1、技术与设计2教材p01-p10第一章结构及其设计 学习结构技术,体验简单结构的设计过程,欣赏结构的精美、和谐与经典，有助于我们处理简单结构设计问题,解决现实中有关结构的问题,拓宽思维和想象空间。学前沙龙：欣赏典型结构，学做简易衣帽架 让我们先从欣赏三组图片（图1-1）开始，走进结构的大千世界，探索结构的奥秘。上面图片中的建筑物、交通工具及生活、学习和体育器材等，都具有结构的新奇特色。如港珠澳大桥采用深达40多米的海底沉管隧道，滴水不漏。从赵州桥到港珠澳大桥，先进的结构技术为中国桥文化铸就了不朽的辉煌!上述三组图片示物的技术核心是结构，它们的共同特点是都要承受和抵抗各种各样的作用力，抵抗可能由此
2、引起的变形或损伤。它们都是结构设计的成果。本次沙龙，极大地激发了同学们对结构探究的兴趣。有同学提议，为改善宿舍的环境，我们自行设计、制作一个简易衣帽架吧!这个想法一提出，即刻得到了大家的一致赞同。制作出的衣帽架，应当能承受相应的重量，达到结实、不易变形、经济、美观等要求。那么,选用什么架构、什么材料、什么几何形状与尺寸,采用怎样的连接、装配与安装方式等，需要科学地设计。为了解决这些技术问题，我们应先学好结构及其设计。第一节初识结构 问题思考 无论是衣帽架还是椅子或凳子，都要承受挂在或压在其上的物体产生的压力或其他力。设计时，首先要考虑它们作为结构是否能够承受这些力。同样，设计火箭时，也要考虑火
3、箭的外壳与内部结构是否能承受相应的力。总之，进行每项设计，都会遇到设计对象承受力的问题。那么，如何使设计的衣帽架既牢固又方便使用，外形还美观?一、结构实例展示 问题思考 生活中常见的凳子大多是什么样的?人坐在凳子上时，会给凳子施加什么样的力?在你教室所坐的凳子上感受一下。实例1传统的板凳种经典的力学结构 图1-2中的板凳都由凳面和凳腿两个基本部分组成。凳面和凳腿是怎样搭配和组合(架构)的呢?3种板凳有什么不同?我们先从“怎样架构”的角度进行讨论。板凳（a)有4条腿，凳腿之间略呈“八”字形态，两根横掌（cheng)分别将左端两条凳腿和右端两条凳腿连接在一起。板凳(b）在板凳（a）的基础上去掉了两
4、根横穿。板凳(c）在板凳(a)的基础上加了1根长赏，将左端两条凳腿和右端两条凳腿之间的横棠连接在了一起。技术探究 如果板凳(b)断了1条腿，或者将其4条腿都做成直上直下的形状，那么人坐在上面还能像原来那样稳当（稳定)吗?板凳（a)的两条短穿起了什么作用?板凳(c）的那条长掌又起了什么作用?注意:3种板凳的凳腿和凳面之间、凳腿与横掌之间、长掌和两根小横掌之间的连接，都采用了榫卯连接。比较3种板凳:(b)的架构最简单,(a)的架构居中，(c)的架构最复杂也最结实。从实例1可知，初识结构要把握结构的三要素，即架构、构件和连接。不同的要素，将会给结构带来不同的特性。开眼界 榫卯结构及联想 榫卯结构采用
5、的是在两个木构件上制作的凹凸（阴阳）体结构相互紧密结合的一种连接方式。凸出部分叫榫或榫头)，凹进部分叫卯（或榫眼、榫槽)，榫和卯完全咬合，起到连接作用。中国古代建筑、家具及其他木制器械中常采用榫卯结构。榫卯结构是极为精巧的发明，榫卯结合成一体后，不但可以承受较大的荷载，而且允许产生一定的变形。榫卵结构应用于房屋建筑后，虽然每个构件都比较单薄，但是整体上却能承受巨大的外力。这种结构不在于个体的强大，而在于互相结合、互相支撑的整体的强大。试想，要做到榫卯连接“严丝合缝”非常不容易，需要工匠高度的敬业精神和高超的技术水平来保证。实例2吊车与辘轳 工厂车间里的龙门吊、工地现场的汽车吊及传统的辘泸都是吊
