第一章 结构与设计
知识梳理 一、初识结构
1、结构的含义
结构是指事物的各个组成部分之间的有序搭配和排列，确定的搭配和排列决定了物体的性质和形态。结构的各组成部分，通常称为构件。架构：物体的主体框架与构造形式。
结构的本质：物体会受到各种各样的力，结构是可承受一定力的架构形态，可用来抵抗引起形态和大小改变的力。简单地说，结构是为了承受力和抵抗变形，这便是结构的本质。
2、常见结构的类型（从力学的架构与形态考虑） （1）实体结构 ①实体结构通常是指结构体本身是实心的结构。如：房屋的墙体、水库的大坝、古代的城墙等。
②几何特征及受力：几何外形简单，通常有杆（柱）、板、体等之分。它的受力特点是能承受较大的压力，外力分布在整个体积中。
（2）框架结构
①框架结构通常是指结构体由细长的构件组成的结构。如：教室的门、窗常用木框架，蔬菜大棚的棚体、建筑用脚手架、输电铁塔等。
②组成：由梁、柱、杆、管等组成，也有用板件组成的。这里的杆或板，可以是实心的，也可以是管材。
③几何特征及受力：几何外形较为复杂，其特点是支撑空间而不充满空间，能承受垂直和水平荷载。依据功能和使用条件的不同，可以设置成不同框架的组合。
（3）壳体结构
①壳体结构通常是指层状的结构。例如：饮水杯、文具盒、装甲车、油罐、鸡蛋、西瓜、贝类、龟等。
②结构特征：壳体内空时，受力合理、形态稳定。壳的几何形状有折线式（方形、长方形、多边形）的、圆弧形的和拱形的等。
③受力特点：壳受冲击力时，外力由弧面整体分担承受，抵抗变形。 （4）组合结构
在日常生活中我们常见的结构大部分都是组合结构，如：大坝是拱形和实体结构的组合体；圆顶大厦的顶部都是框架结构和壳体结构的组合。
二、结构与受力
㈠作用在结构上的载荷（力）
结构承受的外力有各种各样，但以它们对结构的影响来说，主要有以下几种。 1、受拉力：构件承受拉拽力。
2、受压力：构件承受使之被挤压的力。
3、受剪切力：构件承受两个距离很近、大小相等、方向相反的平行力。 4、受扭转力：构件两端承受方向相反的均匀的力，使它发生扭转形变。 5、受弯曲力：构件承受使之产生弯曲的力。
-1-
㈡结构受载荷实例（了解）
1、任何结构承受的外载荷，都是拉、压、剪、扭、弯中的一种或几种的组合。例： a.秋千的吊索，主要承受拉力； b.桥梁的桥墩，主要承受压力；
c.连接齿轮和轴的键，主要承受剪力；
d.汽车方向盘的轴，主要承受扭力； e.单杠的杠体（上面的横杠），主要受弯力； f.吊扇旋转，吊杆主要受扭力和拉力； 2、荷载有恒载与活载之分。恒载属于不随时间变化而变化的永久性荷载，如棚室的屋面、梁；活载属于随情况变化而变化的可变性荷载，如雪载、风载。
3、梁的受力：梁的上部，受压力，材料被挤压；下部，受张力，材料被拉伸。防止弯曲变形大的方法：增加支撑点。
4、拱结构的应用
拱结构：中间高四周低，呈弧形的曲面。
应用：在跨度较大的情况下，建筑物多采用拱结构。这样的结构既有利于承载，又美观。 三、结构的强度与稳定性
㈠结构的强度——结构具有的抵抗被外力破坏的能力。 1、应力与强度
（1）内力：外力使构件发生变形的同时，构件内部分子之间随之产生一种抵抗变形的抵抗力。
（2）应力（意义等同于压强，而不是作用力）：作用在单位面积上的内力。σ=F/S，式中，F为内力，单位为牛，S为构件截面积。应力σ的计量单位为N/mm或N/cm。
（3）通常，物体结构抵抗变形的能力，都以强度表示。而用应力来衡量强度，即科学又准确。
2、影响结构强度的因素：①形状；②材料；③材料的连接方式。 ㈡结构的稳定性 1、什么是稳定？
稳定指的不是状态绝对不变，而是指受扰后，允许状态有所波动，但当扰动消失后，能重新返回到原平衡状态，则为稳定。不能回到原有平衡状态，为不稳定。
2、结构稳定的含义
结构具有阻碍翻倒或移动的特性，就是结构稳定性。（如不倒翁、大坝等） 3、影响稳定性的因素
（1）结构的形状：结构形状不同(与支撑面形状、底面积大小有主要关系)，其稳定性也不同（如“A”字型金字塔、堤坝很稳定）。物体的重心若超出其支撑面，则要翻倒，即失稳。
（2）重心的位置：重心越低越稳。 4、巧妙地增加结构的稳定性
a、减小长细比 b、利用三角形框架及其组合结构 ㈢结构与功能
结构不仅是事物存在的一种形式，而且对事物的功能和作用产生着直接影响。结构的改变可能导致功能的变化。不同结构的物体其功能不同，这是我们认识结构的关键。
2
2
