建筑结构概念渗透式教学探索

童慧芝

摘要：在无前置力学课程背景下，以《建筑施工图识读》课程为载体，探索对文理兼收的工程造价专业进行建筑结构概念的渗透式教学。本文以墙体构造章节中的墙体承重结构方案选择知识点讲解为对象，讨论了结构整体受力对结构方案优缺点和建筑构造的影响，帮助学生从宏观上构建建筑结构概念。

关键词：建筑结构；渗透式；承重结构；方案教学

概述

我院工程造价专业最新的人才培养方案中，计量与计价等专业核心课程的前置课程为建筑材料、建筑施工、建筑施工图识读等课程，原先的建筑构造与识图、建筑结构与识图，识图实训整合为建筑施工图识读课程，课时由原先的总共8课时缩减为4.5课时。课程围绕建筑施工图和结构施工图识读，通过工程项目，贯穿建筑构造、结构构造知识的讲解。因此，建筑力学、建筑结构基础等相关内容大为缩减，系统地从静力学到动力学，从杆件到桁架，从外力到内力的讲解方式，显然不符合最新培养计划的要求。如何在以识图为主的教学中融合力学知识，使学生初步具备建筑结构概念成为教学的重点和难点之一。

一、砌体结构承重方案

建筑施工图识读课程中难以避免地要讲解到承重方案，这决定了承重墙和非承重墙的布置。承重墙在结构构造上要求更高，墙体至少为一墙厚，且限制墙体上洞口大小，限制了承重墙之间的距离。反之，非承重墙墙体可以较薄，或者可以开设较大的洞口，墙体间距也可以较远。如果非承重墙为纵墙，体现为较小的房间，较大的窗户，结构上虽对进深不限制，但考虑到进深受到散射光照入深度的影响（为窗户上沿到地面高度的两倍），进深最大值实际上受到了建筑构造限制。如果非承重墙为横墙，体现为较大的开间，较大的房间，较小的窗户。

承重方案的不同，建筑结构安全性也有差异。在各种承重方案中，横向承重方案最优，其次为纵横向混合承重体系，最差为纵向承重方案。要理解这一点，需要理解水平力、惯性矩、整体结构模型简化。对于只掌握牛顿三定律，高中力学知识的学生来说，系统理解这些问题非常困难。实际上，工程造价专业文理兼收，很多学生甚至连高中力学知识都不具备。有限教学学时之内，将建筑结构概念通过一个个知识点转化渗透给学生，是工程造价专业基础课教师的任务所在。

二、荷载

墙承重结构受到竖向荷载和水平荷载的影响，竖向荷载包括由建筑物材料自重引起的恒荷载，由可变的人群、家具等引起的活荷载，水平荷载由风压或地震作用引起。将各种荷载对建筑物的影响叠加，就可以核算建筑物的荷载承受能力。

图1所示的四种方案，我们要讨论在承重墙体材料相同的基础上，在结构受力上的优劣。由于建筑物所用材料和使用功能不变，四种方案中竖向荷载决定的承重墻体总厚度和是基本相同的。大致可以用中学里的A=F/P来理解所需承重墙体的面积。

水平荷载作用对承重墙体厚度要求则大有不同。在风荷载或者地震力的作用下，高耸的建筑物好比一根巨大的悬臂梁，如图2所示，它同时受到各个方向的水平荷载的作用，有时候是风荷载，有时候是地震力。那么问题就可以变成：在材料相同的情况下，在建筑物的纵向和横向分别施加水平力，哪个方向更容易推倒，则哪个方向就是比较薄弱的方向。所谓建筑结构的方案布置，就是将有限的材料布置在较薄弱的方向，使两个方向的抵抗能力较为均衡。

三、类比讨论

根据生活经验，我们或许已经可以判断横向为薄弱方向。不妨观察日常的两个现象（图3）：一、承重的结构梁通常是如何搁置的，横截面是竖着搁置，还是水平搁置？二、跳水运动员使用的跳板的横截面是水平搁置还是竖向搁置？这两个生活中随处可见的现象却反映了一个经典的力学原理。当要求结构比较“刚强”的时候，横截面是竖向搁置的，当要求结构比较“柔韧”的时候，横截面是水平搁置的，结构比较强的方向是横截面高度方向，结构比较弱的方向是横截面的宽度方向。在力学上，用截面惯性矩来描述这种抵抗能力（图4）。可知，平行于荷载方向的截面高度和垂直于荷载方向的截面宽度，对抗弯能力的影响分别是3次方的关系和1次方的关系。因此，较窄的方向是抵抗荷载薄弱的方向，这跟建筑物在水平方向荷载作用下的抵抗能力是一样的道理。

四、承重结构方案分析

横墙承重时，横墙间距受到经济板跨的限制，横墙距离距离较近，建筑结构抵抗水平力的薄弱方向-横向得到了加强。因此，其抵抗水平力的能力是最强的，抗震性和抗风性能都最为优越。同时由于纵向墙体为非承重墙，纵墙上可以开设较大的洞口，采光和通风性能良好。横墙距离较近还决定了房间的开间不可能很大，因此适用于旅馆、宿舍、住宅等开间要求较小的建筑。

纵墙承重则跟横墙承重方案刚好相反，抵抗水平力薄弱方向-横墙主要以隔墙形式出现，因此间距较大，抵抗水平荷载能力不如横墙承重结构。同时，纵墙承重约束了纵墙开洞，窗户较小，横墙间距大则房间的开间较大，适用于建造较大的教室、会议室、影视厅等建筑，但由于抗震能力较差，不适宜建造太高，并加强抗震验算和抗震措施的设计。

这种承重结构方案优缺点在上述两种结构之间，结构的抗震验算和抗震措施都要严格设计。

五、延伸

建筑结构承重方案布置的原理适用于砌体结构，也适用于框架结构和剪力墙结构，比如框架结构中结构柱的布置，就将柱横截面的高度方向迎向横向，来加大结构整体抵抗水平力的能力，剪力墙结构中则要求横向布置足够的剪力墙来抵抗水平力。对薄弱方向进行加强布置是抓住主要矛盾的哲学运用。在没有电脑辅助计算的时代，人们就是这样抽丝剥茧，把主要矛盾、矛盾的主要方面提取出来，指导建筑结构整体设计和构件设计，使复杂的空间问题简化变成二维的一榀框架问题，再到一维的杆件问题。

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