淺析適用于建筑學(xué)專業(yè)的建筑結(jié)構(gòu)選型難點(diǎn)內(nèi)容授課方法

郭原草

摘要：建筑結(jié)構(gòu)選型是建筑學(xué)專業(yè)里為數(shù)不多的介紹建筑結(jié)構(gòu)與受力特征的一門(mén)專業(yè)課，其內(nèi)容特征有別于建筑學(xué)專業(yè)其他專業(yè)課程。它以工程力學(xué)及工程結(jié)構(gòu)內(nèi)容為基礎(chǔ)，介紹建筑工程領(lǐng)域廣泛采用的結(jié)構(gòu)類型。由于建筑學(xué)專業(yè)培養(yǎng)方案中為數(shù)學(xué)、力學(xué)等基礎(chǔ)課程安排的學(xué)時(shí)普遍較少，加上專業(yè)分工等因素，使得建筑學(xué)專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)力學(xué)與結(jié)構(gòu)方面的知識(shí)普遍感覺(jué)比較困難。因此授課老師在講解這部分內(nèi)容時(shí)不能照搬給土木工程專業(yè)學(xué)生授課的方法，必須在較短的課時(shí)里把相對(duì)復(fù)雜、抽象的力學(xué)與結(jié)構(gòu)知識(shí)精煉、深入淺出地講解出來(lái)，以降低學(xué)生學(xué)習(xí)難度，便于學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，同時(shí)通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，讓建筑學(xué)專業(yè)學(xué)生學(xué)會(huì)用基本的力學(xué)與結(jié)構(gòu)知識(shí)分析解決實(shí)際工程問(wèn)題，設(shè)計(jì)出實(shí)用、安全的結(jié)構(gòu)形式。

關(guān)鍵詞：建筑專業(yè)；建筑結(jié)構(gòu)；授課；方法

中圖分類號(hào)：G642.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）41-0274-02

建筑結(jié)構(gòu)選型是建筑學(xué)專業(yè)的一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課，由土木工程學(xué)院開(kāi)設(shè)。本課程安排的理論課時(shí)雖然不多，但結(jié)構(gòu)問(wèn)題直接關(guān)系到建筑物整體安全性與適用性，故該課程對(duì)建筑學(xué)專業(yè)的重要性顯而易見(jiàn)。從建筑學(xué)專業(yè)課程總體特點(diǎn)來(lái)看，大部分專業(yè)課程具有側(cè)重形象思維和空間想象力的特點(diǎn)，如建筑表達(dá)、素描、色彩、建筑歷史、建筑設(shè)計(jì)原理等課程，這些課程力求培養(yǎng)學(xué)生對(duì)建筑外部輪廓的描繪、色彩的選取與搭配、健康審美觀的培養(yǎng)、建筑內(nèi)部空間組合的感知等專業(yè)素養(yǎng)；但限于課時(shí)及學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)局限等原因，對(duì)于工程結(jié)構(gòu)和工程力學(xué)等基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)不如土木工程專業(yè)學(xué)生學(xué)得詳細(xì)具體。但如果因?yàn)檎n時(shí)不多就不重視力學(xué)和結(jié)構(gòu)知識(shí)的學(xué)習(xí)，將會(huì)導(dǎo)致學(xué)生設(shè)計(jì)出的建筑方案不具備安全性和可操作性。因此教師在給建筑學(xué)專業(yè)學(xué)生講授結(jié)構(gòu)選型時(shí)必須總結(jié)與摸索一套適合建筑學(xué)專業(yè)的教學(xué)思路與方法，而不能照搬以往給土木工程專業(yè)講課的方式。本人在講授這門(mén)課程時(shí)體會(huì)到，如何把上百課時(shí)的結(jié)構(gòu)知識(shí)在短短二十幾個(gè)課時(shí)準(zhǔn)確、精煉而形象地表達(dá)出來(lái)，需要任課教師花費(fèi)大量的精力反復(fù)研究。這里列舉課程中的幾個(gè)代表性知識(shí)點(diǎn)說(shuō)明在講解力學(xué)與結(jié)構(gòu)知識(shí)點(diǎn)時(shí)應(yīng)注意的地方：

