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（河南版）《技术与设计2》课文内容

第一章 结构及其设计

2019年版本

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第四节　经典结构赏析

学习目标

1．初步学会从技术角度来评价结构设计。

2．能够从文化美学角度来欣赏结构外形。

3．提高技术设计中的文化素养和审美情趣。

在评价结构设计时，我们要学会将结构技术的科学美与视觉构图的艺术美结合起来。结构形式的要素就是功能（满足用户需求）、效率（最少量材料）、经济（最低的成本）和美观（最大限度地表现出美）。这些要素构成了当代文明生活的基础。

建筑被誉为凝固的音乐，一座建筑往往能反映出其历史时期工程技术和社会文化的水平，是人类智慧和劳动的结晶。

一、结构欣赏1——山西应县木塔

我国古代房屋结构形式多采用木框架承重、木质楼盖及砖砌墙壁，类似于现代建筑结构形式。山西应县木塔（图1.55）是中国现存最高的古代木构塔式建筑。它建于1056年，建在4m高的两层石砌台基上。木塔通高67.31m，底层直径约30.27m，平面为八角形，五层六檐，但是塔内夹有暗层四级，实为九层。塔内各层均用内、外两圈木柱支撑，每层外有24根木柱，内有8根木柱，木柱之间使用了许多斜樘、梁、枋和短柱，组成不同方向的榫卯连接木架，将整个塔连接为一个整体，既坚固又壮观。塔建造至今已有近千年历史，经历了几次大地震仍巍然屹立。它是建筑结构、功能及造型艺术的典范之作，是中国古代建筑史上的一大奇迹。

图1.55 山西应县木塔

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斗拱结构

斗拱结构是中国古建筑特有的一种结构，在立柱和横梁交接处，从柱顶上一层层探出呈弓形的承重结构叫作拱，拱与拱之间垫的木块叫作斗，斗上加拱，拱上加斗，层层叠加，起到支撑作用。

图1.56所示为中国古建筑斗拱结构图。斗拱在中国古建筑结构上主要有四个方面的作用：

（1）它位于柱与梁之间，由屋面和上层构架传下来的载荷要通过斗拱传给柱子，再由柱子传到基础结构。因此，它起着承上启下、传递载荷的作用。

（2）它向外出挑，可把最外层的桁檩挑出一定距离，使建筑物出檐更加深远。

（3）它构造精巧，造型美观，如盆景，似花篮，又是很好的装饰性构件。 

（4）斗拱采用的是榫卯连接方式。榫和卯咬合，起到连接作用。研究证明，用斗拱把屋檐质量均匀地托住，能起到平衡、稳定、抗震的作用。

图1.56 中国古建筑的斗拱结构

实践与体验

孔明锁3D打印

孔明锁（又称鲁班锁）的设计起源于古代中国建筑中独创的榫卯结构，相传是三国时期诸葛亮根据八卦学的原理发明的一种智力玩具，曾广泛流传于民间。请同学们从网上收集这种三维拼插结构的智力玩具图形，在三维CAD软件中完成榫卯零件的尺寸形状设计和装配啮合建模，并最终完成3D打印（图1.57），从而了解中国古代榫卯结构的科学原理和工程应用价值。

图1.57 使用三维CAD软件进行孔明锁的建模与3D打印

二、结构欣赏2——悉尼歌剧院

1973年落成的悉尼歌剧院（图1.58），是建在海边的一座新颖奇特的建筑，是由丹麦建筑师伍重设计的。它的外形像一支扬帆出海的船队，又像海滩上洁白的大贝壳，里面有音乐厅、剧院、图书馆、展览馆、餐厅等，在周围海景的衬托下，显得十分和谐、美丽，被誉为当代建筑史上的一件“稀世之作”。

设计师当时考虑要使人们从四面八方都能看到这座建筑，不仅可以从图1.58悉尼歌剧院海面上、陆地上、街道上、大桥上看到它，也可以从悉尼港南北两岸的高层建筑上看到它，还可以从经过悉尼上空的飞机上清楚地看到它。因此，它不仅应该有东、南、西、北四个漂亮的立面，还应该有第五个从上面看下来的漂亮的立面。倘若采用一般歌剧院的形式，则无法避免在舞台的上方设置一个方方正正、单调沉闷的起吊布景用的台箱，并且突出在整个剧院的最高处。于是设计师为歌剧院设计了三组既像贝壳又像白帆的屋顶。这个设计方案虽然被选中，但是在实施时遇到了不小的困难。由于这种造型奇特的薄壳结构在方案设计阶段仅仅是源于一时的灵感，没有考虑结构受力和施工方法，而经过科学计算，原先粗估的壳顶厚10cm，底部厚50cm，如此巨大的薄壳根本无法实现。工程师们一直设想以各种形式的薄壳来解决问题，比如抛物线薄壳、带筋的薄壳、双层薄壳等，还做了各种模型试验，结果全都失败了，最后不得不放弃单纯的薄壳形式而代之以预应力Y形、T形钢筋混凝土筋骨拼接的三角瓣壳体。经过长达6年的计算、试验与施工，歌剧院终于落成。悉尼歌剧院已经成为悉尼港的象征，在碧海、蓝天、绿树的衬托下显得美丽动人，既富有诗意又充满浪漫色彩。这个例子，也说明了工程师在设计过程中，一定要考虑工程实施中的制造工艺问题。如果考虑不周，会给后续的施工带来很大的困难。

三、结构欣赏3——港珠澳大桥

港珠澳大桥是连接香港、澳门和珠海的超大型跨海通道，全长55km，主跨460m的“双塔空间双索面钢箱梁斜拉桥”是大桥全貌最具特色的标志（图1.59）。港珠澳大桥是粤港澳三地首次合作建设的大型跨海交通工程，对促进香港、澳门和珠江三角洲西岸地区经济的进一步发展具有重要的战略意义。港珠澳大桥于2009年12月15日动工，2018年10月24日正式通车。

港珠澳大桥是当今世界规模最大、标准最高、最具挑战性的跨海桥梁工程之一，是中国从桥梁大国走向桥梁强国的里程碑之作。

（1）港珠澳大桥的海底隧道长约6.7km，由33节钢筋混凝土结构的沉管对接而成，是世界上最长的沉管海底隧道。

（2）整个大桥的桥面铺装工作堪称世界范围规模最大，铺装历时一年，总铺装面积达70万平方米。

（3）大桥的主梁钢板用量达42万吨，约可建造60座埃菲尔铁塔或10座“鸟巢”。

（4）针对大桥跨度大、地势复杂的特殊工况，大桥建设者自主研制出世界最大尺寸的高阻尼橡胶隔震支座，可抵抗16级台风、8级地震及30万吨巨轮撞击，好比为港珠澳大桥安装了“定海神针”。

图1.59　港珠澳大桥

活动延伸

参观本地具有民族文化特色的建筑，感受经典结构的魅力。