建筑结构概念渗透式教学
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时间：2017-10-22
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。
参考文献：
[1]尚春静，李艳荣，任思佳，王雪青.基于BIM的工程管理专业理论课程与实践教学创新研究[J].建筑经济. 2015（09）
[2]张尚，任宏，Albert P.C.Chan.BIM的工程管理教学改革问题研究（二）——BIM教学改革的作用、规划与建议[J].建筑经济. 2015（02）
[3]曾文海，付伟明.BIM技术在高校教学中的应用研究[J].黑龙江生态工程职业学院学报.2014（06）
[4]赵盈盈，涂中强.BIM技术在建筑类课程项目化教学中的应用——基于“建筑工程施工图识读”课程[J].科技创新与生产力.2016（08）
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。
参考文献：
[1]尚春静，李艳荣，任思佳，王雪青.基于BIM的工程管理专业理论课程与实践教学创新研究[J].建筑经济. 2015（09）
[2]张尚，任宏，Albert P.C.Chan.BIM的工程管理教学改革问题研究（二）——BIM教学改革的作用、规划与建议[J].建筑经济. 2015（02）
[3]曾文海，付伟明.BIM技术在高校教学中的应用研究[J].黑龙江生态工程职业学院学报.2014（06）
[4]赵盈盈，涂中强.BIM技术在建筑类课程项目化教学中的应用——基于“建筑工程施工图识读”课程[J].科技创新与生产力.2016（08）
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