郭原草

摘要：建筑結構選型是建筑學專業(yè)里為數(shù)不多的介紹建筑結構與受力特征的一門專業(yè)課，其內(nèi)容特征有別于建筑學專業(yè)其他專業(yè)課程。它以工程力學及工程結構內(nèi)容為基礎，介紹建筑工程領域廣泛采用的結構類型。由于建筑學專業(yè)培養(yǎng)方案中為數(shù)學、力學等基礎課程安排的學時普遍較少，加上專業(yè)分工等因素，使得建筑學專業(yè)學生在學習力學與結構方面的知識普遍感覺比較困難。因此授課老師在講解這部分內(nèi)容時不能照搬給土木工程專業(yè)學生授課的方法，必須在較短的課時里把相對復雜、抽象的力學與結構知識精煉、深入淺出地講解出來，以降低學生學習難度，便于學生對知識的理解，同時通過本課程的學習，讓建筑學專業(yè)學生學會用基本的力學與結構知識分析解決實際工程問題，設計出實用、安全的結構形式。

關鍵詞：建筑專業(yè)；建筑結構；授課；方法

中圖分類號：G642.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）41-0274-02

建筑結構選型是建筑學專業(yè)的一門專業(yè)基礎課，由土木工程學院開設。本課程安排的理論課時雖然不多，但結構問題直接關系到建筑物整體安全性與適用性，故該課程對建筑學專業(yè)的重要性顯而易見。從建筑學專業(yè)課程總體特點來看，大部分專業(yè)課程具有側重形象思維和空間想象力的特點，如建筑表達、素描、色彩、建筑歷史、建筑設計原理等課程，這些課程力求培養(yǎng)學生對建筑外部輪廓的描繪、色彩的選取與搭配、健康審美觀的培養(yǎng)、建筑內(nèi)部空間組合的感知等專業(yè)素養(yǎng)；但限于課時及學生基礎知識局限等原因，對于工程結構和工程力學等基礎課的學習不如土木工程專業(yè)學生學得詳細具體。但如果因為課時不多就不重視力學和結構知識的學習，將會導致學生設計出的建筑方案不具備安全性和可操作性。因此教師在給建筑學專業(yè)學生講授結構選型時必須總結與摸索一套適合建筑學專業(yè)的教學思路與方法，而不能照搬以往給土木工程專業(yè)講課的方式。本人在講授這門課程時體會到，如何把上百課時的結構知識在短短二十幾個課時準確、精煉而形象地表達出來，需要任課教師花費大量的精力反復研究。這里列舉課程中的幾個代表性知識點說明在講解力學與結構知識點時應注意的地方：

例1 緒論里有一個知識點：選擇能充分發(fā)揮材料性能的結構形式。這里詳細探討了為什么在實際工程中矩形截面構件會逐漸演化成工字型截面，從學習過的材料力學知識就可以發(fā)現(xiàn)原因：矩形截面受彎構件（梁）的截面彎曲應力分布圖具有如下特征：截面上下兩個邊緣應力值最大，越靠近中性軸，應力值越小，中性軸位置處應力值為0。中性軸上下兩側的應力值符號發(fā)生變化，這是由于梁受彎后一側纖維受壓另一側纖維自然受拉的緣故。對于建筑學專業(yè)學生，教師在講授這個知識點時只需要介紹截面應力分布規(guī)律即可；但對于土木工程專業(yè)的學生，還要求掌握截面應力分布圖及應力計算公式的理論推導過程。但光知道這個截面應力分布特征也還沒有達到教學目標，我們要求建筑學專業(yè)學生在教師介紹了截面應力分布圖特征后，要學會運用這個截面應力分布圖特征來解釋矩形截面梁進化到工字形截面梁的原因：那就是受彎構件截面邊緣應力大，靠近中性層應力值小，所以只有靠近上下兩個邊緣處的材料充分發(fā)揮了作用，靠近中性層的材料未發(fā)揮作用。這樣中間位置處的材料就可以減少到最低程度，而向兩個邊緣集中，這樣矩形截面梁就進化成工字形截面梁。同理，承受均布荷載簡支梁的彎矩圖形狀在材料力學里也有詳細介紹，是一個二次拋物線，這說明一根平行弦桁架中有若干根桿件的內(nèi)力值很小，材料性能自然沒有得到充分發(fā)揮；根據(jù)這個認識，我們可以把一個平行弦桁架梁根據(jù)其彎矩圖形狀改為拱形桁架，使得桁架形狀與彎矩圖形狀一致，以充分發(fā)揮桁架中每一根桿件的能力。到這里，對于建筑學專業(yè)的學生就已經(jīng)完成學習目標了。但是針對土木工程專業(yè)的學生不僅要掌握這種定性分析，還要求掌握計算桁架中每根桿件的內(nèi)力值。對于建筑學專業(yè)學生就不需要再講授桁架內(nèi)力的計算方法與解題過程，否則會加重學生的學習負擔。

