建筑結(jié)構(gòu)概念滲透式教學(xué)探索

童慧芝

摘要：在無(wú)前置力學(xué)課程背景下，以《建筑施工圖識(shí)讀》課程為載體，探索對(duì)文理兼收的工程造價(jià)專(zhuān)業(yè)進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)概念的滲透式教學(xué)。本文以墻體構(gòu)造章節(jié)中的墻體承重結(jié)構(gòu)方案選擇知識(shí)點(diǎn)講解為對(duì)象，討論了結(jié)構(gòu)整體受力對(duì)結(jié)構(gòu)方案優(yōu)缺點(diǎn)和建筑構(gòu)造的影響，幫助學(xué)生從宏觀上構(gòu)建建筑結(jié)構(gòu)概念。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)；滲透式；承重結(jié)構(gòu)；方案教學(xué)

概述

我院工程造價(jià)專(zhuān)業(yè)最新的人才培養(yǎng)方案中，計(jì)量與計(jì)價(jià)等專(zhuān)業(yè)核心課程的前置課程為建筑材料、建筑施工、建筑施工圖識(shí)讀等課程，原先的建筑構(gòu)造與識(shí)圖、建筑結(jié)構(gòu)與識(shí)圖，識(shí)圖實(shí)訓(xùn)整合為建筑施工圖識(shí)讀課程，課時(shí)由原先的總共8課時(shí)縮減為4.5課時(shí)。課程圍繞建筑施工圖和結(jié)構(gòu)施工圖識(shí)讀，通過(guò)工程項(xiàng)目，貫穿建筑構(gòu)造、結(jié)構(gòu)構(gòu)造知識(shí)的講解。因此，建筑力學(xué)、建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)等相關(guān)內(nèi)容大為縮減，系統(tǒng)地從靜力學(xué)到動(dòng)力學(xué)，從桿件到桁架，從外力到內(nèi)力的講解方式，顯然不符合最新培養(yǎng)計(jì)劃的要求。如何在以識(shí)圖為主的教學(xué)中融合力學(xué)知識(shí)，使學(xué)生初步具備建筑結(jié)構(gòu)概念成為教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。

一、砌體結(jié)構(gòu)承重方案

建筑施工圖識(shí)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(jié)構(gòu)構(gòu)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(kāi)設(shè)較大的洞口，墻體間距也可以較遠(yuǎn)。如果非承重墻為縱墻，體現(xiàn)為較小的房間，較大的窗戶(hù)，結(jié)構(gòu)上雖對(duì)進(jìn)深不限制，但考慮到進(jìn)深受到散射光照入深度的影響（為窗戶(hù)上沿到地面高度的兩倍），進(jìn)深最大值實(shí)際上受到了建筑構(gòu)造限制。如果非承重墻為橫墻，體現(xiàn)為較大的開(kāi)間，較大的房間，較小的窗戶(hù)。

承重方案的不同，建筑結(jié)構(gòu)安全性也有差異。在各種承重方案中，橫向承重方案最優(yōu)，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(diǎn)，需要理解水平力、慣性矩、整體結(jié)構(gòu)模型簡(jiǎn)化。對(duì)于只掌握牛頓三定律，高中力學(xué)知識(shí)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)理解這些問(wèn)題非常困難。實(shí)際上，工程造價(jià)專(zhuān)業(yè)文理兼收，很多學(xué)生甚至連高中力學(xué)知識(shí)都不具備。有限教學(xué)學(xué)時(shí)之內(nèi)，將建筑結(jié)構(gòu)概念通過(guò)一個(gè)個(gè)知識(shí)點(diǎn)轉(zhuǎn)化滲透給學(xué)生，是工程造價(jià)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課教師的任務(wù)所在。

二、荷載

墻承重結(jié)構(gòu)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(fēng)壓或地震作用引起。將各種荷載對(duì)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(chǔ)上，在結(jié)構(gòu)受力上的優(yōu)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(xué)里的A=F/P來(lái)理解所需承重墻體的面積。

