“建筑结构”教学中生动实例探究

王广利

（黎明职业大学土木建筑工程学院，福建泉州 362000）

“建筑结构”教学中生动实例探究

王广利

（黎明职业大学土木建筑工程学院，福建泉州 362000）

总结了一些在建筑结构教学中通俗易懂的讲课实例，活跃了课堂气氛，既能激发学生对所学理论的学习兴趣，有益于学生理解建筑结构，也可以为从事建筑结构教学的教师提供一定的参考.

建筑结构；教学；实例

建筑结构是高职土建类专业核心课程之一，在建筑结构学习时，由于对工程实际中的许多问题不了解，加上课程的理论知识抽象，公式繁多，不少学生对教师的讲解似懂非懂，因此普遍存在厌学和恐惧心理，难以从结构理论本身把握并建立起结构概念．作为一位长期从事建筑结构教学的教师，本文总结了一些在建筑结构教学中通俗易懂的讲课实例，这些实例来之于生活实际，通俗易懂，可以活跃课堂气氛，既能激发学生对所学理论的学习兴趣，有益于学生理解建筑结构，也可以为从事建筑结构教学的教师提供一定的参考．

实例1 讲述建筑结构课程的绪论时，可把结构比作人类的骨骼系统，结构即建筑的骨骼系统[1]3-27．人类有自己的骨骼系统，世上千千万万的动物，大多都要依靠自己的骨骼系统承托着自身的重量．对建筑而言，其造型、空间等内容也都依赖它的骨骼系统，也就是结构承载着．与不同的生命体有着不同的骨骼系统一样，不同的建筑也有着不同的结构．复杂的结构都是由简单的结构演化而来，任何一个建筑结构都可看做插在地面上的一根悬臂构件（图1）．这样的开场白，会给学生留下深刻的印象．

图1 建筑结构与悬臂构件的关系

实例2 讲述结构中基本构件时，可举人提一桶水，当手臂自然下垂状态时，手臂受拉，并不感觉吃力，而弯起手臂将水桶挂于前臂，此时手臂受弯，顿时倍感吃力，进而再转动手臂，使手臂受扭，人便受不住，以此说明拉压对材料来说是“最舒服”的受力模式．换言之，轴力产生的应力较小，弯扭产生的应力较大．由梁到桁架，再发展到拱，均可理解为将弯矩转化为轴力，降低了材料所受到的应力，提高了结构的承载力，所以桁架和拱从受力角度来看是合理结构．进而讲述钢框架中支撑的合理性，即通过设置支撑将钢梁钢柱的受弯部分转化为支撑的拉压，大大提高钢框架的承载力和刚度．

实例3 讲述结构中受压构件设计时的稳定问题，以举重运动为例，举重运动员大多体型矮壮，通俗地认为他们的重心低，容易站稳（图2）．这其实是稳定问题，临界力与长度的平方成反比，所以矮壮运动员有利于出成绩．受压构件稳定设计原理与此相同，由于矮胖构件的临界力大于细长构件的临界力，因而其稳定性好，承载力也较高，因此受压构件设计时应注意长细比不能过大．

图2 受压稳定示意

实例4 讲述结构中楼层的概念及梁柱设计，举自然界中的竹子为例，竹子有竹节，竹节即为竹子的“楼层”，这些“楼层”不仅能增强竹子的抗弯强度，也能提高竹子横向抗剪切的能力．在竹节的帮助下，竹子具有了良好的抗风性能，才使竹子成为植物界中的“高层结构大师”．竹子内部是空心的，表面被强度高、韧性好的竹皮包裹着（竹皮常用来编织篮筐，足见其强度、韧性非同一般），这种结构保证了竹子不增加自身重量的前提下，大大提高其抗弯、抗扭强度．这一点也可以在人类和动物的骨骼上得到体现，空心的骨骼重量较轻，但具有极强的抗弯能力和抗断能力，假如骨骼是实心结构，无疑会导致人体和动物身体笨重，造成行动迟缓，也会大大增加骨折的危险性．由此来解释梁柱设计时往往把钢筋布置在构件外围，其原理如出一辙．并进一步说明结构布置时，有效抗侧力构件应放在结构的外围，而不应是在结构的内部[2]27-35．

