通用技术.必修:技术与设计.2 / 刘琼发主编.

中 教 科 书

批准编序号：鲁发改价格核〔2019〕945017 举报电话：12358 定价：11.32元

必修

技术与设计2

·广    州·

主    编  刘琼发

出 版 人：朱文清 策划编辑：莫志坚  责任编辑：林　雁  　 装帧设计：友间文化 责任校对：李云柯 责任印制：吴华莲

出版发行：广东科技出版社

（广州市环市东路水荫路11号　邮政编码：510075）

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批准文号：粤发改价格〔2017〕434号　举报电话：12358 广州：广东科技出版社，2019.7（2020.1重印）

　　ISBN 978-7-5359-7137-1   

　 Ⅰ.①通…　Ⅱ.①刘…　Ⅲ.①通用技术—高中—教材 

Ⅳ.①G634.931

　　中国版本图书馆CIP数据核字（2019）第120240号

通用技术　必修　技术与设计2

Tongyong Jishu Bixiu Jishu yu Sheji 2

编 写 单 位  广东科技出版社有限公司 主　　　编  刘琼发

副  主  编  李  榕  周卫星  朱美健  席春玲 本 册 主 编  李  榕

本册副主编  周卫星  袁达人

编 写 人 员  李  榕  常鸿森  周卫星  郑永驹 宋向明  林  雁  彭军雄  蔡文俊

《通用技术 必修 技术与设计2》是一门以提高核心素养为主旨，以思想和方法学习 为基础，以设计和操作实践为主要特征，培养同学们实践能力和创新意识，体现科技与人 文相统一的课程。全书围绕“立德树人”的教育目标，以发展素质教育为核心设置学习内 容。通过这本书，同学们将会学到什么呢？

打开这本书，看到结构、流程、系统和控制等名词，你可能会觉得它们有些深奥，

离你的生活和学习都很遥远。你也许会问，学这些有用吗？该怎么学习这门课程？你玩过 射箭或类似的游戏吗？射箭时，你会瞄准目标，用你认为最合适的动作将箭射出。你知道 吗？你射箭的过程，就是对箭进行控制的过程。如果班里要举行一次射箭比赛，你可能要 设计比赛方案，比如安排比赛时间、设置比赛顺序、制订比赛规则等，这些其实就是一个 系统设计。为了能使比赛顺利进行，要安排一些同学准备场地，另一些同学准备器材，当 然还要准备一些奖品，规划这些事情都和流程有关。而弓、箭及靶子的形状、材料等都属 于结构设计要考虑的问题。可见，结构、流程、系统和控制就在你的身边，它们和你的生 活、学习息息相关。

本书将“结构及其设计”“流程及其设计”“系统及其设计”和“控制及其设计”

设置为四个相对独立的专题来讲述，因为它们集中体现了一些典型的、有代表性的技术思 想和方法。通过对这些内容的学习，你将逐步学会运用所学的思想和方法分析技术问题；

通过经历将基础知识应用于技术实践和创新的过程，你会养成实事求是、精益求精的作

风，能运用规范的技术语言和设计制作方法去解决一些实际的技术问题。

那么，怎样来学习这门课程呢？先了解一下本书的结构和体例，也许有助于你的学习。

本书由四章组成，每一章为相对独立的技术与设计专题，专题下有若干节。每一章 都是从同学们身边的或典型的实例入手，引导同学们了解相关技术与生活、生产的密切关 系；在对案例的探究中， 理解四个专题技术的基本概念和相关知识；在参加各种实践活 动中，初步掌握运用技术的基本思想和方法去进行技术的设计和实施；在此基础上，进行 典型结构的欣赏、流程的优化或了解控制中的干扰等。

本书正文和栏目中的版式编排生动、活泼，还附上了许多贴切、有趣的图片。每章 首页扼要地介绍了该章主要内容和学习目标，针对不同的学习内容，设置了“案例”“导 学思考”“思考”“讨论”“分析”“立即行动”“实践”“知识窗”等栏目，帮助你自 主学习、合作学习和探究学习。完成每一章知识的学习后，均设有“综合学习活动”，检 验阶段性学习成果。每章末设有“本章回顾与评价”栏目，帮助你对本章学习内容进行梳 理和回顾，同时从多角度评估你的学习过程、学习结果及核心素养的发展等。

任何一门技术与设计都和科学进步、社会发展、环境保护、经济水平、文化意识等 有着紧密的联系，它往往需要多种技术知识的综合运用才能够完成。希望你能够将所学的 知识融会贯通，灵活运用到实际技术问题的解决之中，并拓展到日常的生活、学习和未来 的人生发展中。通过这门课程的学习，将使你具有善于发现技术问题、富于想象、敢于批 判的精神，并能试着用学过的知识和技能去进行创新。本书所涉及的技术思想和方法具有 广泛的应用价值，也是你学习各门选择性必修课程的基础，希望对你今后的生活、学习以 及成长具有深远的意义。

编者 　　　 　　

装帧设计：友间文化 责任校对：李云柯 责任印制：吴华莲

出版发行：广东科技出版社

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规　　格：890mm×1 240mm  1/16　印张₁₀　字数220千 版　　次： 2019年10月第1版　

　　　　　2019年10月第1次印刷 定　　价：11.32元

批准编序号：鲁发改价格核〔2019〕945017　举报电话：12358

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第一章  结构及其设计

第一节　认识结构

一、感知不同的结构  ……… 002

二、认识结构与力  ……… 005

三、了解结构的分类  ……… 008

第二节　探究结构

一、结构的稳定性  ……… 012

二、结构的强度  ……… 015

三、结构的连接  ……… 021

四、结构的强度和稳定性试验  ……… 022

第三节　结构设计

第四节　典型结构的欣赏

一、建筑结构与历史、文化  ……… 035

二、建筑结构与技术  ……… 037

综合学习活动

本章回顾与评价

一、流程  ……… 044

二、工作流程和工艺流程  ……… 046

第二节　流程的组成与描述

一、流程的基本组成  ……… 053

二、流程的描述  ……… 058

第三节　流程的设计

一、流程设计的基本因素和步骤  ……… 063

二、流程的设计与实践  ……… 066

第四节　流程的优化

一、流程优化的目的  ……… 069

二、流程优化的步骤和方法  ……… 072

综合学习活动

本章回顾与评价

第三章  系统及其设计

第一节　认识系统

一、什么是系统  ……… 083

二、系统的主要特性  ……… 088

第二节　系统分析

一、系统的思想方法  ……… 094

二、系统分析的基本方法  ……… 095

第三节　系统的优化

一、系统优化的意义  ……… 102

二、影响系统优化的因素  ……… 103

第四节　系统的设计

一、系统设计的基本方法  ……… 109

二、简单系统的设计  ……… 115

综合学习活动

本章回顾与评价

一、控制  ……… 122

二、手动控制  ……… 126

三、自动控制  ……… 127

四、智能控制  ……… 128

五、开环控制和闭环控制  ……… 129

第二节　控制系统的组成和描述

一、控制系统的组成  ……… 132

二、控制系统的框图表示  ……… 135

第三节　简单控制系统的设计

一、控制系统设计概论  ……… 138

二、设计实例  ……… 139

第四节　控制中的干扰

一、干扰对控制功能的影响  ……… 145

二、克服干扰的基本方法  ……… 146

综合学习活动

本章回顾与评价

环视我们的周围，大到摩天大厦、跨海桥梁，小至图钉、回形针等，它们都有结构。结构普 遍存在于自然界以及人类创造的各种物体中。当人们进行物品设计时，结构设计往往是不可缺少 的，它既可以让物品实用、美观，也可以使其稳固和安全。结构通常需要抵御外力的作用，所以 稳定性和强度是结构设计时必须考虑的重要因素。各种结构展示了人类的智慧和创新能力，也给 我们带来了美的享受。

