建筑中的物理学

一.建筑中的声学1.概况建筑声学是研究建筑环境中声音的传播，声音的评价和控制的学科，是建筑物理的组成部分。2.历史起源有关建筑声学的记载最早见于公元前一世纪，罗马建筑师维特鲁威所写的《建筑十书》。书中记述了古希建筑声学腊剧场中的音响调节方法，如利用共鸣缸和反射面以增加演出的音量等。当时也曾使用吸收低频声的共振器，用以改善剧场的声音效果。15~17世纪，欧洲修建的一些剧院，大多有环形包厢和排列至接近顶棚的台阶式座位，同时由于听众和衣着对声能的吸收，以及建筑物内部繁复的凹凸装饰对声音的散射作用，使混响时间适中，声场分布也比较均匀。剧场或其他建筑物的这种设计，当初可能只求解决视线问题，但无意中却取得了较好的听闻效果。16世纪，中国建成著名的北京天坛皇穹宇，建有直径65米的回音壁，可使微弱的声音沿壁传播一二百米。在皇穹宇的台阶前，还有可以听到几次回声的三音石。18~19世纪，自然科学的发展推动了理论声学的发展。到19世纪末，古典理论声学发展到最高峰。20世纪初，美国赛宾提出了著名的混响理论，使建筑声学进入力学范畴。从20年代开始，由于电子管的出现和放大器的应用，使非常微小的声学量的测量得以实现，这就为现代建筑声学的进一步发展开辟了道路。3.研究对象吸声材料的组合布置和设计适当的反射面，以合理地组织近次反射声等。声学设计要考虑到两个方面，一方面要加强声音传播途径中有效的声反射，使声能在建筑空间内均匀分布和扩散，如在厅堂音质设计中应保证各处观众席都有适当的响度。另一方面要采用各种吸声材料和吸声结构，以控制混响时间和规定的频率特性，防止回声和声能集中等现象。设计阶段要进行声学模型试验，预测所采取的声学措施的效果。建筑声学还要考虑室内声场声学参数与主观听闻效果的关系，即音质的主观评价。可以说确定室内音质的好坏，建筑声学测量作为研究。探索声学参数与听众主观感觉的相关性，以及室内声信号主观感觉与室内音质标准相互关系的手段，也是室内声学的一个重要内容。在大型厅堂建筑中，往往采用电声设备以增强自然声和提高直达声的均匀程度，还可以在电路中采用人工延迟、人工混响等措施以提高音质效果。室内扩声是大型厅堂音质设计必不可少的一个方面，因此，现代扩声技术已成为室内声学的一个组成部分。噪声干扰，除与噪声强度有关外，还与噪声的频谱持续时间、重复出现次数以及人的听觉特性、心理、生理等因素有关。控制噪声就是按照实际需要和可能，将噪声控制在某一适当范围内，其所容许的最高噪声标准称为容许噪声级，即噪声容许标准。4.室内声学当室内几何尺寸比声波波长大得多时，可用几何声学方法研究早期反射声分布，以加强直达声，提高声场的均匀性，避免音质缺陷。统计声学方法是从能量的角度研究在连续声源激发下声能密度的增长、稳定和衰减过程(即混响过程)，并给混响时间以确切的定义，使主观评价标准和声学客观量结合起来，为室内声学设计提供科学依据。当室内几何尺寸与声波波长可比时，易出现共振现象，可用波动声学方法研究室内声的简正振动方式和产生条件，以提高小空间内声场的均匀性和频谱特性。室内声学设计内容包括体型和容积的选择，最佳混响时间及其频率特性的选择和确定，吸声材料的组合布置和设计适当的反射面以合理地组织近次反射声等。声学设计要考虑到两个方面。一方面要加强声音传播途径中有效的声反射，使声能在建筑空间内均匀分布和扩散，如在厅堂音质设计中应保证各处观众席都有适当的响度。另一方面要采用各种吸声材料和吸声结构，以控制混响时间和规定的频率特性，防止回声和声能集中等现象。设计阶段要进行声学模型试验，预测所采取的声学措施的效果。5.应用1.建筑物空气声隔声的能力取决于墙或间壁(隔断)的隔声量。2.直接对楼厂房间造成噪声干扰。3.在机械设备下面设置隔振器，以减弱振动，是建筑设备隔振的主要措施。隔振器已由逐个设计发展成为定型产品。二.建筑构造学1.概况建筑构造学是研究建筑物的构成、各组成部分的组合原理和构造方法的学科。