实例5 讲述结构中楼梯的设计，可用登高时使用的木板和竹梯子为例，木板和竹梯子分别是板式楼梯和梁式楼梯的原始模型（图3）．可让学生利用木板和竹梯子登高，使其直观感受木板和竹梯子的受力及变形，再来讲解楼梯的设计，从而加深学生对楼梯受力、传力的理解．这些结构原始模型也能使学生进一步体会到结构来源于生活实践．此时也可以提一下汶川地震中楼梯的破坏情况，汶川地震造成了大量楼梯破坏，甚至楼梯板断裂而使得逃生通道被切断．可见，结构中楼梯虽不起眼，但其重要性却不容忽视．

木板

图3 楼梯及其原始模型

实例6 落水之人为保命必朝最近的岸边游去，其理同于荷载按最短路径传递的原则．而荷载按刚度分配的原则，正是我们常提起的“能者多劳、能者多得”的社会理论．此时可以提一下刚度的概念，可举人手握树枝，使树枝处于水平，当树枝伸出长度较短时基本感觉不到其弯曲，随树枝伸出长度的增加其弯曲程度越来越明显，以此来说明等截面构件长度越长，其抗弯刚度越小，弯曲变形越大．其实，结构中四边支承的矩形楼板是单向板还是双向板，表面看起来是取决于两个方向的跨度比，实际上是由两个方向刚度比决定，两个方向跨度相等或接近（实质是两个方向刚度相当），则荷载沿双向传递；两个方向跨度相差较多（实质是两个方向刚度相差悬殊），则荷载主要单向传递（沿短向传递很多，沿长向传递很少）．此外，在超静定结构中“能者多劳、能者多得”体现为“哪里刚度大，哪里内力大”，结构刚度犹如一个内力的“指挥棒”，指挥着内力的传递和分布．

实例7 讲述结构构件抗震能力主要取决于利用其变形能力，即通过延性耗能的能力时，以人乘公交车为例，人直立在公交车上，公交车突然启动时（形同地震发生），如人能有充分的身体变形可站立不倒，如保持立正状态，则人体受力较大，有倾覆之虞[3]．《老子》中说：“柔弱胜刚强”，由此，为何世界上不少地震频发国家广泛采用隔震、消能减震结构，其道理也就不难理解．顺便也可以让学生思考一下结构是越刚越好（变形小）还是越柔越好（变形大）？此时，可介绍一下中国文化的基本特征之一的“刚柔相济”．俗话说，刚中有柔，柔中有刚，二者相互依存，缺一不可．中庸之道强调，无论是为人处世、人生规划、企业管理都要遵循“刚柔相济”的原则，做到恰到好处．“道”是相通的，将“刚柔相济”的思想运用到结构设计中，做到结构具备合适的刚度，既要保证变形控制在允许范围内，又要经济合理．

实例8 讲述建筑结构为何大多为超静定结构，鲜见静定结构．可设想人平躺在床上，如若仅以头部和脚后跟与床接触，人体为静定结构，可人扛不住；随着与床的接触点增多，超静定次数也增加，人体就会感觉越舒服，改善了人体受力[4]．以此说明结构的超静定次数越多，结构的承载能力越高，结构抵抗破坏的防线越多．进而联想到悬索结构，如悬索桥，其基本原理就显而易见．

[1][美]D L.斯科台克.建筑结构（第四版）[M].福午，等，译.北京：清华大学出版社，2005．

[2]林同炎.结构概念和体系（第二版）[M].北京：建筑工业出版社，1999．

[3]王广利．《建筑结构》课程教学改革与实践[J]．福建建筑，2013（2）：119-120.

[4]方德平.《材料力学》教学中的几个实例[J].力学与实践，1996（5）：61.

（责任编辑：郑宗荣）

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

王广利（1975-），男，山东威海人，福建黎明职业大学讲师，主要研究建筑力学与结构学.

2014年福建省高等学校教学改革研究项目（项目编号：JAS14854）阶段性成果