水平荷載作用對(duì)承重墻體厚度要求則大有不同。在風(fēng)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(shí)受到各個(gè)方向的水平荷載的作用，有時(shí)候是風(fēng)荷載，有時(shí)候是地震力。那么問(wèn)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(gè)方向更容易推倒，則哪個(gè)方向就是比較薄弱的方向。所謂建筑結(jié)構(gòu)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(gè)方向的抵抗能力較為均衡。

三、類(lèi)比討論

根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)，我們或許已經(jīng)可以判斷橫向?yàn)楸∪醴较?。不妨觀察日常的兩個(gè)現(xiàn)象（圖3）：一、承重的結(jié)構(gòu)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(yùn)動(dòng)員使用的跳板的橫截面是水平擱置還是豎向擱置？這兩個(gè)生活中隨處可見(jiàn)的現(xiàn)象卻反映了一個(gè)經(jīng)典的力學(xué)原理。當(dāng)要求結(jié)構(gòu)比較“剛強(qiáng)”的時(shí)候，橫截面是豎向擱置的，當(dāng)要求結(jié)構(gòu)比較“柔韌”的時(shí)候，橫截面是水平擱置的，結(jié)構(gòu)比較強(qiáng)的方向是橫截面高度方向，結(jié)構(gòu)比較弱的方向是橫截面的寬度方向。在力學(xué)上，用截面慣性矩來(lái)描述這種抵抗能力（圖4）?？芍?，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(duì)抗彎能力的影響分別是3次方的關(guān)系和1次方的關(guān)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(jié)構(gòu)方案分析

橫墻承重時(shí)，橫墻間距受到經(jīng)濟(jì)板跨的限制，橫墻距離距離較近，建筑結(jié)構(gòu)抵抗水平力的薄弱方向-橫向得到了加強(qiáng)。因此，其抵抗水平力的能力是最強(qiáng)的，抗震性和抗風(fēng)性能都最為優(yōu)越。同時(shí)由于縱向墻體為非承重墻，縱墻上可以開(kāi)設(shè)較大的洞口，采光和通風(fēng)性能良好。橫墻距離較近還決定了房間的開(kāi)間不可能很大，因此適用于旅館、宿舍、住宅等開(kāi)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(xiàn)，因此間距較大，抵抗水平荷載能力不如橫墻承重結(jié)構(gòu)。同時(shí)，縱墻承重約束了縱墻開(kāi)洞，窗戶(hù)較小，橫墻間距大則房間的開(kāi)間較大，適用于建造較大的教室、會(huì)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(qiáng)抗震驗(yàn)算和抗震措施的設(shè)計(jì)。

這種承重結(jié)構(gòu)方案優(yōu)缺點(diǎn)在上述兩種結(jié)構(gòu)之間，結(jié)構(gòu)的抗震驗(yàn)算和抗震措施都要嚴(yán)格設(shè)計(jì)。

五、延伸

建筑結(jié)構(gòu)承重方案布置的原理適用于砌體結(jié)構(gòu)，也適用于框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)，比如框架結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)柱的布置，就將柱橫截面的高度方向迎向橫向，來(lái)加大結(jié)構(gòu)整體抵抗水平力的能力，剪力墻結(jié)構(gòu)中則要求橫向布置足夠的剪力墻來(lái)抵抗水平力。對(duì)薄弱方向進(jìn)行加強(qiáng)布置是抓住主要矛盾的哲學(xué)運(yùn)用。在沒(méi)有電腦輔助計(jì)算的時(shí)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(lái)，指導(dǎo)建筑結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)和構(gòu)件設(shè)計(jì)，使復(fù)雜的空間問(wèn)題簡(jiǎn)化變成二維的一榀框架問(wèn)題，再到一維的桿件問(wèn)題。

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