主要任务是根据建筑物的使用功能、技术经济和艺术造型要求提供合理的构造方案，作为建筑设计的依据。2.历史中国先秦典籍《考工记》对当时营造宫室的屋顶、墙、基础和门宙的构造已有记述。唐代的《大唐六典》，宋代的《木经》和《营造法式》，明代成书的《鲁班经》和清代的清工部《工程做法》等，都有关于建筑构造方面的内容。公元前一世纪罗马维特鲁威所著《建筑十书》，文艺复兴时期的《建筑四论》和《五种柱式规范》等著作均有对当时建筑结构体系和构造的记述。在19世纪，由于科学技术的进步，建筑材料、建筑结构、建筑施工和建筑物理等学科的成长，建筑构造学科也得到充实和发展。3建筑结构建筑构造设计建筑结构是构成建筑物并为使用功能提供空间环境的支承体，承担着建筑物的重力、风力撞击、振动等作用下所产生的各种荷载;同时又是影响建筑构造、建筑经济和建筑整体造型的基本因素。为此就要研究建筑物的结构体系和构造形式的选择;影响建筑刚度、强度、稳定性和耐久性的因素;结构与各组成部分的构造关系等。建筑结构体系的类型，基本可分为:木结构建筑、砖混结构建筑和骨架结构建筑，装配式建筑和工具式模板建筑，筒体结构建筑、悬挂结构建筑薄膜建筑和大跨度结构建筑等。3.建筑物对于建筑物来说，屋顶、墙和楼板层等都是构成建筑使用空间的主要组成部件，它们既是建筑物的承重构件，又都是建筑物的围护构件。它们的功能是用来抵御和防止风、雨、雪、冻、地下水、太阳辐射、气温变化、噪声以及内部空间相互干扰等影响，为提供良好的空间环境创造条件。3.建筑功能按照建筑功能需要而设置的构件和设施，包括楼梯、台阶、阳台、雨篷、栏杆、隔断、门、宙、天宙、火墙、火炕和房屋管道配件等。建筑配件除满足使用功能要求外，均有艺术造型方面的要求，在习惯上把中国古代属于小木作范围的如门、宙、栏杆、隔断、固定家具以及顶棚、地面、墙面等构件归入建筑装修。4.建筑装饰单纯为了满足视觉要求而进行艺术加工的则归入建筑装饰。建筑装修和装饰同建筑的艺术表现和使用功能有密切关系。为此，就要研究构配件的功能、造型、尺度、质感、色彩以及照度等有关问题。为了防止建筑物在使用过程中受到各种人为因素和自然因素的影响或破坏，必须研究下述问题，并采取安全措施，如建筑防火、建筑防震建筑防爆、建筑防尘、建筑防腐蚀、建筑辐射防护、建筑屏蔽、地下，室防水、外墙板接缝防水以及变形缝等。5.建筑构造建筑构造是为建筑设计提供可靠的技术保证。现代化的建筑工程如果没有技术依据，所作的，设计只能是纸上的方案，没有实用价值可言。建筑构造作为建筑技术，自始至终贯穿于建筑设计的全过程，即方案设计、初步设计、技术设计和施工详图设计等每个步骤。6.等级划分对建筑物结构作质量上的等级划分，有助于确定建筑险保险费率。一等建筑:(1)房架用钢骨水泥、砖石或钢结构;(2)内外墙、地坪、楼坪、扶梯用钢骨水泥、砖石或钢结构;(3)房顶用水泥、瓦片、砖石、铁皮、石棉、沥青或油毛毡。二等建筑:(l)房架、地坪、楼坪、扶梯用木结构;(2)内外墙主要用砖石、水泥或其它不易燃烧的材料;(3)房顶用砖瓦、铁皮、石棉、沥青或铺石屑的油毛毡。三等建筑:凡次于前两等级的建筑物均属三等建筑。同时按照建筑物重要程度可将建筑物分为四个等级，一类建筑:纪念性建筑和特别重要建筑，使用年限在100年以上;二类建筑:普通建筑，使用年限为50~100年;三类建筑:易于替换结构构件的建筑，使用年限为25~50年;四类建筑:临时性建筑，使用年限在十五年以下。三.建筑力学1概况建筑力学是为建筑学专业的学生开设的一门理论性、实践性较强的技术基础课，旨在培养学生应用力学的基建筑力学本原理，分析和研究建筑结构和构件在各种条件下的强度、刚度、稳定性等方面问建筑力学题的能力。在正文中还介绍了两版建筑力学的图书信息。2.发展简史力学知识最早起源于对自然现象的观察和在生产劳动中的经验。人们在建筑、灌溉等劳动中使用杠杆、斜面、汲水器等器具，逐渐积累起对平衡物体受力情况的认识。古希腊的阿基米德初步奠定了静力学即平衡理论的基础。