学习目标

从力学的角度理解结构，理解结构对技术产品及其功能实现的独特价值。

了解结构的一般分类和简单的受力分析方法。

学会分析影响结构稳定性和结构强度的因素，能够写出试验报告。

能进行简单的结构设计，学会绘制设计图样，并做出原型或模型。

能从文化和技术的角度欣赏并评价典型结构。

一

第 一 ^{节　认识结构}

“一桥飞架南北，天堑变通途”，我国在万里长江上修建的第一座铁路、公路两用桥 梁——武汉长江大桥（图1-1），于1957年10月15日正式通车。全桥总长1 670m，其中 正桥1 156m，北岸引桥303m，南岸引桥211m。大桥的上层为公路，双向四车道，两侧有 人行道；下层为复线铁路，两列火车可同时对开；从基底至公路桥面高80m。桥梁的结构 是钢桁架三孔连续梁，钢梁设计三联，每联三孔，共8墩9孔，每孔跨度为128m，桥下可 通万吨巨轮。正桥的两端建有民族风格

的桥头堡，高35m，从底层大厅至顶亭 共7层。桥头堡的堡亭设计为四方八角，

上有重檐和红珠圆顶，有电梯和扶梯供 行人从底层直接上到大桥的公路桥面参 观，眺望四周，望大江东去，整个武汉 三镇连成一体，尽收眼底。武汉长江大 桥的建成，连通了京广线，成为连接我 国南北的大动脉，对促进南北经济的发 展起到了重要的作用。

导学思考

桥梁设计需要考虑结构问题，那么结构是什么？

一、感知不同的结构

结构是指事物的各个组成部分之间的有序搭配和排列。结构普遍存在于自然界和 人类创造的各种物体中，形式多种多样。

蜜蜂是自然界中卓越的建筑大师，蜂 巢的结构精巧又美观。蜂巢由几千甚至数 万间蜂房组成（图1-2），每间蜂房都是 大小相等的六棱柱体，底面由3个全等的 菱形面封闭起来，形成一个倒角的锥形，

每排蜂房平行排列并相互嵌接。对于群居 的蜜蜂而言，这种结构的居住空间用材最 少且容积最大。

图1-1  武汉长江大桥

图1-2  蜂巢

图1-3  摇摇板

摇摇板（图1-3）由几块 弯曲的木板插接而成，结构 简单，动感无穷。摇摇板的 结构设计要求能够承载儿童 的重力，能摇晃但不倾覆，

也不发生明显的变形，以保 证安全。

建筑物的结构必须坚固、稳定性好，还要能够抵御强风、地震等自然灾害的破坏。

长城（图1-4）是世界上伟大 的古代建筑奇迹之一，是中华民族 的骄傲与象征。长城由砖筑实体结 构构成，西起甘肃嘉峪关，东至河 北山海关，全长约6 300 km。长城 以悠久的历史、浩大的工程、雄伟 的气魄著称于世。

图1-4  长城

山西应县佛宫寺木塔（图1-5）是我国 现存最高的一座木结构塔式建筑，始建于 1056年，塔高67 m，1961年被定为全国重点 文物保护单位。它经历了近千年的风雨和地 震的考验，仍然完整地屹立着。

图1-5  佛宫寺木塔

桥梁的结构则必须能承受自身的重力，桥上人、车辆的荷载以及风力和水流的冲击力 等，如武汉长江大桥等。

实践

这是一座不需要任何绳索、钉子或其他 紧固件就能支撑起来，而且能保持平衡和承 载一定重量的桥（图1-6）。它最早出现在 达·芬奇500多年前的手稿中。这种桥完全依 靠自身的交叉排列结构，让每一个部件环环 相连，最后通过摩擦力和重力支撑起来。

两人一组，分别用圆柱形一次性筷子和

扁平形冰棍棒（或方形木条）各15根，根据图1-7搭建如图1-6所示的桥，要求不能使用 紧固件（如钉子、绳或黏合剂等）。

图1-7  自承式桥的制作简图

讨论

1．用这两类材料搭建自承式桥时，发现了什么问题，可采用什么方法解决？

2．分别对两座桥加同样的荷载（如书等），讨论观察到的现象。

自然界中的物体都有其特定的结构。人们通过对自然界中结构的分析和研究，将其应 用于技术领域，更好地为人类服务。

立即行动

为什么荷叶（图1-8）能出淤泥而不染？科学家通 过显微镜观察后发现，荷叶表面上有许多微小的绒毛和 蜡质凸起物，雨水落在荷叶上面，铺不开、渗不进，只 化作一粒粒水珠滚落下来，还顺道儿带走了荷叶表面的 灰尘，从而使叶面始终一尘不染。科研人员对荷叶的

图1-6  自承式桥

图1-8  荷叶

“自净”结构进行研究，并将这项技术应用于生产建筑涂料、服装面料、厨具面板等需要 耐脏的产品。讨论荷叶的这种结构还能应用到哪些领域中？

人们还根据自然界中物体的结构设计出了不同的产品，如图1-9所示。

二、认识结构与力

从力学的角度看，结构是指可承受一定力的物体形态，结构可以抵抗能引起形状 和大小改变的力。在各种各样的结构设计中，人们都需要考

虑力的作用，那么结构与力的关系是怎样的呢？

椅子是我们日常生活中经常使用的家具之一，当人坐在 椅子上时（图1-10），椅面需要承受人的重力，椅腿承受椅子 自身和人的重力，椅背要能够承受人体向后的压力，并保持结 构基本不变。为了使椅子在力的作用下，不发生几何形状的过 分改变，常用的方法是在椅腿之间增加横档，以保持其稳固。

由此可知，在椅子的设计中，其结构必须要能够承受其功能所 对应的外力。在工程中，将组成各类结构的部件和零件称为构 件，如椅面、椅背、椅腿和横档就是椅子的构件。

立即行动

1．如图1-11所示，桥在承受外力时，它的形状有明显的变化吗？从受力的角度比 较图1-10椅子和图1-11桥的共同之处。

图1-10  人坐在椅子上 图1-9  仿生产品

图1-11  人走在木桥上 图1-12  钢结构雨棚

2．根据组成椅子的构件及构件的含义，分析图1-12钢结构雨棚的构件有哪些，

这些构件的功能是什么，并填入表1-1中。

表1-1  钢结构雨棚的构件分析

钢结构雨棚的构件 功能

通过对椅子、桥梁和钢结构雨棚受力情况的讨论和分析，可以发现这些结构都具有一 定的形状，都需要承受外力的作用，在一定范围内都具有抵御其形状改变的能力。

物体的结构由其构件组成，下面我们通过实践活动了解构件在受到外力作用下的5种 变形形式，即拉伸变形、挤压变形、剪切变形、弯曲变形和扭曲变形。

实践

请同学们取出一张纸，折叠成条状，将纸条看成是组成结构的构件。

1．两手抓住纸条两端，如图1-13a所示同时向外拉伸，观察纸条产生怎样的变形。

2．两手抓住纸条两端，如图1-13b所示同时向内挤压，观察纸条产生怎样的变形。

3．两手抓住纸条两端，如图1-13c所示分别向不同的方向旋转，观察纸条产生怎样的变形。

4．将纸条两端放在分开的两摞书上，如图1-13d所示，用手指在纸条上向下用力，

观察纸条产生怎样的变形。

5．用两手的食指和中指夹住纸条（纸条与地面平行），并紧贴在一起，如图1-13e 所示，两手分别向上、向下（与地面垂直）用力，观察纸条产生怎样的变形。

图1-13  构件在各种外力作用下不同形式的变形 b. 挤压变形

a. 拉伸变形 c. 扭曲变形

d. 弯曲变形 e. 剪切变形

合理的结构设计，一般要求构件能够承受一定范围内相应的力而不至于使构件受到破 坏，如单杠横杆要能承受弯曲变形的力（图1-14）、桌子要能承受压力（图1-15）、螺丝 刀要能承受扭曲变形的力（图1-16）、拔河用的绳子要能承受拉力（图1-17）。而我们使 用剪刀时，剪刀的剪切能力越强，则剪切效果越好（图1-18）。

