，有益于學生理解建筑結構，也可以為從事建筑結構教學的教師提供一定的參考．

實例1 講述建筑結構課程的緒論時，可把結構比作人類的骨骼系統，結構即建筑的骨骼系統[1]3-27．人類有自己的骨骼系統，世上千千萬萬的動物，大多都要依靠自己的骨骼系統承托著自身的重量．對建筑而言，其造型、空間等內容也都依賴它的骨骼系統，也就是結構承載著．與不同的生命體有著不同的骨骼系統一樣，不同的建筑也有著不同的結構．復雜的結構都是由簡單的結構演化而來，任何一個建筑結構都可看做插在地面上的一根懸臂構件（圖1）．這樣的開場白，會給學生留下深刻的印象．

圖1 建筑結構與懸臂構件的關系

實例2 講述結構中基本構件時，可舉人提一桶水，當手臂自然下垂狀態時，手臂受拉，并不感覺吃力，而彎起手臂將水桶掛于前臂，此時手臂受彎，頓時倍感吃力，進而再轉動手臂，使手臂受扭，人便受不住，以此說明拉壓對材料來說是“最舒服”的受力模式．換言之，軸力產生的應力較小，彎扭產生的應力較大．由梁到桁架，再發展到拱，均可理解為將彎矩轉化為軸力，降低了材料所受到的應力，提高了結構的承載力，所以桁架和拱從受力角度來看是合理結構．進而講述鋼框架中支撐的合理性，即通過設置支撐將鋼梁鋼柱的受彎部分轉化為支撐的拉壓，大大提高鋼框架的承載力和剛度．

實例3 講述結構中受壓構件設計時的穩定問題，以舉重運動為例，舉重運動員大多體型矮壯，通俗地認為他們的重心低，容易站穩（圖2）．這其實是穩定問題，臨界力與長度的平方成反比，所以矮壯運動員有利于出成績．受壓構件穩定設計原理與此相同，由于矮胖構件的臨界力大于細長構件的臨界力，因而其穩定性好，承載力也較高，因此受壓構件設計時應注意長細比不能過大．

圖2 受壓穩定示意

實例4 講述結構中樓層的概念及梁柱設計，舉自然界中的竹子為例，竹子有竹節，竹節即為竹子的“樓層”，這些“樓層”不僅能增強竹子的抗彎強度，也能提高竹子橫向抗剪切的能力．在竹節的幫助下，竹子具有了良好的抗風性能，才使竹子成為植物界中的“高層結構大師”．竹子內部是空心的，表面被強度高、韌性好的竹皮包裹著（竹皮常用來編織籃筐，足見其強度、韌性非同一般），這種結構保證了竹子不增加自身重量的前提下，大大提高其抗彎、抗扭強度．這一點也可以在人類和動物的骨骼上得到體現，空心的骨骼重量較輕，但具有極強的抗彎能力和抗斷能力，假如骨骼是實心結構，無疑會導致人體和動物身體笨重，造成行動遲緩，也會大大增加骨折的危險性．由此來解釋梁柱設計時往往把鋼筋布置在構件外圍，其原理如出一轍．并進一步說明結構布置時，有效抗側力構件應放在結構的外圍，而不應是在結構的內部[2]27-35．

實例5 講述結構中樓梯的設計，可用登高時使用的木板和竹梯子為例，木板和竹梯子分別是板式樓梯和梁式樓梯的原始模型（圖3）．可讓學生利用木板和竹梯子登高，使其直觀感受木板和竹梯子的受力及變形，再來講解樓梯的設計，從而加深學生對樓梯受力、傳力的理解．這些結構原始模型也能使學生進一步體會到結構來源于生活實踐．此時也可以提一下汶川地震中樓梯的破壞情況，汶川地震造成了大量樓梯破壞，甚至樓梯板斷裂而使得逃生通道被切斷．可見，結構中樓梯雖不起眼，但其重要性卻不容忽視．