古代人还从对日、月运行的观察和弓箭、车轮等的使用中，了解一些简单的运动规律，如匀速的移动和转动。但是对力和运动之间的关系，只是在欧洲文艺复兴时期以后才逐渐有了正确的认识。16世纪到17世纪间，力学开始发展为一门独立的、系统的学科。伽利略通过对抛体和落体的研究，在实验研究和理论分析的基础上，最早阐明自由落体运动的规律，提出加速度的概念，提出惯性定律并用以解释地面上的物体和天体的运动。17世纪末牛顿继承和发展前人的研究成果(特别是开普勒的行星运动三定律)，提出力学运动的三条基本定律，使经典力学形成系统的理论。根据牛顿三定律和万有引力定律成功地解释了地球上的落体运动规律和行星的运动轨道。伽利略、牛顿奠定了动力学的基础。此后两个世纪中在很多科学家的研究与推广下，终于成为一门具有完善理论的经典力学。3.研究方法力学研究方法遵循认识论的基本法则：实践——理论——实践。力学家们根据对自然现象的观察，特别是定量观测的结果，根据生产过程中积累的经验和数据，或者根据为特定目的而设计的科学实验的结果，提炼出量与量之间的定性的或数量的关系。为了使这种关系反映事物的本质，力学家要善于抓住起主要作用的因素，撇弃或暂时撇弃一些次要因素。力学中把这种过程称为建立模型。质点、质点系、刚体、弹性固体、粘性流体、连续介质等是各种不同的模型。在模型的基础上可以运用已知的力学或物理学的规律，以及合适的数学工具，进行理论上的演绎工作，导出新的结论。依据所得理论建立的模型是否合理，有待于新的观测、工程实践或者科学实验等加以验证。在理论演绎中，为了使理论具有更高的概括性和更广泛的适用性，往往采用一些无量纲参数如雷诺数、马赫数、泊松比等。这些参数既反映物理本质，又是单纯的数字，不受尺寸、单位制、工程性质、实验装置类型的牵制。力学研究工作方式是多样的：有些只是纯数学的推理，甚至着眼于理论体系在逻辑上的完善化；有些着重数值方法和近似计算；有些着重实验技术等等。而更大量的则是着重在运用现有力学知识，解决工程技术中或探索自然界奥秘中提出的具体问题。现代的力学实验设备，诸如大型的风洞、水洞，它们的建立和使用本身就是一个综合性的科学技术项目，需要多工种、多学科的协作。应用研究更需要对应用对象的工艺过程、材料性质、技术关键等有清楚的了解。在力学研究中既有细致的、独立的分工，又有综合的、全面的协作。4.环境力学环境力学是力学与环境科学相互结合而形成一门新兴交叉学科，主要研究自然环境中的变形、破坏、流动、迁移及其伴随的物理、化学、生物过程和导致的物质、动量、能量输运，定量化描述环境的演化规律和对人类生存环境的影响。环境力学的发展十分有利于深化人们对环境问题中的物理过程和基本规律的认识，促进环境问题的定量化研究。21世纪的环境力学研究，既要注重学科发展的自身规律和要求，又要紧密结合国家需求和工程实际，将机理研究、规律分析与防治措施有机地结合起来。结合中国的经济和社会发展需求，中国的环境力学研究必须抓住一个基础（复杂介质流动和多过程耦合）、两个经济发展地区（西部和沿海）、三个方面（水环境、大气环境、灾害与安全），确立重点发展领域，促进学科的发展。一方面，强调环境力学中的共性科学问题，包括：(1)环境流动与输运的基本方程和求解方法；(2)气、液、固界面的耦合；(3)多相、多组分、多过程，以及多尺度的耦合分析等；(4)“环境力学”中模型实验的尺度效应问题等。另一方面，瞄准西部开发和沿海经济开发，以及重大工程和影响的实际环境问题，包括：(1)西部干旱、半干旱环境治理的动力学过程—土壤侵蚀机理、沙尘暴形成和输送机理、以及荒漠化治理；(2)以水或气为载体的物质输运过程—污染物排放过程的精确预报、河口海岸泥沙、污染物输运及其对生态环境的影响规律；(3)重大环境灾害发生机理及预报—热带气旋、风暴潮、洪水预测、滑坡、泥石流产生机理、全球变暖等。四.建筑热工学1.简介建筑物常年经受室内外各种气候因素的作用。属于室外的气候因素有太阳辐射、室外空气的温湿度、风、雨、雪和地下建筑物周围的土壤或岩体的温度和裂隙