6、运设备，如图1-3所示。车间里、工地上的许多重物，从一个地方搬运到另一个地方，需要用吊车;从深井里打水，需要用辘瘘。满足这些功能需求的吊车、辘铲是怎样构造的呢?吊车的各组成部分之间的搭配与连接采用了吊绳，辘岐也是一样。这是此类设备在构成上的一个共同点。吊车吊运工件或重物，辘逼提取井水，尽管用途、操作方式不一样，但它们都是利用吊车上的电动机或辘瘘的牵拉力,并借助吊绳（如钢丝绳)来实现吊的功能，完成吊的过程。作为部件的吊绳，其架构形态是多样的，使用的材料也是多种的，如图1-4所示。技术探究 从“怎样装配组合”的角度，分析吊车、辘护的搭配与连接。实例3蛇皮管灯具 学习或工作时,大家都希望案头的台灯具
7、有方便调节高度的功能。蛇皮管台灯(图1-5)可以满足这种功能需求。只要适当地弯曲蛇皮管,就可以获得理想的光照效果。蛇皮管作为这种台灯中的一个主要部件，起到支撑灯头、灯罩的作用。如果用一根能方便弯曲的弹性软管去支撑台灯灯头，会是什么结果呢?在用手施加的外力作用下，软管可以弯曲到人们所期望的程度，可是，当手松开的时候,软管将会反弹，弯曲的效果不尽如人意。技术探究 查找蛇皮管的构造资料，研究它为什么能停留在任何位置，还能起到支撑作用。阅读材料 跳水赛场里的跳板 跳水赛场里，水池上方悬空伸出来的跳板上无人时，它是平直的。当运动员在板端起跳时，跳板因受到很强的外力作用，产生明显的弯曲变形（图1-6)。跳
8、板是悬臂梁受力变形的典型实例。二、结构的含义、功能与分类 前面的三个实例留下了许多问题:板凳、吊车与辘护、蛇皮管台灯的功能是什么?凳腿与凳面、吊车与吊绳，以及台灯座、灯头与蛇皮管之间是怎样搭配和排列的?它们在使用中各受到哪些外力的作用?(一）结构的含义与功能 板凳，采用榫卯或钉子连接、凳腿之间加掌或不加掌、用4条腿或是3条腿、结实或不结实、稳定或不稳定,这些形态和性质都是由结构决定的。结构是指组成某体系的各部分单元之间的搭配和排列(布局安排)，确定的搭配和排列决定了该体系的性质和形态。结构的各组成部分，通常称为构件。如建筑结构是由若干构件组成，即由组成这类结构的单元连接起来而构成的能承受荷载和
9、发挥功能的一类体系。结构会受到各种各样的力或力矩。例如，人坐在板凳上，板凳承受了人体自身向下的压力;吊车吊起重物时，吊绳承受了沿绳长方向的拉力;调整蛇皮管台灯到合适的位置，蛇皮管受到与其轴线相垂直的外力。因此，结构是可承受一定力或力矩的架构形态，抵抗变形或产生需要的变形是结构的本质。(二）常见结构的类型 板凳应既牢固，又稳定;蛇皮管台灯应便于调节，且调节后不会反弹。这说明结构是由它的功能和需要决定的，结构具有确定的性质和形态。结构是多种多样的，其分类也是多种多样的。从力学的架构与形态考虑，结构一般有如下分类:1.实心结构 水库的大坝、房屋的墙体、城墙等都属于实心结构(图1-7)。它的特点是能承
10、受较大的压力。这类结构的特征是几何外形简单，通常有杆(柱)、板、体等之分。阅读材料 实心结构实例 木制板凳的凳面和凳腿都是实心的。人坐上去的时候，凳面承受压力，这个压力分解传递到4条凳腿上。凳面只要具备足够的厚度，凳腿具备合适的粗细，它们就能承受住压力，而不会产生明显的变形或损坏。水库大坝属于实心结构。大坝除了受自身的重力作用之外，主要承受库内存水作用于坝体上的巨大且持久的压力，还要承受大风作用于大坝的侧力等。大坝的结实与稳定，是确保水库安全的根本。因此，大坝坝体的宽度与坡度、采用的材料、修筑工艺等方面，都需经过科学的设计和严格的施工。2框架结构 房屋的门、窗常用木框架，如图1-8所示。现在有
