浅析适用于建筑学专业的建筑结构选型难点内容授课方法

郭原草

摘要：建筑结构选型是建筑学专业里为数不多的介绍建筑结构与受力特征的一门专业课，其内容特征有别于建筑学专业其他专业课程。它以工程力学及工程结构内容为基础，介绍建筑工程领域广泛采用的结构类型。由于建筑学专业培养方案中为数学、力学等基础课程安排的学时普遍较少，加上专业分工等因素，使得建筑学专业学生在学习力学与结构方面的知识普遍感觉比较困难。因此授课老师在讲解这部分内容时不能照搬给土木工程专业学生授课的方法，必须在较短的课时里把相对复杂、抽象的力学与结构知识精炼、深入浅出地讲解出来，以降低学生学习难度，便于学生对知识的理解，同时通过本课程的学习，让建筑学专业学生学会用基本的力学与结构知识分析解决实际工程问题，设计出实用、安全的结构形式。

关键词：建筑专业；建筑结构；授课；方法

中图分类号：G642.4 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）41-0274-02

建筑结构选型是建筑学专业的一门专业基础课，由土木工程学院开设。本课程安排的理论课时虽然不多，但结构问题直接关系到建筑物整体安全性与适用性，故该课程对建筑学专业的重要性显而易见。从建筑学专业课程总体特点来看，大部分专业课程具有侧重形象思维和空间想象力的特点，如建筑表达、素描、色彩、建筑历史、建筑设计原理等课程，这些课程力求培养学生对建筑外部轮廓的描绘、色彩的选取与搭配、健康审美观的培养、建筑内部空间组合的感知等专业素养；但限于课时及学生基础知识局限等原因，对于工程结构和工程力学等基础课的学习不如土木工程专业学生学得详细具体。但如果因为课时不多就不重视力学和结构知识的学习，将会导致学生设计出的建筑方案不具备安全性和可操作性。因此教师在给建筑学专业学生讲授结构选型时必须总结与摸索一套适合建筑学专业的教学思路与方法，而不能照搬以往给土木工程专业讲课的方式。本人在讲授这门课程时体会到，如何把上百课时的结构知识在短短二十几个课时准确、精炼而形象地表达出来，需要任课教师花费大量的精力反复研究。这里列举课程中的几个代表性知识点说明在讲解力学与结构知识点时应注意的地方：

例1 绪论里有一个知识点：选择能充分发挥材料性能的结构形式。这里详细探讨了为什么在实际工程中矩形截面构件会逐渐演化成工字型截面，从学习过的材料力学知识就可以发现原因：矩形截面受弯构件（梁）的截面弯曲应力分布图具有如下特征：截面上下两个边缘应力值最大，越靠近中性轴，应力值越小，中性轴位置处应力值为0。中性轴上下两侧的应力值符号发生变化，这是由于梁受弯后一侧纤维受压另一侧纤维自然受拉的缘故。对于建筑学专业学生，教师在讲授这个知识点时只需要介绍截面应力分布规律即可；但对于土木工程专业的学生，还要求掌握截面应力分布图及应力计算公式的理论推导过程。但光知道这个截面应力分布特征也还没有达到教学目标，我们要求建筑学专业学生在教师介绍了截面应力分布图特征后，要学会运用这个截面应力分布图特征来解释矩形截面梁进化到工字形截面梁的原因：那就是受弯构件截面边缘应力大，靠近中性层应力值小，所以只有靠近上下两个边缘处的材料充分发挥了作用，靠近中性层的材料未发挥作用。这样中间位置处的材料就可以减少到最低程度，而向两个边缘集中，这样矩形截面梁就进化成工字形截面梁。同理，承受均布荷载简支梁的弯矩图形状在材料力学里也有详细介绍，是一个二次抛物线，这说明一根平行弦桁架中有若干根杆件的内力值很小，材料性能自然没有得到充分发挥；根据这个认识，我们可以把一个平行弦桁架梁根据其弯矩图形状改为拱形桁架，使得桁架形状与弯矩图形状一致，以充分发挥桁架中每一根杆件的能力。到这里，对于建筑学专业的学生就已经完成学习目标了。但是针对土木工程专业的学生不仅要掌握这种定性分析，还要求掌握计算桁架中每根杆件的内力值。对于建筑学专业学生就不需要再讲授桁架内力的计算方法与解题过程，否则会加重学生的学习负担。