-2-
物体的结构是由物体的功能和需要决定的，而物体的结构又决定了物体的性质和形态。如碳原子排列结构不同决定了石墨和金刚石的不同性质！ 四、简单结构的设计
1、结构设计应考虑的主要因素 （1）结构设计的目标及要求
结构设计应以一种或几种功能的实现为基本目标，应满足设计规范，满足使用者的基本需要。
（2）结构设计应考虑的主要因素：①符合使用者对设计对象的稳定性和强度要求；②安全因素；③公众和使用者的审美需求；④使用者的个性化需要；⑤对设计对象的成本控制要求和一定的使用寿命等。
不同的结构设计，应考虑的因素各有侧重，但无论在哪一类用途的结构设计中，安全都是至关重要的因素。 人的个性化需要 寿命 功能 成本 结构设计 安全 强度 稳定美观 „„
2、结构的设计一般有以下步骤
①设计项目；②设计要求：达到什么样的功能，具有一定的稳定性和强度，装饰性，
尺寸要求等；③设计分析：分析结构的组成部分、连接方式等；④设计方案；⑤呈现草图。 五、欣赏和评价典型结构设计
赏析结构设计作品，可以从技术与文化两个角度进行。
技术角度主要有：结构的使用功能的实现；结构的稳固耐用；结构造型设计的创意和表现力；材料使用的合理性；工艺制造的精湛程度等。
文化角度主要有：结构的文化寓意与传达；公众认可的美学原则；反映的时代、民族、习俗方面的特征；结构的个性特征等。
检测练习 1、小华喜欢做家务，他发现传统长臂式晾衣架不方便撑起挂圆领衣物，于是尝试对衣架进行改造并制作出木制可变形衣架（右图）。改造后他发现衣架出现了结构不稳定的问题。为此他设计了4种改进方案，其中最稳定的是
2、山西悬空寺始建于北魏时期，是一处木质框架结构古建筑，紧贴崖壁，半悬空中。下列说法正确的是
①北魏时期佛教已传入我国
②该建筑架构简单，稳定性差
-3-
③木柱和横梁之间的连接方式主要为钉连接
④插进岩石内的横木飞梁和木柱起主要支撑作用 A①② B①④ C②③ D③④
3、分析下列物体的结构类型，判断哪个不属于壳体结构。（ ） A、饮水杯 B、油罐 C、红砖 D、篮球
4、吊兰支撑架使用三角形支架结构，而不用由一根直杆挑起的结构，这说明影响结
构强度的因素是？（ ）
A、材料 B、形状 C、构件 D、连接方式 5、走钢丝的人手上拿着一条长棒的目的是（ ） A、美观 B、重心低 C、保护 D、支撑 6、下列结构是受自然界事物结构启发而产生的（ ） A、口杯 B、衣服 C、飞机 D、手表 7、可以用受力结构的稳定性来解释的事实是( )
A 、拔河的绳子断裂 B、鸡蛋在某种情况下可以承受很大的外力
C、广告牌被台风吹倒 D 、耳机与电脑主机的插口接触不良，听不到音乐 8、分析下列物体的结构类型，不属于壳体结构的是（ ） A、摩托车头盔 B、飞机外壳 C、贝类 D、金字塔 9、分析下列物体的结构类型，属于实体结构的是（ ）
A、电灯泡 B、乒乓球 C、橡皮擦 D、篮球 10、最稳定的结构是（ ）
A、三角形 B、四边形 C、五边形 D、六边形 11、与影响结构强度的因素无关的是（ ）
A、长度 B、形状 C、材料 D、位置
12、分别在一根竹竿和一根同样尺寸的脆性塑料杆上不断加挂相同质量的重物，竹竿 比脆性塑料杆能挂更多重物而不会断裂，说明影响结构强度的因素是（ ） A、结构的形状 B、材料
C、构件横截面形状 D、构件的连接方式
13、材质相同、横截面面积不同的两个杆件，在相同的拉力作用下，细横截面的杆件先 被破坏，原因是（ ）
A、横截面面积越大，杆件的内力越大 B、横截面面积越小，杆件的内力越小 C、横截面面积越大，杆件承受的应力越小 D、横截面面积越小，杆件承受的应力越大 14、几乎所有的矿泉水瓶上都有向上凸起的横向纹路，它说明影响着结构强度的是（ ） A、支撑面大小 B、构件的形状 C、重心的高低 D、连接方式
15、我们常用的A型梯不直接采用铝合金片，而用长方形截面的铝合金构件，这说明 了影响结构强度的因素是（ ）
A、材料 B、构件的形状 C、重心的高低 D、连接方式 16、欣赏评价经典结构的技术角度不包括（ ）
A、材料 B、制造工艺 C、民间习俗 D、使用功能
17、反思总结“结构与设计”这一主题的学习过程，思考并完成下列任务： （1）说明你最满意的一项收获；
（2）说明该收获给自己的启示与帮助。
-4-
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容