建筑結構概念滲透式教學探索

童慧芝

摘要：在無前置力學課程背景下，以《建筑施工圖識讀》課程為載體，探索對文理兼收的工程造價專業進行建筑結構概念的滲透式教學。本文以墻體構造章節中的墻體承重結構方案選擇知識點講解為對象，討論了結構整體受力對結構方案優缺點和建筑構造的影響，幫助學生從宏觀上構建建筑結構概念。

關鍵詞：建筑結構；滲透式；承重結構；方案教學

概述

我院工程造價專業最新的人才培養方案中，計量與計價等專業核心課程的前置課程為建筑材料、建筑施工、建筑施工圖識讀等課程，原先的建筑構造與識圖、建筑結構與識圖，識圖實訓整合為建筑施工圖識讀課程，課時由原先的總共8課時縮減為4.5課時。課程圍繞建筑施工圖和結構施工圖識讀，通過工程項目，貫穿建筑構造、結構構造知識的講解。因此，建筑力學、建筑結構基礎等相關內容大為縮減，系統地從靜力學到動力學，從桿件到桁架，從外力到內力的講解方式，顯然不符合最新培養計劃的要求。如何在以識圖為主的教學中融合力學知識，使學生初步具備建筑結構概念成為教學的重點和難點之一。

一、砌體結構承重方案

建筑施工圖識讀課程中難以避免地要講解到承重方案，這決定了承重墻和非承重墻的布置。承重墻在結構構造上要求更高，墻體至少為一墻厚，且限制墻體上洞口大小，限制了承重墻之間的距離。反之，非承重墻墻體可以較薄，或者可以開設較大的洞口，墻體間距也可以較遠。如果非承重墻為縱墻，體現為較小的房間，較大的窗戶，結構上雖對進深不限制，但考慮到進深受到散射光照入深度的影響（為窗戶上沿到地面高度的兩倍），進深最大值實際上受到了建筑構造限制。如果非承重墻為橫墻，體現為較大的開間，較大的房間，較小的窗戶。

承重方案的不同，建筑結構安全性也有差異。在各種承重方案中，橫向承重方案最優，其次為縱橫向混合承重體系，最差為縱向承重方案。要理解這一點，需要理解水平力、慣性矩、整體結構模型簡化。對于只掌握牛頓三定律，高中力學知識的學生來說，系統理解這些問題非常困難。實際上，工程造價專業文理兼收，很多學生甚至連高中力學知識都不具備。有限教學學時之內，將建筑結構概念通過一個個知識點轉化滲透給學生，是工程造價專業基礎課教師的任務所在。

二、荷載

墻承重結構受到豎向荷載和水平荷載的影響，豎向荷載包括由建筑物材料自重引起的恒荷載，由可變的人群、家具等引起的活荷載，水平荷載由風壓或地震作用引起。將各種荷載對建筑物的影響疊加，就可以核算建筑物的荷載承受能力。

圖1所示的四種方案，我們要討論在承重墻體材料相同的基礎上，在結構受力上的優劣。由于建筑物所用材料和使用功能不變，四種方案中豎向荷載決定的承重墻體總厚度和是基本相同的。大致可以用中學里的A=F/P來理解所需承重墻體的面積。

水平荷載作用對承重墻體厚度要求則大有不同。在風荷載或者地震力的作用下，高聳的建筑物好比一根巨大的懸臂梁，如圖2所示，它同時受到各個方向的水平荷載的作用，有時候是風荷載，有時候是地震力。那么問題就可以變成：在材料相同的情況下，在建筑物的縱向和橫向分別施加水平力，哪個方向更容易推倒，則哪個方向就是比較薄弱的方向。所謂建筑結構的方案布置，就是將有限的材料布置在較薄弱的方向，使兩個方向的抵抗能力較為均衡。

三、類比討論

根據生活經驗，我們或許已經可以判斷橫向為薄弱方向。不妨觀察日常的兩個現象（圖3）：一、承重的結構梁通常是如何擱置的，橫截面是豎著擱置，還是水平擱置？二、跳水運動員使用的跳板的橫截面是水平擱置還是豎向擱置？這兩個生活中隨處可見的現象卻反映了一個經典的力學原理。當要求結構比較“剛強”的時候，橫截面是豎向擱置的，當要求結構比較“柔韌”的時候，橫截面是水平擱置的，結構比較強的方向是橫截面高度方向，結構比較弱的方向是橫截面的寬度方向。在力學上，用截面慣性矩來描述這種抵抗能力（圖4）。可知，平行于荷載方向的截面高度和垂直于荷載方向的截面寬度，對抗彎能力的影響分別是3次方的關系和1次方的關系。因此，較窄的方向是抵抗荷載薄弱的方向，這跟建筑物在水平方向荷載作用下的抵抗能力是一樣的道理。

四、承重結構方案分析

橫墻承重時，橫墻間距受到經濟板跨的限制，橫墻距離距離較近，建筑結構抵抗水平力的薄弱方向-橫向得到了加強。因此，其抵抗水平力的能力是最強的，抗震性和抗風性能都最為優越。同時由于縱向墻體為非承重墻，縱墻上可以開設較大的洞口，采光和通風性能良好。橫墻距離較近還決定了房間的開間不可能很大，因此適用于旅館、宿舍、住宅等開間要求較小的建筑。

縱墻承重則跟橫墻承重方案剛好相反，抵抗水平力薄弱方向-橫墻主要以隔墻形式出現，因此間距較大，抵抗水平荷載能力不如橫墻承重結構。同時，縱墻承重約束了縱墻開洞，窗戶較小，橫墻間距大則房間的開間較大，適用于建造較大的教室、會議室、影視廳等建筑，但由于抗震能力較差，不適宜建造太高，并加強抗震驗算和抗震措施的設計。

這種承重結構方案優缺點在上述兩種結構之間，結構的抗震驗算和抗震措施都要嚴格設計。

五、延伸

建筑結構承重方案布置的原理適用于砌體結構，也適用于框架結構和剪力墻結構，比如框架結構中結構柱的布置，就將柱橫截面的高度方向迎向橫向，來加大結構整體抵抗水平力的能力，剪力墻結構中則要求橫向布置足夠的剪力墻來抵抗水平力。對薄弱方向進行加強布置是抓住主要矛盾的哲學運用。在沒有電腦輔助計算的時代，人們就是這樣抽絲剝繭，把主要矛盾、矛盾的主要方面提取出來，指導建筑結構整體設計和構件設計，使復雜的空間問題簡化變成二維的一榀框架問題，再到一維的桿件問題。

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