例2 第12章门式刚架结构的适用范围与受力特点。首先需要对承受均布荷载的刚架与排架弯矩图进行比较。对于土木工程专业的学生要求根据结构力学计算方法计算刚架内力并画出弯矩图。三铰刚架是静定结构可直接根据平衡条件计算，无铰刚架或两铰刚架均为超静定结构，需采用结构力学里的计算超静定结构的方法计算（力法、位移法）。尤其是计算超静定结构的过程相对较复杂；对于建筑学专业的学生来说，教学重点在于把弯矩图形态特征介绍给他们，然后通过比较二者弯矩图异同，根据每种刚架弯矩图特点介绍三种刚架的适用条件，就不要在讲解超静定刚架的计算方法上花过多的教学时间。具体陈述如下：

根据结构力学计算结果可以具体分析三种门式刚架：无铰门式刚架结构为三次超静定结构，刚度好，结构内力分布均匀；但由于柱脚与基础刚接，因此可以传递弯矩，柱底弯矩值较大，因此对基础与地基要求较高。由于基础承受弯矩、轴向压力、水平剪力复合作用，超静定次数较高，结构刚度较大，当地基发生不均匀沉降时，将在结构内产生附加内力，所以在地基条件较差时慎用。

两铰门式刚架的基础与柱脚铰接，为一次超静定结构，在竖向或水平荷载作用下，内部弯矩值比无铰门式刚架大。优点是刚架铰接柱基础不能传递弯矩，因此不承受弯矩作用，构造简单，省料省工；当基础有转角时对结构内力没有影响。但当两柱脚发生不均匀沉降时，将在结构内产生附加内力。

三铰门式刚架为静定结构，因此外界温差、地基的变形或基础不均匀沉降对结构内力没有影响。三铰与两铰门式刚架材料用量相差不多，但三铰刚架梁柱节点弯矩略大，刚度较差，不适合用于有桥式吊车的厂房，仅用于无吊车或小吨位吊车的厂房。钢筋混凝土三铰门式刚架跨度较大时，半榀三铰刚架悬臂太长导致吊装不便且吊装内力较大，故一般用于跨度较小或地基较差的情况。实际工程中大多采用三铰刚架和两铰刚架及由它们组成的多跨结构。

温度变化对静定三铰刚架没有影响，但在无铰刚架、两铰刚架这样的超静定结构中将产生附加内力。内力大小与结构刚度有关。刚度越大，内力越大。产生结构内力的温差主要有室内外温差和季节温差。室内外温差将使杆件两侧产生不同的热胀冷缩，从而产生内力。季节温差指刚架在施工时的温度与使用时的温差，也将使结构产生变形与内力。当产生支座位移时，同样将使超静定结构产生变形和内力。对于建筑学专业学生，利用力学原理对三种门式刚架进行简单的内力分析并强调其适用范围，教学深度可到此为止。但对于结构工程专业的学生掌握上述知识点还不够，还要求利用结构力学中的力法、位移法详细求解承受温差和沉降作用的超静定结构内力计算。解题过程分如下几步：确定力法（位移法）基本未知量、建立力法（位移法）基本体系、建立力法（位移法）基本方程、利用图乘法求基本方程组里的柔度系数（刚度系数）、利用图乘法求方程中自由项系数、求力法（位移法）基本未知量、求解结构内力。对于高次超静定问题还要求使用计算软件计算结构内力。

通过对建筑结构选型课程的两个具有代表性知识点进行分析，我们可总结出如下教学经验：涉及工程结构与力学方面的内容是建筑结构选型课程的教学难点，针对不同专业学生任课教师需要因材施教；对于土木工程专业的学生要求详细掌握结构计算方法并根据计算结果熟练做出结构内力图；对于建筑学专业则不用在结构计算与相关公式推导上花费过多的时间，而需要重点讲解最基本的力学原理，概括性地介绍结构受力特征（内力图形态等），引导与启发学生利用学过的基本力学与结构知识理解不同结构受力特征、解释工程现象，从而设计出安全、适用的建筑结构。作为本课程任课老师也需要注意：虽然理论课时压缩了，但不能把关键知识点也删减了。教师仍然要把在土木工程专业中花费几百个课时讲授的重点知识在几十个课时中完整地介绍给学生，只是未必每个知识点需要讲解得很深很细。所以这个教学原则也可以用一个简单的生活常识来表述：一杯水还是这么多，量并未减少，只是看我们是细细品味还是一口吞下。

参考文献：

[1]叶献国.建筑结构选型概论[M].武汉理工大学出版社，2013.

[2]包世华.结构力学 上[M].武汉理工大学出版社，2007.

[3]包世华，辛克贵.结构力学 下[M].武汉理工大学出版社，2007.

[4]沈蒲生.混凝土结构设计原理[M].北京：高等教育出版社，2012.

[5]沈祖炎，陈扬骥，陈以一.钢结构基本原理[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.