例1 緒論里有一個(gè)知識(shí)點(diǎn)：選擇能充分發(fā)揮材料性能的結(jié)構(gòu)形式。這里詳細(xì)探討了為什么在實(shí)際工程中矩形截面構(gòu)件會(huì)逐漸演化成工字型截面，從學(xué)習(xí)過(guò)的材料力學(xué)知識(shí)就可以發(fā)現(xiàn)原因：矩形截面受彎構(gòu)件（梁）的截面彎曲應(yīng)力分布圖具有如下特征：截面上下兩個(gè)邊緣應(yīng)力值最大，越靠近中性軸，應(yīng)力值越小，中性軸位置處應(yīng)力值為0。中性軸上下兩側(cè)的應(yīng)力值符號(hào)發(fā)生變化，這是由于梁受彎后一側(cè)纖維受壓另一側(cè)纖維自然受拉的緣故。對(duì)于建筑學(xué)專業(yè)學(xué)生，教師在講授這個(gè)知識(shí)點(diǎn)時(shí)只需要介紹截面應(yīng)力分布規(guī)律即可；但對(duì)于土木工程專業(yè)的學(xué)生，還要求掌握截面應(yīng)力分布圖及應(yīng)力計(jì)算公式的理論推導(dǎo)過(guò)程。但光知道這個(gè)截面應(yīng)力分布特征也還沒(méi)有達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，我們要求建筑學(xué)專業(yè)學(xué)生在教師介紹了截面應(yīng)力分布圖特征后，要學(xué)會(huì)運(yùn)用這個(gè)截面應(yīng)力分布圖特征來(lái)解釋矩形截面梁進(jìn)化到工字形截面梁的原因：那就是受彎構(gòu)件截面邊緣應(yīng)力大，靠近中性層應(yīng)力值小，所以只有靠近上下兩個(gè)邊緣處的材料充分發(fā)揮了作用，靠近中性層的材料未發(fā)揮作用。這樣中間位置處的材料就可以減少到最低程度，而向兩個(gè)邊緣集中，這樣矩形截面梁就進(jìn)化成工字形截面梁。同理，承受均布荷載簡(jiǎn)支梁的彎矩圖形狀在材料力學(xué)里也有詳細(xì)介紹，是一個(gè)二次拋物線，這說(shuō)明一根平行弦桁架中有若干根桿件的內(nèi)力值很小，材料性能自然沒(méi)有得到充分發(fā)揮；根據(jù)這個(gè)認(rèn)識(shí)，我們可以把一個(gè)平行弦桁架梁根據(jù)其彎矩圖形狀改為拱形桁架，使得桁架形狀與彎矩圖形狀一致，以充分發(fā)揮桁架中每一根桿件的能力。到這里，對(duì)于建筑學(xué)專業(yè)的學(xué)生就已經(jīng)完成學(xué)習(xí)目標(biāo)了。但是針對(duì)土木工程專業(yè)的學(xué)生不僅要掌握這種定性分析，還要求掌握計(jì)算桁架中每根桿件的內(nèi)力值。對(duì)于建筑學(xué)專業(yè)學(xué)生就不需要再講授桁架內(nèi)力的計(jì)算方法與解題過(guò)程，否則會(huì)加重學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。

例2 第12章門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)的適用范圍與受力特點(diǎn)。首先需要對(duì)承受均布荷載的剛架與排架彎矩圖進(jìn)行比較。對(duì)于土木工程專業(yè)的學(xué)生要求根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算方法計(jì)算剛架內(nèi)力并畫(huà)出彎矩圖。三鉸剛架是靜定結(jié)構(gòu)可直接根據(jù)平衡條件計(jì)算，無(wú)鉸剛架或兩鉸剛架均為超靜定結(jié)構(gòu)，需采用結(jié)構(gòu)力學(xué)里的計(jì)算超靜定結(jié)構(gòu)的方法計(jì)算（力法、位移法）。尤其是計(jì)算超靜定結(jié)構(gòu)的過(guò)程相對(duì)較復(fù)雜；對(duì)于建筑學(xué)專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，教學(xué)重點(diǎn)在于把彎矩圖形態(tài)特征介紹給他們，然后通過(guò)比較二者彎矩圖異同，根據(jù)每種剛架彎矩圖特點(diǎn)介紹三種剛架的適用條件，就不要在講解超靜定剛架的計(jì)算方法上花過(guò)多的教學(xué)時(shí)間。具體陳述如下：

根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算結(jié)果可以具體分析三種門(mén)式剛架：無(wú)鉸門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)為三次超靜定結(jié)構(gòu)，剛度好，結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布均勻；但由于柱腳與基礎(chǔ)剛接，因此可以傳遞彎矩，柱底彎矩值較大，因此對(duì)基礎(chǔ)與地基要求較高。由于基礎(chǔ)承受彎矩、軸向壓力、水平剪力復(fù)合作用，超靜定次數(shù)較高，結(jié)構(gòu)剛度較大，當(dāng)?shù)鼗l(fā)生不均勻沉降時(shí)，將在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生附加內(nèi)力，所以在地基條件較差時(shí)慎用。

兩鉸門(mén)式剛架的基礎(chǔ)與柱腳鉸接，為一次超靜定結(jié)構(gòu)，在豎向或水平荷載作用下，內(nèi)部彎矩值比無(wú)鉸門(mén)式剛架大。優(yōu)點(diǎn)是剛架鉸接柱基礎(chǔ)不能傳遞彎矩，因此不承受彎矩作用，構(gòu)造簡(jiǎn)單，省料省工；當(dāng)基礎(chǔ)有轉(zhuǎn)角時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力沒(méi)有影響。但當(dāng)兩柱腳發(fā)生不均勻沉降時(shí)，將在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生附加內(nèi)力。

