淺談從生活中學(xué)習(xí)高中物理
——建筑中的高中物理

韓若冰

（山東省章丘第五中學(xué)，濟南 250200）

1 建筑與高中物理的關(guān)系

1.1 建筑中的牛頓力學(xué)

牛頓力學(xué)是建筑學(xué)的基礎(chǔ)。物料之間的力學(xué)上的平衡，是一個建筑能夠屹立不倒的主要因素[1]。力是物體對物體的相互作用，力有三個要素：大小、方向、作用點。力的作用是相互的，由此有了作用力和反作用力的存在。力學(xué)非常廣泛，有眾多研究領(lǐng)域和分支，而與建筑結(jié)構(gòu)密切聯(lián)系的是其中一個分支üü建筑力學(xué)。建筑物的修建必須與經(jīng)典牛頓力學(xué)緊密結(jié)合，不僅保證建筑物的穩(wěn)定性與持久性，更能夠從力學(xué)的角度對其外觀進行開拓創(chuàng)新，發(fā)揮建筑藝術(shù)美的特征。

1.2 建筑中的熱學(xué)

一個建筑物的成功建造到投入使用，熱學(xué)起到了很大的貢獻作用，由此涉及到了建筑熱工學(xué)。建筑熱工學(xué)是研究建筑物室內(nèi)外熱濕作用對建筑圍護結(jié)構(gòu)和室內(nèi)熱環(huán)境的影響，是建筑物理的組成部分。建筑熱工學(xué)的研究范圍包括：室外熱濕參數(shù)及其對室內(nèi)熱環(huán)境的影響，建筑材料熱物理性能，房屋熱穩(wěn)定性，建筑熱工測試的技術(shù)以及特殊建筑熱工，如空調(diào)房間熱工設(shè)計、地下建筑傳熱等。高中物理所學(xué)的熱學(xué)包括了分子動理論、熱和功、氣體的性質(zhì)幾部分，與建筑熱工學(xué)有著很大的聯(lián)系。

1.3 建筑中的電學(xué)

高中物理所學(xué)的電學(xué)知識也可以運用到建筑物當(dāng)中。建筑電氣學(xué)是建筑學(xué)的一個分支。

在建筑中，利用現(xiàn)代先進的科學(xué)理論及電氣技術(shù)（含電力技術(shù)，信息技術(shù)以及智能化技術(shù)等），創(chuàng)造一個人性化生活環(huán)境的電氣系統(tǒng)，統(tǒng)稱范圍建筑電氣。建筑電氣服務(wù)于建筑內(nèi)人們的工作、生活、學(xué)習(xí)、娛樂、安全等，包括建筑強電系統(tǒng)和建筑弱電系統(tǒng)兩大部分。

1.4 建筑中的聲學(xué)

當(dāng)你處于一棟建筑物，尤其是音樂廳、劇院、演唱會場館等的內(nèi)部時，你可以感受到建筑物中的聲音傳播受到四周墻壁等構(gòu)造的影響，這就是建筑物理的另外一個組成部分üü建筑聲學(xué)。建筑聲學(xué)（architectural acoustics）是研究建筑中聲學(xué)環(huán)境問題的科學(xué)。它主要研究室內(nèi)音質(zhì)和建筑環(huán)境的噪聲控制，以保證室內(nèi)具有良好聽聞條件。室內(nèi)聲學(xué)的研究方法有幾何聲學(xué)方法、統(tǒng)計聲學(xué)方法和波動聲學(xué)方法等。

建筑物理是研究建筑中聲、光、熱的物理現(xiàn)象和運動規(guī)律的一門科學(xué)，是建筑學(xué)的組成部分。其任務(wù)在于增強建筑功能，創(chuàng)造適宜的生活和工作環(huán)境。建筑物理研究人在建筑環(huán)境中的聲、光、熱因素作用下通過聽覺、視覺、觸覺和平衡感覺所產(chǎn)生的反應(yīng)等[2]。高中物理可以作為研究建筑物理的鑰匙，要學(xué)會運用高中物理所學(xué)的知識研究建筑中的物理現(xiàn)象和知識。