例2 第12章門式剛架結構的適用范圍與受力特點。首先需要對承受均布荷載的剛架與排架彎矩圖進行比較。對于土木工程專業(yè)的學生要求根據(jù)結構力學計算方法計算剛架內(nèi)力并畫出彎矩圖。三鉸剛架是靜定結構可直接根據(jù)平衡條件計算，無鉸剛架或兩鉸剛架均為超靜定結構，需采用結構力學里的計算超靜定結構的方法計算（力法、位移法）。尤其是計算超靜定結構的過程相對較復雜；對于建筑學專業(yè)的學生來說，教學重點在于把彎矩圖形態(tài)特征介紹給他們，然后通過比較二者彎矩圖異同，根據(jù)每種剛架彎矩圖特點介紹三種剛架的適用條件，就不要在講解超靜定剛架的計算方法上花過多的教學時間。具體陳述如下：

根據(jù)結構力學計算結果可以具體分析三種門式剛架：無鉸門式剛架結構為三次超靜定結構，剛度好，結構內(nèi)力分布均勻；但由于柱腳與基礎剛接，因此可以傳遞彎矩，柱底彎矩值較大，因此對基礎與地基要求較高。由于基礎承受彎矩、軸向壓力、水平剪力復合作用，超靜定次數(shù)較高，結構剛度較大，當?shù)鼗l(fā)生不均勻沉降時，將在結構內(nèi)產(chǎn)生附加內(nèi)力，所以在地基條件較差時慎用。

兩鉸門式剛架的基礎與柱腳鉸接，為一次超靜定結構，在豎向或水平荷載作用下，內(nèi)部彎矩值比無鉸門式剛架大。優(yōu)點是剛架鉸接柱基礎不能傳遞彎矩，因此不承受彎矩作用，構造簡單，省料省工；當基礎有轉(zhuǎn)角時對結構內(nèi)力沒有影響。但當兩柱腳發(fā)生不均勻沉降時，將在結構內(nèi)產(chǎn)生附加內(nèi)力。

三鉸門式剛架為靜定結構，因此外界溫差、地基的變形或基礎不均勻沉降對結構內(nèi)力沒有影響。三鉸與兩鉸門式剛架材料用量相差不多，但三鉸剛架梁柱節(jié)點彎矩略大，剛度較差，不適合用于有橋式吊車的廠房，僅用于無吊車或小噸位吊車的廠房。鋼筋混凝土三鉸門式剛架跨度較大時，半榀三鉸剛架懸臂太長導致吊裝不便且吊裝內(nèi)力較大，故一般用于跨度較小或地基較差的情況。實際工程中大多采用三鉸剛架和兩鉸剛架及由它們組成的多跨結構。

溫度變化對靜定三鉸剛架沒有影響，但在無鉸剛架、兩鉸剛架這樣的超靜定結構中將產(chǎn)生附加內(nèi)力。內(nèi)力大小與結構剛度有關。剛度越大，內(nèi)力越大。產(chǎn)生結構內(nèi)力的溫差主要有室內(nèi)外溫差和季節(jié)溫差。室內(nèi)外溫差將使桿件兩側產(chǎn)生不同的熱脹冷縮，從而產(chǎn)生內(nèi)力。季節(jié)溫差指剛架在施工時的溫度與使用時的溫差，也將使結構產(chǎn)生變形與內(nèi)力。當產(chǎn)生支座位移時，同樣將使超靜定結構產(chǎn)生變形和內(nèi)力。對于建筑學專業(yè)學生，利用力學原理對三種門式剛架進行簡單的內(nèi)力分析并強調(diào)其適用范圍，教學深度可到此為止。但對于結構工程專業(yè)的學生掌握上述知識點還不夠，還要求利用結構力學中的力法、位移法詳細求解承受溫差和沉降作用的超靜定結構內(nèi)力計算。解題過程分如下幾步：確定力法（位移法）基本未知量、建立力法（位移法）基本體系、建立力法（位移法）基本方程、利用圖乘法求基本方程組里的柔度系數(shù)（剛度系數(shù)）、利用圖乘法求方程中自由項系數(shù)、求力法（位移法）基本未知量、求解結構內(nèi)力。對于高次超靜定問題還要求使用計算軟件計算結構內(nèi)力。

通過對建筑結構選型課程的兩個具有代表性知識點進行分析，我們可總結出如下教學經(jīng)驗：涉及工程結構與力學方面的內(nèi)容是建筑結構選型課程的教學難點，針對不同專業(yè)學生任課教師需要因材施教；對于土木工程專業(yè)的學生要求詳細掌握結構計算方法并根據(jù)計算結果熟練做出結構內(nèi)力圖；對于建筑學專業(yè)則不用在結構計算與相關公式推導上花費過多的時間，而需要重點講解最基本的力學原理，概括性地介紹結構受力特征（內(nèi)力圖形態(tài)等），引導與啟發(fā)學生利用學過的基本力學與結構知識理解不同結構受力特征、解釋工程現(xiàn)象，從而設計出安全、適用的建筑結構。作為本課程任課老師也需要注意：雖然理論課時壓縮了，但不能把關鍵知識點也刪減了。教師仍然要把在土木工程專業(yè)中花費幾百個課時講授的重點知識在幾十個課時中完整地介紹給學生，只是未必每個知識點需要講解得很深很細。所以這個教學原則也可以用一個簡單的生活常識來表述：一杯水還是這么多，量并未減少，只是看我們是細細品味還是一口吞下。

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