图1-14  单杠横杆承受 弯曲变形的力

图1-17  绳子受拉

图1-16  螺丝刀受扭曲变形的力

图1-18  纸被剪切 图1-15  桌子受压

在我们刚开始设计结构时，往往较难确定作用在每一个构件上力的不同形式。而对于 一些简单的结构设计，我们可试着利用学过的知识找出哪些力正在起作用。

立即行动

墙壁悬臂固定篮球架实物如图1-19a所示，从它的简图（图1-19b）可观察到拉杆 构件承受拉力，撑杆构件承受压力。根据墙壁悬臂固定篮球架构件的受力情况，分析图 1-20索拉桥简图的构件分别受到什么力。

a. 实物 b. 简图

荷载 撑杆

拉杆

图1-19  墙壁悬臂固定篮球架

图1-20  索拉桥简图

三、了解结构的分类

结构的分类多种多样，从形态方面考虑，通常可以将结构分成3种基本类型：实体结 构、框架结构和壳体结构。平遥古城（图1-21）、桥墩、铅球等都是实体结构，木屋（图 1-22）、悬索桥铁架、幼儿学步车等都是框架结构，汽车车身外壳（图1-23）、悉尼歌剧 院等都是壳体结构。不同的结构类型具有不同的特征和受力特点。

图1-21  平遥古城 图1-22  木屋 图1-23  汽车车身外壳

立即行动

1．请说一说图1-24中结构的类型。

图1-24  各种结构

实践

通过下列技术试验，分别归纳出实体结构、框架结构和壳体结构的受力特点。

1．将木块垒成墙的形状（图1-25），用手分别压和推木墙。观察木墙的变形，分析 其受力的情况。

图1-25  压力和推力试验

实体结构的特点：       

        2．用木条制作三角形木框和四边形木框，并采用相同的方法固定。分别对它们进行 按压和拉伸试验（图1-26），观察框架的变形，分析两种框架结构受力的情况。

图1-26  按压和拉伸试验

框架结构的特点：       

        3．取两张具有一定厚度的纸，一张平放在高度相同的分开的两摞书上，另一张弯成 弧形，并将纸边固定（图1-27）。分别在这两种形状的纸上放相同重物，比较它们受力 时的变形情况。

图1-27  承重试验

壳体结构的特点：       

实体结构利用自身来承受荷载，主要承受压力。

框架结构通过条状物的连接来承受荷载，既能承受压力又能够承受拉力。

壳体结构通过壳形来传递力和承受荷载，特别是当壳形顶部受到压力时，

它能将力均匀扩散。

立即行动

1．大连贝壳博物馆外部为钢结构壳体，呈半椭球形（图1-28）。试分析壳体结构是 如何承受和传递力的，可以结合贝类和硬壳类果实的形状进行讨论。

2．图1-29为混凝土重力坝，试分析大坝的结构为什么是底宽顶窄的。

图1-28  大连贝壳博物馆 图1-29  混凝土重力坝

3．许多结构往往是实体、框架、壳体等基本结构的组合形式。试分析图1-30和图 1-31的建筑物由哪些基本结构组成，各结构分别有什么作用。

图1-31  桥梁 图1-30  拱顶建筑

习　　题

1．如图是2008年北京奥运会主会场“鸟巢”，请利用学过的结构分类知识，分析其 主体结构是什么类型，并查阅资料说明采用这种结构类型的优点。

第1题图

2．为什么轻轻一敲鸡蛋它就会破，而把鸡蛋放在手心，用力握它，它也不容易破？

3．举几个组合结构的例子，并分析它们是由哪些基本结构组成的。

第 二 ^{节　探究结构}

2010年2月27日（当地时间），智利中部发生了8.8级地震，震中距智利第二大城市康 塞普西翁100km，距首都圣地亚哥320km。这是全球有记载以来的第七大地震，令人惊讶的 是，在地震中，圣地亚哥、康塞普西翁的大部分建筑仅出现程度不等的开裂和倾斜，并没 有发生整体倒塌。

智利位于环太平洋地震带上，每隔20年左右就会发生一次特大地震。频繁的强震不 仅强化了民众的防灾意识，还造就了智利“坚不可摧”的房屋。当地建筑物在设计和建造 时，都要符合抗击9级地震的建筑标准。“强柱弱梁”是智利建筑的一大特点：发生大地 震时，脆弱的房梁断裂，使地震释放的能量得到缓冲；而坚固的房柱则不折断，避免了房 屋的整体倒塌，有效减少伤亡人数。

导学思考

怎样才能使结构稳固？结构稳固与哪些因素有关？

一、结构的稳定性

结构的稳定性是指结构在荷载的作用下维持其原有平衡形式的能力。影响结构稳固的 因素有哪些呢？让我们通过下面的学习共同探讨。

实践

在日常生活中，人们经常会用到A形铝梯（图1-32），使用A形铝梯时，需要将两梯 面打开呈“人”字形（梯面间的横杆必须平直），使4个梯脚与地面接触。一般来说，A形 铝梯最大承重为85kg，梯脚对地面绝缘电压为800V。请同学们根据A形铝梯的特征，完成 以下分析与实践活动。

1．分析当人站在A形铝梯 上时，A形铝梯两梯面和横杆构 件的受力情况。

2．用2根相同的长木条、1 根短木条及自选连接物制作一个 简易装置，如图1-33所示。设

计试验过程，完成A形铝梯几何 图1-32  A形铝梯 图1-33  简易装置图

形状稳定性模拟试验。

3.  根据受力分析和试验情况，讨论A形铝梯为什么能够承受人体的压力，以及在设计 铝梯时如何在几何形状上保证其稳定性。

三边确定的三角形构成稳定的几何结构。A形铝梯的两梯面和横杆构成三角形的几何结 构，就是利用几何形状保证结构的稳定性。一般情况下，梯子打开时，梯面与地面组成三 角形，梯子本身就能站稳。当连接两个梯面的横杆拉直时，两个梯面的上半部分就与横杆 构成了稳定的三角形，这就进一步加强了梯子的稳定性，保证了梯子能承受人体的压力。

建筑工程中广泛运用了三角形的稳定性，如房子、桥梁的桁架，钢架结构的十字钢 梁，空调支架（图1-34）等。在四边形的框架中加杆件作对角线，形成多个三角形，能有 效加强结构的强度和稳定性，同时也节省了用料和减轻了结构的质量（图1-35）。

图1-34  空调支架

A D

B

C

图1-35  四边形框架

从以上的结构设计例子中，我们知道几何形状是保证结构稳定性的因素。影响结构稳 定性的因素还有哪些？请通过下面的实践活动进行探究。

实践

1.  将物体放置在一个平面上，连接物体所有支撑点的平面就是支撑面。分析台灯和 椅子（图1-36）的接触面和支撑面分别是什么，接触面和支撑面有什么区别？

2.  在保证支撑面一样的情况下，结构重心是否会影响其稳定性？将3个瓶子（自重忽 略不计）放在同一平面上（图1-37），调整该平面的斜度，看看哪个瓶子会先倒下。

3.  使图1-38的框架慢慢倾斜直至倒下，观察在此过程中其重心垂线和支撑面存在什 么关系。

通过以上实验，你能总结出影响物体结构稳定性的因素吗？

图1-38  框架结构 图1-37  3个瓶子

图1-36  台灯和椅子

结构的稳定性与它的几何形状、支撑面面积的大小和重心位置密切相关。结构要达到 稳定，首先，整体几何形状必须科学合理；其次，支撑面面积越大，重心越低，其稳定性 越强。因此，在进行结构设计时，要尽可能使结构所受的重力集中在底部，降低重心，并 使其重心垂线落在支撑面内，从而提高结构的稳定性。