三鉸門(mén)式剛架為靜定結(jié)構(gòu)，因此外界溫差、地基的變形或基礎(chǔ)不均勻沉降對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力沒(méi)有影響。三鉸與兩鉸門(mén)式剛架材料用量相差不多，但三鉸剛架梁柱節(jié)點(diǎn)彎矩略大，剛度較差，不適合用于有橋式吊車的廠房，僅用于無(wú)吊車或小噸位吊車的廠房。鋼筋混凝土三鉸門(mén)式剛架跨度較大時(shí)，半榀三鉸剛架懸臂太長(zhǎng)導(dǎo)致吊裝不便且吊裝內(nèi)力較大，故一般用于跨度較小或地基較差的情況。實(shí)際工程中大多采用三鉸剛架和兩鉸剛架及由它們組成的多跨結(jié)構(gòu)。

溫度變化對(duì)靜定三鉸剛架沒(méi)有影響，但在無(wú)鉸剛架、兩鉸剛架這樣的超靜定結(jié)構(gòu)中將產(chǎn)生附加內(nèi)力。內(nèi)力大小與結(jié)構(gòu)剛度有關(guān)。剛度越大，內(nèi)力越大。產(chǎn)生結(jié)構(gòu)內(nèi)力的溫差主要有室內(nèi)外溫差和季節(jié)溫差。室內(nèi)外溫差將使桿件兩側(cè)產(chǎn)生不同的熱脹冷縮，從而產(chǎn)生內(nèi)力。季節(jié)溫差指剛架在施工時(shí)的溫度與使用時(shí)的溫差，也將使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形與內(nèi)力。當(dāng)產(chǎn)生支座位移時(shí)，同樣將使超靜定結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形和內(nèi)力。對(duì)于建筑學(xué)專業(yè)學(xué)生，利用力學(xué)原理對(duì)三種門(mén)式剛架進(jìn)行簡(jiǎn)單的內(nèi)力分析并強(qiáng)調(diào)其適用范圍，教學(xué)深度可到此為止。但對(duì)于結(jié)構(gòu)工程專業(yè)的學(xué)生掌握上述知識(shí)點(diǎn)還不夠，還要求利用結(jié)構(gòu)力學(xué)中的力法、位移法詳細(xì)求解承受溫差和沉降作用的超靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算。解題過(guò)程分如下幾步：確定力法（位移法）基本未知量、建立力法（位移法）基本體系、建立力法（位移法）基本方程、利用圖乘法求基本方程組里的柔度系數(shù)（剛度系數(shù)）、利用圖乘法求方程中自由項(xiàng)系數(shù)、求力法（位移法）基本未知量、求解結(jié)構(gòu)內(nèi)力。對(duì)于高次超靜定問(wèn)題還要求使用計(jì)算軟件計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力。

通過(guò)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)選型課程的兩個(gè)具有代表性知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行分析，我們可總結(jié)出如下教學(xué)經(jīng)驗(yàn)：涉及工程結(jié)構(gòu)與力學(xué)方面的內(nèi)容是建筑結(jié)構(gòu)選型課程的教學(xué)難點(diǎn)，針對(duì)不同專業(yè)學(xué)生任課教師需要因材施教；對(duì)于土木工程專業(yè)的學(xué)生要求詳細(xì)掌握結(jié)構(gòu)計(jì)算方法并根據(jù)計(jì)算結(jié)果熟練做出結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖；對(duì)于建筑學(xué)專業(yè)則不用在結(jié)構(gòu)計(jì)算與相關(guān)公式推導(dǎo)上花費(fèi)過(guò)多的時(shí)間，而需要重點(diǎn)講解最基本的力學(xué)原理，概括性地介紹結(jié)構(gòu)受力特征（內(nèi)力圖形態(tài)等），引導(dǎo)與啟發(fā)學(xué)生利用學(xué)過(guò)的基本力學(xué)與結(jié)構(gòu)知識(shí)理解不同結(jié)構(gòu)受力特征、解釋工程現(xiàn)象，從而設(shè)計(jì)出安全、適用的建筑結(jié)構(gòu)。作為本課程任課老師也需要注意：雖然理論課時(shí)壓縮了，但不能把關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)也刪減了。教師仍然要把在土木工程專業(yè)中花費(fèi)幾百個(gè)課時(shí)講授的重點(diǎn)知識(shí)在幾十個(gè)課時(shí)中完整地介紹給學(xué)生，只是未必每個(gè)知識(shí)點(diǎn)需要講解得很深很細(xì)。所以這個(gè)教學(xué)原則也可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的生活常識(shí)來(lái)表述：一杯水還是這么多，量并未減少，只是看我們是細(xì)細(xì)品味還是一口吞下。

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