2 張拉整體式結(jié)構(gòu)中的力學(xué)原理

2.1 張拉整體結(jié)構(gòu)簡介

張拉整體 概念是美國著名建筑師富勒（R.B.Fuller）的發(fā)明，這指 張拉 （tensile）和 整體 （integrity）的縮合。富勒認(rèn)為宇宙的運行是按照張拉一只析原理進行的，即萬有引力是一個平衡的張力網(wǎng)，而各個星球是這個網(wǎng)中的一個個孤立點。由于張拉整體結(jié)構(gòu)固有的符合自然規(guī)律的特點，最大限度地利用了材料和截面的特性，可以用盡量少的鋼材建造超大跨度建筑。張拉整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析類似于預(yù)應(yīng)力鉸節(jié)點索桿網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，除了一些特殊的圖形外，都含有內(nèi)部機構(gòu)，呈現(xiàn)幾何柔性。為了研究的目的，除了一般的找形和靜動力分析過程外，有時還用到一個中間過程：穩(wěn)定性、機構(gòu)及預(yù)應(yīng)力狀態(tài)的研究。張拉整體體系的分析模型必須考慮非線性特性和平衡自就歷程的存在。莫赫瑞（Mohri）說明了如何保證適當(dāng)?shù)淖詰?yīng)力及單元的剛度，還給出了識別與索提供的剛度相一致的自應(yīng)力狀態(tài)的算法。張拉整體結(jié)構(gòu)的靜力性能的非線性分析已經(jīng)完成，其模型基于松弛原理或牛頓-拉夫遜型過程的矩陣追趕法原理，有人也做了動力松弛的模型。

圖1a 富勒與 張拉 整體式結(jié)構(gòu) 圖1b Swiss Re Next üü Christian Kerez

圖1b中的模型指出了張拉整體式結(jié)構(gòu)應(yīng)用與大型建筑的一種可能性。

2.2 對于張拉整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)原理分析

皮尤（Pugh）提出：張拉整體結(jié)構(gòu)是由多個離散的受壓構(gòu)件和一組連續(xù)的受拉構(gòu)件相互作用形成的空間穩(wěn)定的整體。 張拉整體結(jié)構(gòu)是處于自應(yīng)力狀態(tài)下的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，所有的構(gòu)件都是界面尺寸相同的直桿，受拉構(gòu)件在受到壓力作用下沒有剛度，這些構(gòu)件在任何情況下都是受拉的。受拉構(gòu)件離散分布，每一個節(jié)點都與一根壓桿相連，且只能和一根壓桿相連[3]。

3 結(jié)束語

圖3 全球最大的張拉整體結(jié)構(gòu)橋梁Kurilpa Bridge-Brisbane

法國著名雕塑家羅丹曾說， 生活中不缺少美，而是缺少發(fā)現(xiàn)美的眼睛 生活中處處都有物理的影子，我們?nèi)鄙俚氖侨ヌ剿?、去發(fā)現(xiàn)。對于建筑也是一樣。從朗香教堂到薩克研究所，從克勞斯兄弟禮堂到中國古徽州建筑，沒有建筑物理的存在，就沒有這些建筑藝術(shù)的誕生。要善于從生活中求知，正如美國建筑大師路易斯康所說， 知識不屬于任何人。知識屬于那些和自然有關(guān)的事物，它屬于宇宙卻不屬于永恒，而這兩者之間有極大的區(qū)別。我尊重學(xué)習(xí)，因為它是靈感啟發(fā)的基礎(chǔ)，它與責(zé)任無關(guān)，它是我們與生俱來的。學(xué)習(xí)的意念和學(xué)習(xí)的欲望本身就是最好的鼓舞。

[1] 韓沖.淺談牛頓力學(xué)與建筑學(xué)之間的關(guān)系[M]，2017.

[2] 孫國鼎.張拉整體結(jié)構(gòu)的形態(tài)分析[M]，2010.1.

[3] 李群.建筑物理在建筑設(shè)計中的應(yīng)用[J].城市建設(shè)理論研究，2014（18）：11-13.