立即行动

如图1-39所示的物品为什么不易倾倒？

图1-39  一些常见物品的稳定性设计

落地风扇 落地灯 电脑显示屏 不倒翁

你参加过跨栏跑训练（图1-40）吗？你知道在跨栏跑过程中，为什么有时L形栏架会 倾覆吗？

如图1-41所示是L形栏架的侧视图，外力（碰触、风力）F对转动轴O的力矩将会引起 L形栏架倾覆，而栏架的重力G对轴O的力矩起抵抗倾覆的作用，以保持L形栏架的稳定。

当倾覆力矩大于抗倾覆力矩时，栏架就要绕轴O按逆时针方向转动；反之，栏架就保持其 稳定平衡状态不变。

图1-41  L形栏架的侧视图 图1-40  跨栏跑的过程

◎力矩

力和力臂的乘积叫作力对转动轴的力矩。力对物体的转动作用取决于力矩 的大小，力矩越大，力对物体的转动作用越大。

讨论

为什么人在跨栏跑时，不能从与图1-40相反的方向跨栏？

二、结构的强度

（一）强度与应力

构件在没有受到外力作用时，其内部质点之间就已经存在着相互作用力，这种作用力 使各质点之间保持一定的相对位置，并使构件维持一定的形状，这时构件内各质点之间的 相互作用力称为固有内力。

当外力作用于构件时，构件产生变形，原来各质点在固有内力作用下的平衡状况被破 坏，各相邻质点之间产生了附加的相互作用力，这种相互作用力称为附加内力。在讨论构 件的强度等问题时，常将附加内力简称为内力。

内力是由外力引起的，是对变形的一种抵抗。一般来说，外力越大，则构件的内力越 大。当内力达到一定数值时，构件就会被破坏。在工程技术中，不允许任何构件在正常工 作情况下被破坏，这就要求构件必须具有抵抗被破坏的能力，这种能力称作强度。

从强度角度看，外力越大，构件内力也随之增大，构件被破坏的危险性就越大，但仅 仅凭内力的大小还不能确切反映一个构件的危险程度，那么它还与什么有关呢？我们可以 通过一个小试验来探究。

实践

在横杆上悬挂两根同一种材料（如泡沫等）做成、但粗细不同的直杆（图1-42），

分别在直杆的挂钩上逐一加上相同的重物，直至其中一根直杆断裂为止。

图1-42  承重试验

◎警示

直杆断裂及重物 下坠时要注意安全！

以上两根直杆在相同拉力的作用下，被破坏的程度一样吗？为什么？

案例

上述试验表明，在外力与材料不变的条件下，构件被破坏的程度还与它的横截面面积 有关。

构件单位横截面面积所受的内力称为构件的应力。应力、内力和横截面面积之间的关 系为：

σ = N A σ — 应力 N— 内力

A — 横截面面积

国际单位制中，应力的单位是帕，符号是Pa。在工程上常使用兆帕（MPa）作为单位。

面积的单位是平方米，符号是m²。内力的单位是牛，符号是N。

由以上公式可知，在内力不变的情况下，构件的横截面面积越大，应力越小，危险性 就越小。同截面垂直的应力称为正应力或法向应力，同截面相切的应力称为剪应力或切应 力。如柱体垂直受压时，其横截面上的应力就是正应力；物体被剪切时，剪切面上就有剪 应力；而梁弯曲变形时，其横截面上除了具有正应力外，还有剪应力。

以上我们学习了结构的强度，下面具体分析在结构设计中应如何考虑强度因素。

建筑物的支柱是怎样承受压力的？

如图1-43，支柱受到3个外力的作用：梁及荷载对 支柱的压力P，支柱本身的重力G，基础对支柱的支撑 力N。

根据力的平衡条件：N  = P  + G，支柱维持平衡 状态。

支柱在外力的作用下被压缩，同时支柱的内部也 会产生一种力抵抗外力，这种力就是前面所说的内力。

当支柱的工作应力超过支柱材料的许用抗压应力时，支 柱就可能出现裂纹甚至断裂。

根据应力的理论，支柱产生变形或被破坏的危险 性并不是处处都一样的。由于支柱与基础的结合处既要 承受梁及荷载的压力，又要承受支柱自身的全部重力，

因而此处截面的应力应最大（图1-44）。为了保证支 柱在一定荷载下不被破坏，就必须准确计算出最大的工 作应力，合理设计柱体的大小，使支柱有足够的强度，

这样才能确保安全，同时也避免浪费材料。

图1-44  建筑物的支柱 图1-43  支柱受力分析

N

G

P

L

l - ^l l l

图1-44是一混凝土方柱的示意图，支柱的横截面为边长L=400mm的 正方形，支柱顶受轴向压力P=45kN，支柱重力G=22kN，求支柱的底截面 l-l上的应力。

解：假想用平面在截面l-l处截开，取柱为隔离体，根据平衡条件可得 P + G - N =0

N =P＋G =45kN＋22kN=67kN=67 000N 求应力

σ =   = 67 000N 0.4m×0.4m N

A

  =418 750N/m²   ≈0.419MPa

立即行动

你参加过拔河比赛吗？拔河用的绳子通常是用多股细绳绞合在一起做成的，试着分析 这样设计的目的。同样的原理还运用到了生活中的哪些物品中？

（二）强度与材料

我们都会有这样的体验，用手轻轻挤压纸杯，纸杯就会变形；而用同样的力挤压不锈 钢杯，不锈钢杯的外形则无明显改变。这一简单的例子反映了什么？

实践

许多现代的建筑物都是用钢筋混凝土梁、柱构成框架的。混凝土能承受压力，但 不耐拉力。图1-45所示为混凝土梁受荷载的情况，它上部受到压力被挤压，下部受到拉 力被拉伸。

荷载

图1-45  混凝土梁受荷载的情况

（1）根据混凝土梁受荷载的情况，讨论混凝土梁存在的弱点。

（2）根据图1-46所示钢筋混凝土梁受荷载的情况，解释钢筋混凝土梁较混凝土 梁的优点是什么？

钢筋

钢筋 混凝土 荷载

图1-46  钢筋混凝土梁受荷载的情况

（3）如果在建筑物建造过程中，未按照设计要求在钢筋混凝土梁中放置规定数量的 钢筋，则钢筋混凝土梁在受到相应的荷载时将会发生什么情况？

结构的强度与其所用材料有关，不同材料构成的结构，其强度各不相同。

（三）强度与形状

实践

请分组完成下列试验。

试验一：如图1-47，将3根木条叠放在一起，放在两摞厚度相同的书上，然后在木条 上悬挂重物，逐渐增加悬挂物的质量，观察木条的变形情况。

试验二：将试验一中的3根木条沿长边相互粘接（图1-48），形成一个三棱柱体，放在 与试验一相同厚度的书上，重复试验一的操作，记录三棱柱的变形情况。

图1-48  承载试验二 图1-47  承载试验一

比较试验一和试验二中木条的变形情况，可得出结论：       

结构的强度还与构件的形状有关。人们常常把构件做成一定的形状，如工业生产中的 工形横梁、角钢、管材等型材。由于这些型材在相同结构强度的情况下，具有用料少、质 量小等优点而被广泛应用。如图1-49是横截面形状像工字的金属横梁，被称作工形横梁。