11、了铁框架、塑钢框架和断桥铝框架。塑料大棚的棚体，可以是钢铁框架，也可以是竹木框架。自行车车体是钢管析架式框架，输电铁塔是铁质榆架式框架，等等，都是框架结构。框架结构的几何外形多种多样，自身质量较小，能承受各种荷载，依据功能和使用条件的不同,可以设置成不同框架的组合。框架结构通常由杆件组成。这里的杆，可以是实心的，也可以用管材。由于框架结构的制作较为方便，又能节省用料,在实际生产、生活中被广泛采用，如图1-9所示。3.壳体结构 壳体结构是指由曲面形板与边缘构件（梁、拱或榆架)组成的空间结构。日常使用的各式各样的水杯、水壶、文具盒、存钱罐,用钢板制成的坦克，用于太空飞行的舱体，液化石油气储罐,运油
12、的圆柱形车载大油罐,航道标志用的浮标，等等，从架构与形态上看，都属于壳体结构（图1-10).壳体结构由于存在原始曲度，具有很好的空间传力性能，受力与结构性能不同于平板(见下面的技术探究)壳体结构是一种强度高、省材料的结构形式,广泛应用于工程结构中。壳体的几何形状有折线式(方形、长方形、多边形)、圆弧形和拱形等。技术探究 摩托车驾乘人员的头盔，常见的都是圆弧形结构。为什么这样做呢?当这种头盔受到外力冲击时，外力将由弧面整体分担承受，抵抗变形。如果将头盔做成长方体形或多面体形，受外力冲击时，外力将主要由接触点所在的小平面承受，易使壳体变形。联系实际生活，找出一些圆弧形壳体结构、多面体形壳体结构的实
13、例，指出它们的应用场合。阅读材料 自然界中的壳体结构何其多 自然界中的椰子、桂圆、西瓜、贝类、蛋、龟等，都属于壳体结构。它们遵循着适者生存的法则，经过漫长岁月的演变，选择了最合理的外形。它们以较薄的外壳，获得了较大的承受外力的卓越性能。这一事实，给人类带来了发明创造的宝贵灵感!技术探究 对我们周围常见的结构实例进行归类，指出它们的应用场合，并分别填入表1-1，试画出草图。开眼界 结构分类种种 按不同的标准，结构可有多种分类方式。而且，现实中的结构往往是多种结构类型的组合。从结构的几何形态来分，可有以下几种。1.缆索结构 有位名人说:缆索结构之美，在于它既好看又符合机能。缆索可以是线、绳索、细管
14、等。缆索的形式有:在单线上挂一荷载两端有支撑点，在其中间处挂荷载，缆索呈“V”字形。第二种缆索上的张力大小，需视缆索上的角度与荷载大小而定。如帆船上的缆索与桅杆，缆索的作用是防止桅杆倾倒及挫曲，如图1-11所示。又如拉索桥由缆索、塔墩和主梁组成，其中缆索固定于塔墩之上，用于吊住主梁，支撑桥面及其荷载。拉索桥桥身高度小，桥下净空大，用料较省，便于施工，如图1-12所示。2.桁架结构 桁架是一种将杆件彼此在两端通过焊接、铆接或螺栓连接而成的支撑横梁结构。大跨度建筑物的屋顶、大型桥梁等常采用析架结构，如图1-13所示。3.网架结构 网架是板的格构化形式。3边金字塔形和4边金字塔形较为普遍。许多加油站
15、的顶棚，都采用不锈钢材料的网架结构，精美实用，如图1-14所示。4.网壳结构 网壳是壳的格构化形式，又称网穹。它有4面体、6面体、8面体、12面体、24面体等多种几何形状，如图1-15所示。技术探究 钢笔结构探秘 钢笔是一种书写工具，在很多重要场合都会使用钢笔。探究方法:拆卸一支钢笔,探究之后再将其装配好。探究内容:(1）钢笔作为一个完整结构，它由几个构件构成?各构件的功用是什么?(2）各构件之间是如何连接的?连接可靠性好吗?(3）笔尖为什么用金属制成?钢笔墨囊为什么用橡胶制成?(4）钢笔水为什么能从墨囊内源源不断地流至钢笔尖而保证书写流畅?从结构上采取了什么关键措施?探究方式:分组进行，人人动手且动脑;各小组写出探究记录，全班交流。重点问题:作为探秘，秘的关键部位在哪?作为结构设计其匠心何在?提示:仔细观察钢笔尖及其下面的笔舌。技术实践 衣帽架的种类多种多样。请用技术与设计1中学过的知识和技能分小组为班级设计衣帽架，画出设计草图，并说说每组设计的衣帽架属于什么结构类型。