木板

圖3 樓梯及其原始模型

實例6 落水之人為保命必朝最近的岸邊游去，其理同于荷載按最短路徑傳遞的原則．而荷載按剛度分配的原則，正是我們常提起的“能者多勞、能者多得”的社會理論．此時可以提一下剛度的概念，可舉人手握樹枝，使樹枝處于水平，當樹枝伸出長度較短時基本感覺不到其彎曲，隨樹枝伸出長度的增加其彎曲程度越來越明顯，以此來說明等截面構件長度越長，其抗彎剛度越小，彎曲變形越大．其實，結構中四邊支承的矩形樓板是單向板還是雙向板，表面看起來是取決于兩個方向的跨度比，實際上是由兩個方向剛度比決定，兩個方向跨度相等或接近（實質是兩個方向剛度相當），則荷載沿雙向傳遞；兩個方向跨度相差較多（實質是兩個方向剛度相差懸殊），則荷載主要單向傳遞（沿短向傳遞很多，沿長向傳遞很少）．此外，在超靜定結構中“能者多勞、能者多得”體現為“哪里剛度大，哪里內力大”，結構剛度猶如一個內力的“指揮棒”，指揮著內力的傳遞和分布．

實例7 講述結構構件抗震能力主要取決于利用其變形能力，即通過延性耗能的能力時，以人乘公交車為例，人直立在公交車上，公交車突然啟動時（形同地震發生），如人能有充分的身體變形可站立不倒，如保持立正狀態，則人體受力較大，有傾覆之虞[3]．《老子》中說：“柔弱勝剛強”，由此，為何世界上不少地震頻發國家廣泛采用隔震、消能減震結構，其道理也就不難理解．順便也可以讓學生思考一下結構是越剛越好（變形小）還是越柔越好（變形大）？此時，可介紹一下中國文化的基本特征之一的“剛柔相濟”．俗話說，剛中有柔，柔中有剛，二者相互依存，缺一不可．中庸之道強調，無論是為人處世、人生規劃、企業管理都要遵循“剛柔相濟”的原則，做到恰到好處．“道”是相通的，將“剛柔相濟”的思想運用到結構設計中，做到結構具備合適的剛度，既要保證變形控制在允許范圍內，又要經濟合理．

實例8 講述建筑結構為何大多為超靜定結構，鮮見靜定結構．可設想人平躺在床上，如若僅以頭部和腳后跟與床接觸，人體為靜定結構，可人扛不住；隨著與床的接觸點增多，超靜定次數也增加，人體就會感覺越舒服，改善了人體受力[4]．以此說明結構的超靜定次數越多，結構的承載能力越高，結構抵抗破壞的防線越多．進而聯想到懸索結構，如懸索橋，其基本原理就顯而易見．

[1][美]D L.斯科臺克.建筑結構（第四版）[M].福午，等，譯.北京：清華大學出版社，2005．

[2]林同炎.結構概念和體系（第二版）[M].北京：建筑工業出版社，1999．

[3]王廣利．《建筑結構》課程教學改革與實踐[J]．福建建筑，2013（2）：119-120.

[4]方德平.《材料力學》教學中的幾個實例[J].力學與實踐，1996（5）：61.

（責任編輯：鄭宗榮）

On Impressive Examples in the Teaching Practice of Building Structure

WANG Guangli
(College of Civil Engineering, Liming Vocational University, Quanzhou, Fujian 362000)

This paper elaborates several vivid examples in the teaching practice of Building Structure course. With them the class atmosphere can be enlivened, and students’ interest in theory learning can be stimulated to facilitate their understanding of the structure of buildings and shed light on the teaching practice of this course.

building structure; teaching; examples

G426

A

1009-8135（2015）03-0134-03

2015-02-27

王廣利（1975-），男，山東威海人，福建黎明職業大學講師，主要研究建筑力學與結構學.

2014年福建省高等學校教學改革研究項目（項目編號：JAS14854）階段性成果