工形横梁被广泛应用于建筑工程中，构成建筑物的骨架。

图1-49  工形横梁

立即行动

构件的横截面形状亦极大地影响它的强度。图1-50所示的具有相同横截面面积、不 同横截面形状的同种材料，在承受相同荷载时，哪一种的强度最大？为什么？

图1-50  不同截面形状的构件

薄板材料也可以通过折叠改变其形状以达到增加强度的目的。如图1-51所示，通过折 叠薄钢板的边缘，就构成了具有一定强度的板架。类似地，现代汽车上的薄板通过精心 的折叠设计，可达到所需要的强度，如图1-52所示。一张软纸，可以通过折叠成可伸缩 的形状（手风琴式）而得到加固，也可以紧紧地卷成管状以进一步增强它的强度，如图 1-53所示。

图1-51  薄钢板折叠构成的板架

图1-53  软纸折叠成可伸缩的形状和卷成管状 图1-52  汽车上的薄板折叠设计

构件材料的形状不同，其承受力的情况也不同，图1-54中构件材料的横截面形状 适用于承受拉力，但不适用于承受压力；图1-55中构件材料的横截面形状适用于承受 压力，也适用于承受拉力。

图1-54  构件材料（1）  图1-55  构件材料（2）

线状 平板状 工字梁 角梁

立即行动

1．如果用钢丝来加固框架结构（图1-56），是否能够起到增强结构强度的效果，为 什么？应在哪个位置加第二个构件？如果框架结构采用角钢来加固（图1-57），并已达 到结构强度要求，就不需要再增加第二个构件AC了，为什么？

图1-57  角钢加固 A

C B

D 图1-56  钢丝加固

钢丝 A

C B

D

2．图1-58为两种画框的结构简图，请问哪种画框结构强度较大，为什么？

a b

三、结构的连接

我们通常说的连接就是通过一定的方式把两件或两件以上的物体连在一起。同样，结 构的连接也是通过一定的连接物将构件组成整体结构。科学、合理的连接，不仅可保证结 构或构件的形状稳定，还能提高结构的强度，使它足以支撑自身质量及荷载。

让我们通过下面的活动，观察连接对结构稳固的影响。

实践

试用扑克牌搭建如图1-59所示的结构，搭建时分别采 用粘接和不粘接的方法，比较这两种方法所搭建的结构在承 载一副扑克牌时出现的情况是否相同，并说明原因。

表1-2  连接对结构稳固的影响 

方法 现象 原因

粘接 不粘接

构件连接处的强度是影响整个结构强度和稳定性的重要因素，而构件连接处的强度取 决于它的连接方式、连接技术和连接处的牢固程度等。

榫卯泛指在两个木构件上采用凹凸结合的连接方式，是中国古代建筑、家具及其他木 制器械的主要连接方式（图1-60）。凸出部分叫榫（或榫头），凹进部分叫卯（或榫眼、

榫槽），榫和卯咬合，起到连接作用。在实际应用中有许多种榫卯。

图1-60  榫卯及其应用

a. 榫卯 b. 榫卯连接的小凳

生活经验告诉我们，榫卯连接的木椅比钉接的稳固、不易变形。在实际结构中，各构 件的连接方式是多样的。除上述的榫卯连接外，常见还有铰接（图1-61）、螺栓连接（图 1-62）、胶接、绳系、焊接（图1-63）、铆接（图1-64）等。

图1-59  扑克牌搭建的结构

a. 对头焊接 b. 搭头焊接

图1-63  焊接 图1-64  铆接 

图1-62  螺栓连接 图1-61  铰接  

知识窗

构件的结点

一般我们把构件间的连接区叫作结点，结点有以下两种。

1．铰结点：被连接的构件在连接处不能相对移动，但可相对转动，即可以传递力，

但不能传递力矩。具体有松螺栓、销接等，如机械连杆与滑块的连接、折叠伞的伞骨架之 间的连接等。

2．刚结点：被连接的构件在连接处既不能相对移动，又不能相对转动；既可以传递 力，也可以传递力矩。具体有胶接、焊接等，如自行车三脚架的连接等。

建筑工程上普遍使用的钢架就是用刚结点连接各杆件所组成的结构；桁架则是用铰结点 连接所组成的结构，由于桁架各杆只受轴向力作用，应力分布均匀，材料可得到充分利用。

立即行动

1．说说A形铝梯各构件间采用的是什么连接方式，这样的连接方式有什么好处？

2．列举铰接、螺栓连接、胶接、绳系、焊接、铆接等连接方式在工农业生产和日常 生活中的具体应用。

四、结构的强度和稳定性试验

技术试验是解决技术问题的重要方法。技术试验有多种作用，如通过对不同材料进行 强度试验，可选择出符合设计要求的材料；对结构进行加载模拟试验，可检测或改进结构 的强度。技术试验有多种方式，如撞击试验、承载试验和模拟试验等。

下面我们一起来学习如何进行技术试验，通过技术试验加深对本章知识的理解，以及 了解影响结构强度和稳定性的多种因素。

实践

技术试验一

1．将3条长30cm、横截面为10mm×10mm的木棍销接在一个圆 盘上，组成一个三脚架（图1-65）。将三脚架放在光滑的台面上，

在三脚架上加载重物，观察三脚架的几何形状会发生什么变化，并 记录在表1-3中。

表1-3  试验记录（1）

序号 重物的质量 观察到的现象

2．在三脚架的3条腿处拴上橡皮筋（图1-66），重复试验1的 加载过程，观察橡皮筋的变化，并记录橡皮筋的长度变化。橡皮筋 发生的变化说明了什么？ 

表1-4  试验记录（2）

序号 重物的质量 橡皮筋的长度

3．用弹簧测力计替代橡皮筋（图1-67），重复试验1的加载过程，记录弹簧测力计 的读数。

图1-65  三脚架

图1-66  拴了橡皮 筋的三脚架

表1-5  试验记录（3）

序号 重物的质量 弹簧测力计的读数

讨论

1．在三脚架结构承载重物时，如何保持其几何形状基本不变？

2．如果采用在三脚架各边增设横档的方法对三脚架结构进行改进，使其在承载质量 为5kg的重物时，能保持几何形状基本不变，那么在选择横档材料时应考虑哪些因素？如 何将横档与三脚架连接？

技术试验二

设计技术试验方案，对改进后的三脚架结构进行承载试验，并写出技术试验报告。

试验目的

1．检验选择的横档材料是否满足设计要求。

2．检测改进后的三脚架结构是否能承载质量为5kg的重物，并且保持几何形状基本 不变。

3．检测三脚架结构中各构件的连接是否牢固。

试验方案与过程

设计技术试验的方案时，可以从以下几个方面考虑：

1．加载重物的质量要满足要求（可用砝码、沙、石等），加载重物时应均匀增加荷 载并使其均匀分布。

2．应从三脚架的结构、构件的强度和连接的可靠性等方面进行试验评定。

3．根据试验方案和要求，设计记录的内容。

以小组为单位，分工合作。可参考表1-6自行设计技术试验报告的栏目。

请同学们对承载试验中发现的不足，提出改进建议。

图1-67  加了弹簧测 力计的三脚架

表1-6  技术试验报告

       试验小组：              试验日期：      

报告名称

试验目的和要求

仪器设备及所需材料

试验方案

试验记录

数据整理

试验评定

交流

各小组交流和展示技术试验方案和试验评定。以班级为单位，讨论各组技术试验的优 缺点，比较各组试验结果的差异并分析其原因。

习    题

1．在相同尺寸的一根竹竿和一根脆性塑料杆上不断加挂相同质量的重物时，发现脆 性塑料杆先断裂，原因是什么？请试着利用所学知识进行分析。

竹竿 脆性塑料杆

第1题图

2．某些支撑阳台的梁做成如图所示的形状，这主要是出于对什么的考虑？请根据生 活中的观察，再列举几个类似的例子。

3．如图所示，由于设计师对杯子的手柄进行了特殊的设计，使得杯子在翻过来时能 够呈45°斜靠，让杯口在不接触桌面或者其他东西的情况下，仍然可以把水沥干，同时 也能有效防止尘埃进入，卫生了许多。请分析这个杯子的稳定性。

4．为什么高楼大厦下层的支柱比上层的粗，且墙体也比上层的厚？

第3题图

支撑阳台的梁

阳台地板

第2题图

第 三 ^{节　结构设计}

赵州桥（图1-68），又称安济桥，是世界上现存最早、跨度最长的圆弧形单孔敞肩型 石拱桥。赵州桥的设计具有许多特点：①它的结构是世界桥梁史上首创的敞肩拱结构。赵 州桥的设计把以往桥梁建筑中采用的实肩（用石料等充填密实）拱改为敞肩拱，即在大拱 两端各并列设置两个小拱，小拱叠于大拱之上，这种做法具有优异的技术性能。首先，可 以提高泄洪能力，减轻洪水对桥的冲击力，保证大桥的安全。其次，敞肩拱比实肩拱节省 了大量土石材料，减轻了桥身自重，减少桥身对桥台和桥基的垂直压力和水平推力，增加 桥梁的稳固性。②采用圆弧拱形式，打破了中国石桥多为半圆形拱的传统。中国古代石桥 拱形大多为半圆形，适用于跨度比较小的桥梁，大跨度的桥梁若选用半圆形拱，就会造成 拱顶过高、桥高坡陡、车马行人过桥非常不便等。圆弧拱形式使石拱高度大大降低，这样 就实现了低桥面和大跨度的双重目的，桥面过渡平稳，车辆和行人过桥都非常方便。③采 取了单孔长跨的形式，河心不立桥墩。改变了传统桥梁建筑中较长的桥梁所采用的每孔跨 度小、坡度平缓的多孔形式，克服了桥墩多不利于舟船航行、妨碍洪水排泄、桥墩长期受 水流冲击、侵蚀容易塌毁的缺点。总之，赵州桥的设计与传统石拱桥相比，在经济性、适 用性、美观性等方面都有了明显的改善和提高。

图1-68  赵州桥

导学思考

赵州桥的结构设计增加了桥梁的稳固性，保证了大桥的安全性，方便了车辆、行人通 行。赵州桥的结构设计给了你哪些启发？

在《 技术与设计1》的学习中，同学们已经知道了什么是设计、设计的一般过程，并 掌握了设计的基本思想和方法。

结构设计属于设计的一种类型，它必须遵循一般的设计方法和过程。

结构设计不但要考虑它的功能要求，还必须考虑它的受力情况、稳定性、强度、连接

方式和材料选择等。除此之外，进行结构设计还要从实用、安全、经济、美观和人性化等 角度综合考虑，并且绘制设计图样等。

防烫锅盖扳手的发明 有一次，我喝完矿泉水之后，拿着矿泉水瓶上的 绿色方便夹（图1-69），发现其结构设计得很巧妙：

把卡口往瓶口上一卡，再夹在皮带上，水瓶就掉不下 来了。方便夹的结构很特别，它能否用在别的地方 呢？有一天，我发现妈妈用抹布包住锅盖钮掀起锅盖 时，不小心烫伤了手。在心疼妈妈的同时，我灵机一 动：能不能用矿泉水瓶的方便夹卡从

锅盖钮的两侧提起锅盖呢？

但 仔 细 一 想 并 不 十 分 合 适 。 首 先，方便夹是塑料做的，不耐高温；

其次，手拿着方便夹的一端竖直向上 提 起 锅 盖 ， 手 会 被 上 升 的 水 蒸 气 烫 伤。用怎样的结构和材料才合适呢？

我试着用木板、铁片、竹子制作，效 果都不理想，且不易加工，制作难度 大。考虑了许久，我先用细铁丝做出

几种不同的结构，经过多次改进，最后改用不锈钢丝代替细铁丝，并确定为如 图1-70的结构：前端（锅盖钮的卡口）呈弯曲上翘的V形，如同张开的两只 手指；后端是不锈钢把手。在试用中又对以下几方面进行了改进：①V形卡口 的大小、弧度、深浅要根据锅盖钮的大小进行调整；②把手的宽窄、长短要合 适，用起来要方便；③不锈钢把手传热快，需用塑料扁电线将把手缠绕起来以便 隔热。至此，发明就完成了（图1-71、图1-72）。

案例

图1-69  矿泉水瓶的方便夹

图1-70  防烫锅盖扳手结构 95mm

175mm

75mm 6号不锈钢丝

锅盖钮卡口

60mm 60mm

图1-71  用扳手卡住锅盖钮 图1-72  用扳手掀起锅盖

以上是一位中学生的发明过程，本设计曾经获得国家专利和全国首届中小学劳动技术 创新作品邀请赛银奖、全国第十三届发明展览会铜奖。这位同学的发明故事告诉我们：

结构设计与发明并不神秘，我们要有创新意识，在日常生活中多观察、多思考、多动 手；在设计与实践中善于发现问题和解决问题，不怕困难和失败，经过不懈的努力才 能成功。

实践

以小组为单位，通过具体的结构设计，进一步理解前面所学的内容。要求形成设计方 案，绘制简单的设计图纸，做出模型，并写出设计和制作报告。

设计1　模型桥的结构设计

◆设计及制作目标

（1）用木条制作桥梁模型，结构形式不受限制。要求结构设计合理，造型美观。

（2）在跨度不小于30cm的前提下，桥长不限；要求桥孔高度不低于15cm，桥面宽度 不小于8cm，承重物的质量不小于500g，承重时间15s以上。

（3）在满足目标及要求的前提下，荷载的质量与桥自身质量的比例越大越好。

◆ 材料与连接方式

模型材料以木条为主，粗绳、细绳为辅，连接方式不限。

◎模型

模型是根据实物、设计图纸，按比例制成的与实物相似的一种物体。它 可以用来检验设计思路，对设计进行修改，有助于更多地了解与模型类似的实 物将会遇到什么情况和出现什么问题，因此模型在设计过程中也被广泛采用。

1．制订设计方案

◆ 收集和整理信息

在设计模型桥之前，先收集一些桥梁的资料，分析这些桥梁的结构类型后再进行 设计。

◆ 发现问题

桥面受到压力时会弯曲变形，如果把作用在桥面上的力传递到其他地方，就可以避免 桥面不过分弯曲变形。

◆ 桥梁结构类型的选择

了解以下各种桥梁结构（图1-73至图1-76）的特点，并进行简单的受力分析。不同 类型的桥具有不同的结构，但是总的设计目的都是一样的——防止桥过度弯曲。

岸墩 桥面 拱架 立柱

图1-73  拱架桥

桥墩 桥面 钢索 塔架

图1-75  钢索斜拉桥

塔架 悬索

桥面 吊缆

图1-76  悬索桥

桥墩 梁架 桥面

图1-74  梁架桥

◎部分桥梁结构类型

钢索斜拉桥 ：桥上的钢索直接承载桥面的荷载，并将这一荷载传导至塔架 和桥墩。

悬索桥：桥面通过吊缆系于粗悬索上，悬索末端固定于堤岸，悬索将荷载 传导至系悬索的塔架。

讨论

1．桥梁为什么会做成以上的结构形式？

2．小组合作，初步形成设计方案，并说说为什么要这样设计。

3．怎样使你的桥梁模型自重轻且承载力大。

综合小组成员的意见，形成本小组的设计方案。

◆ 绘制设计图 

将桥梁结构设计绘制成图纸。桥的图纸包括：模型草图、主视图、侧视图、俯视图、

构件图、组装图。

◎草图

用工程草图和模型表达思想是工程设计中的重要组成部分。

草图通常可以很好地反映产品的外观，是一种直观的表达创意的方式，

它能把设计思路变成一种可以与别人交流的直观形式。图形在表达物体的尺 寸、形状及功能方面甚至比语言更有效。

2．制作模型桥

①挑选木板，将木板按构件图尺寸要求进行锯割、打磨和切削；②制作桥的各部分 构件；③将构件组合成桥身。

钢丝绳

塔架

图1-77  模型桥示例

3．检测、优化和改进设计

（1）对模型桥进行承载试验。请同学们自行设计检测模型桥的试验方案和评定标 准，以便按同一标准对模型桥进行评定。

（2）基于检测和评价的结果，对设计方案进行优化和改进。

◎提示

桥梁设计优化主要考虑减少桥面的弯曲变形程度和尽量减轻桥自身的质量。

4．评价

（1）将每组设计和制作的模型桥放在一起，参考表1-3对各组设计的模型桥进行评 价。可按优秀、良好、合格、待改进4个等级来评分，分别用4分、3分、2分、1分来表示

（表格中的栏目可自行增减）。

表1-7  各组模型桥评价

项目 模型桥1 模型桥2 模型桥3 模型桥4 ……

桥孔跨度/cm 桥孔高度/cm

承重/kg 桥体自身质量/kg

连接方式 承载物的质量/kg

强度和稳定性 造型美观

（2）比较各模型桥的评价，列出它们各自的优点和不足，并提出改进建议（表 1-8）。

表1-8  各组模型桥优缺点评价

模型桥 优点 缺点 改进建议

模型桥1 模型桥2 模型桥3 模型桥4

设计2　一个悬挂重物的结构设计

◆设计及制作目标

设计一个悬挂重物的结构，并制作一个纸质模型，使其达到以下要求：

（1）至少能悬挂质量为100g的重物，悬挂重物的质量越大越好。

（2）悬挂物的底面距离支撑面越远越好。

（3）纸质模型所使用的材料越轻越好。

（4）该结构能支撑悬挂物至少保持15s，保持时间越长越好。

◆制作材料

废报纸、砝码、剪刀、直尺、双面胶等。

◆设计思路

观察公园里的秋千，制作有一个支架和一个水平横轴的结构。什么样的结构才能使支 架稳固、承载力强，水平横轴不易弯折？怎样才能使柔软的纸变硬呢？

用纸设计制作一个悬挂结构，可从以下4个方面考虑：

（1）与结构重心的位置有关，重心越高，稳定性越差；反之，稳定性越好。

（2）与结构支撑面面积有关，底部支撑面面积越大，其结构就越稳定。设计时一般 选择上小下大的结构，这种结构整体的重心低，结构稳定。

（3）与支架跨度有关，纸质水平横轴上的两支撑点距离越远，能承受的压力也越小。

（4）与纸质水平横轴的制作方法和形式有关，纸越厚其牢固性越强，承受力也越大。

设计3　自选内容的结构设计

◆设计及制作目标

根据本章前几节给出的椅子、A形铝梯、三脚架等结构，结合生活中的实际需求，发 挥自己的想象或通过市场调研等，设计自己认为有用的产品。

◆要求

1．每个小组制订两个以上的方案，进行比较和权衡，确定最满意的方案。

2．提交设计报告和设计草图，最好可以制出模型。

习    题

1．下面有关桥梁结构设计的说法正确吗？试分析原因。

（1）不同的桥梁结构，其设计的目的都是要防止桥过度弯曲。

（2）在设计桥梁时，为了使桥梁稳固可以尽量增加桥自身的质量。

2．如图所示为可移动的篮球架，为了保证打球人员的安全，需要增强移动篮球架的 稳定性，有效的方法是什么？并说明原因。

第2题图

3．质量合格的安全帽能够有效地保护人的头部。请同学们观察下图中的安全帽，讨 论分析：

（1）安全帽是一种什么结构？

（2）安全帽受到撞击时，其受力有什么特点？它是怎样对人的头部起到保护作用 的？从安全帽侧面撞击时，安全帽能起到保护头部的作用吗？为什么？

（3）如果安全帽内不用帽箍，而是改垫一块海绵，该安全帽能起到保护头部的作用 吗？为什么？

（4）每个人的头形和头的大小都不同，如何选购适合自己的安全帽？

第3题图

a. 安全帽外形 b. 安全帽的结构 顶衬

佩戴高度

水平间距

帽箍 下颌带

帽壳

垂直间距

第 四 节　典型结构的欣赏

中国古建筑是世界上古老的、成熟的、风格独特的建筑体系之一，它们以木结构为 主体，基本造型特点来自结构的内在要求。中国古建筑通常以组群形式出现，由若干单体 组合成群，形成有层次、有主从、有韵律的空间感，并且常常形成对称布局。中国古建筑 的室内采取木骨架系统，空间的垂直分割和水平分割互相贯通穿插，给室内空间带来很大 的灵活性。除了对建筑构件进行艺术处理外，还采用多种材料制作建筑和陈设的装饰，如 木雕、石雕、砖雕、织物等。中国古建筑注重色彩效果，运用壁画和木构上的彩绘，以及 琉璃色彩和金箔光泽，形成了绚丽多彩的风貌。总之，中国古建筑中包含着极为丰富的内 涵，是发展现代中国建筑文化的源泉。

思考

建筑结构与文化传统有什么关系？从技术和文化的角度欣赏和评价典型结构。

在前面的学习中，我们了解和探究了结构，不管是卓越的 “建筑大师”——蜜蜂筑 起的精巧蜂巢，还是人类创造的形态各异的结构，都是大自然和人类智慧、创新能力的体 现，结构让美与我们同行。我们应该如何去发现结构的美，感受结构的文化内涵呢？大家 可以从两个角度去欣赏结构：一是从历史、文化的角度，二是从技术的角度。

一、建筑结构与历史、文化

建筑物都具有结构，以下是从人类修建的各种建筑中采撷的几颗璀璨明珠，让我们从 历史、文化的角度去欣赏这些凝聚着人类智慧的建筑结构。

太和殿（图1-78），俗称“金銮殿”，位于紫禁城南北主轴线的显要位置，明永乐 十八年（1420年）建成，称奉天殿。清顺治二年（1645年）改今名，今天所见为清代康 熙三十四年（1695年）重建后的形制。太和殿面阔11间， 进深5间，建筑面积2 377m²，高 26.92m，连同台基通高35.05m，单层砖木结构，重檐庑殿顶。屋脊两端安有高3.4m、重约 4 300kg的大吻，檐角安放10个走兽，数量之多为现存古建筑中所仅见。太和殿的装饰十 分豪华。檐下施以密集的斗栱，室内外梁枋上饰以和玺彩画。门窗上部嵌成菱花格纹，下 部浮雕云龙图案，接榫处安有镌刻龙纹的鎏金铜叶。殿下为高8.13m的三层汉白玉石雕 基座，周围环以栏杆。栏杆下安有排水用的石雕龙头，每逢雨季，可呈现千龙吐水的奇 观。太和殿是紫禁城内体量最大、等级最高的建筑物，建筑规制之高，装饰手法之精，

堪列中国古代建筑之首。

图1-78  太和殿

围龙屋又称客家围屋（图1-79），是著名的特色民居建筑，多分布在客家人集中居住 地——广东省梅州市。客家围屋始建于唐宋，兴盛于明清，是我国最有乡土风情的五大传 统民居建筑之一。客家围屋由两个半圆组成，后半圆是主体建筑，中间的大门是正门，两 边是侧门，正门后面是大厅、天井、安放祖宗牌位的祖堂，两侧对称安排厢房，祖堂后是 扇形的小花园，其后是沿弧线建设的小房间。主体建筑内还各有10个左右的厅和天井，低 于地面的天井底部平坦，主要用于收集和排放雨水，还可养龟，天井上方直通天空，通风 透光；前半圆正门前面有长方形晒谷坪和小半圆形养鱼的池塘，外墙用砖砌成一道半圆形 的护墙，有利于安全和防御。从整体上看，客家围屋构成一个围起来的圆，将建筑融入环 境，追求实用、整体统一和对称平衡，充分体现了客家人高超的建筑艺术和美感。客家围 屋被建筑学家誉为民俗建筑史上的奇迹，其深厚的文化内涵，更使历史学家、艺术家及众 多的游客为之陶醉。

图1-79  客家围屋

20世纪初，西方国家经历了工业革命和新艺术运动之后，出现了一种摒弃烦琐、追求 简洁、强调机械及技术美的倾向。位于法国巴黎的萨伏伊别墅是这一时期建筑的代表（图

1-80）。萨伏伊别墅建造于1928年，它用钢筋混凝土构成建筑的骨架，内外墙体布置灵 活，突出了工业化结构技术的魅力，打破了传统建筑以墙承重而形成的封闭建筑形式，按 照不同的功能要求，自由地布置各类建筑空间。

图1-80  萨伏伊别墅

地域有别，民族差异，历史、宗教、思想、文化的背景不同等，直接影响到建筑结构 和其他结构的设计思维。

立即行动

以小组为单位，从历史、文化、宗教、民俗等角度对当地有名或有特色的建筑物进行 讨论和阐述。每个小组推选一名代表，在班内分享本组的讨论结果。

二、建筑结构与技术

建筑之美，依技术而成。古代的石砌木构，现代的摩天大楼，均显现出结构对技术的 依赖。技术带动了建筑工程的发展，建筑工程的需求推动了技术的进步。

凤 凰 国 际 传 媒 中 心 （ 图 1-81）位于北京朝阳公园西南 角 ， 总 建 筑 面 积 6 . 5 万 m²， 高 55m。凤凰国际传媒中心的造型 取意于“莫比乌斯环”，由两 座单体建筑和一个极富表现力 的外壳组成，12层总部办公主 楼和6层演播楼的单体建筑为钢 筋混凝土结构，外壳结构设计

成一种具有特殊表现力的交叉 图1-81  凤凰国际传媒中心

状曲面网壳钢结构体系，将两栋钢筋混 凝土大楼连为一体，形成连体结构，紧 贴钢结构的是玻璃幕墙。在功能上，钢 结构外壳将办公楼与演播楼两种不同功 能融合为一个整体，并提供了丰富的公 共体验空间。整个建筑也体现了绿色节 能和低碳环保的设计理念，外壳是一个 生态环保罩，可以降低对能源的依赖，

减少内部建筑的耗能。

广州塔（图1-82），又称广州新 电视塔，于2010年9月建成，是广州市 的 地 标 性 建 筑 。 广 州 塔 塔 身 设 计 为 椭 圆形的渐变网格结构，其造型、空间和 结 构 由 两 个 向 上 旋 转 的 椭 圆 形 钢 外 壳 变化生成，塔身主体高454m，天线桅 杆高146m，总高度600m，总建筑面积

114 054m²。广州塔整个塔身是镂空的钢结构框架，钢柱自下而上呈逆时针扭转，每一个 构件截面都在变化。仅钢结构外框筒就有24根钢柱、46组环梁、1 104根斜撑构成。塔身 采用特一级的抗震设计，整体网状可有效减少塔身的笨重感和风荷载，可抵御7.8级的地 震和12级台风。

罗马斗兽场（意大利古罗马竞技场）（图1-83）建于公元72—82年，遗址位于意大 利首都罗马市中心。罗马斗兽场的平面呈椭圆形，占地约2万m²，长轴约188m，短轴约 156m，周长约527m。该建筑为4层结构，外部全由大理石包裹，下面3层分别有80个圆

图1-82  广州塔

图1-83  罗马斗兽场（意大利古罗马竞技场）

拱，其柱形极具特色，按照多立克式、爱奥尼式和科林斯式的标准顺序排列，第4层则以 小窗和壁柱装饰。看台用3层混凝土制的筒形拱上，每层80个拱，形成3圈不同高度的环形 券廊（即拱券支撑起来的走廊），最上层则是50m高的实墙。场内看台可同时容纳约9万观 众，底层地面有80个出入口，可确保场内观众在15～30min全部疏散离场。

生活中的结构艺术源于科学技术的发展，源于各地的地域特色、民族文化和历史背 景，源于人类对于安全、耐用和环保的理念……这些元素反映在结构设计上，形成了各具 特色的结构形式，也充分体现了结构设计师对生活的观察和概括能力。

实践

我国是一个多民族的国家，各民族受地域气候、风俗文化、历史背景和技术条件等影 响，创造出了具有本民族特色的建筑风格、建筑结构和技术手段等。以小组为单位，选取 1～2个民族的建筑进行调查，了解其结构的特点、材料的选取和建造的技术等。

可采用实地考察、上网查询等方式开展调查活动，从技术和文化的角度撰写一篇赏析 结构的调查报告，并将小组的调查报告在班内展示和交流。

习    题

1．请查找秦始皇陵铜车马上的伞和复兴号高铁车头的资料，并从历史、技术和功能 的角度欣赏它们的结构。

2．谈一谈材料的发展和技术的进步对桌子结构设计的影响，并举例进行说明。

综合学习活动

多功能课桌的结构设计

1．发现问题

小晴最近在为一个问题发愁——自己的课桌非常不好用：首先，储物空间太小；其 次，课桌不能调节高度，自己身高较高，坐着很“憋屈”；再者，课桌经常不稳定地摇 晃，影响自己写作业；第四，在课桌的一侧挂上书包后，课桌会显得摇摇欲坠；第五，桌 面空间太小。你能设计一个新型课桌，帮小晴解决以上问题吗？以小组为单位，通过对结 构设计进行分析，形成结构设计方案，绘制简单的设计图纸，制作出模型，并写出设计与 制作报告。

2．设计要求

（1）对需求和结构设计进行分析。

问题 描述 原因

1 储物空间小 结构缺乏大储物功能

2 不能调节高度 结构没有调节高度的功能

3 课桌经常摇晃 结构稳定性较差

4 挂上重物后摇摇欲坠 结构强度较低

5 桌面空间太小 结构设计不合理

（2）设计一个多功能课桌，并制作出模型，要求如下：①  模型高度不低于280mm，

长度为240～280mm，宽度为160～200mm，结构形式不限。②要求结构稳定，造型美观，

能稳定承重1kg以上，承重时间在15s以上，在满足其他要求的前提下，荷载的质量与自身 质量的比值越大越好。③设计的课桌有两个或两个以上的功能。

（3）材料及连接方式：模型材料以硬纸板为主，草稿纸为辅，粘接材料以白乳胶为 主，构件的连接方式不受限制。

3．制订设计方案

（1）方案的构思。根据收集的信息，同时从使用者、结构本身及使用环境等方面进行 分析后构思方案。如要同时考虑到学生的书本较多所需储物空间大，结构本身需要储物的 构件，而教室的空间有限等。

（2）课桌的结构类型选择。查阅资料，了解多种课桌的结构类型，分析它们的受力 特点，分析其优缺点，有助于为我们的设计提供更多的想法。可参考课桌结构类型有：开 放抽屉式、闭合抽屉式、固定式、移动式、互动式等。

（3）方案的呈现。经过构思和讨论，我们可以得出多种设计方案。请根据小组的构 思和讨论结果，完成以下表格：