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技術與設計2

第一單元結構與設計

人們每天都在與各種各樣的結構打交道。

游樂場里的游樂項目讓人目不暇接，過山車、旋轉飛輪、旋轉木馬等令孩子們流連忘返。觀察這些游樂設施，你會驚嘆它們結構設計的巧妙和堅固。

認識結構，分析影響結構的穩定性和強度的主要因素，將使我們理性地觀察和對待世間奇妙的結構現象，雞蛋為什么能承受重壓，比薩斜塔為什么斜而不倒將使我們學會進行簡單的結構設計。

一、常見結構的認識

學習目標

了解結構的含義；從力學的角度理解結構的概念和一般分類；能結合1—2種簡單的結構案例，分析結構是如何承受力的。

1、無處不在的結構

結構是指事物的各個組成部分之間的有序搭配和排列。世界上任何事物都存在結構，結構多種多樣且決定著事物存在的性質。

在自然界，蜂窩、蜘蛛網、大樹、動物的身體與器官等都有其特定的結構，這些形形色色的結構給了人們無限的創造靈感和啟示。通過對自然界中結構的分析和研究，人們將其成果應用到技術領域，更好地服務于人類。

案例分析

蒼耳與尼龍搭扣

狩獵者從灌木叢走過，褲子上粘滿了令人討厭的蒼耳子。仔細觀察蒼耳子，它的表面布滿了許多小剌，每根剌上都有細細的倒鉤，碰到纖維類的衣物，便粘在上面。瑞士的喬爾吉。朵青斯經過8年的研究，根據蒼耳子的結構，發明了尼龍搭扣用以代替紐扣、拉鏈、接縫劑等。

鳥與飛機

人類飛翔的夢想源于振翅高飛的鳥，飛機原型的產生源于對飛鳥形體結構的仿生。鳥類能夠自由飛翔，是因為它有適應飛行的自由流暢的外形和使身體更輕便的翅膀、骨質中空結構。觀察飛機的結構，兩側的機翼就像飛鳥展開的一對翅膀，一些輕型材料的使用使機身更輕便，整個飛機的流線型仿佛飛鳥沖剌的形態。是飛鳥啟發了人類，幫助人類實現了飛行的夢想。

鷹眼與導彈跟蹤系統

鷹可以在幾千米的高空準確無誤地辨別地面上的動物，這是因為它的眼部結構比較特殊。人類每只眼睛的視網膜上都有一個凹槽，叫做中央凹。而老鷹眼中的中央凹卻有兩個，這兩個中央凹的作用不同，其中一個專門用于接收來自老鷹頭側面物體的像，中一個用于接收來自鷹頭前方物體的像。這樣，老鷹的視覺范圍就寬多了，能兼顧前方和側面。根據鷹眼的結構，人們正在研制“鷹眼”導彈系統。這種導彈系統能自動尋找、識別并跟蹤攻擊。

馬上行動

生產生活中還有哪些產品的結構是受到自然界事物結構的啟發而產生的？

在技術領域，產品的結構更是豐富多彩。一把錘子、一輛汽車、一座橋、一幢房子都具有特定的結構。結構影響著它們的性質和功能，結構方面存在的一個小問題也許就會導致重大事故的發生。因此，合理的結構是事物存在的基礎，卓越的結構是設計者和制造者的重要追求。

閱讀：魁北克大橋的坍塌

魁北克大橋興建于20世紀初期，它是由橋梁學家庫帕設計的當時世界上同類大橋中最長的一座。當時橋的建設速度很快，施工組織也很完善，正當投資修建這座大橋的人們開始考慮如何為大橋剪彩時，隨著一陣震耳欲聾的巨響，大橋的整個金屬結構垮了，19000t鋼材和86名建橋工人落入水中，只有11人生還。

大橋坍塌的原因是設計師在沒有對橋梁的關鍵部位做相應加固的情況下，擅自將原來的500m的橋長延長到了600m，造成了大橋南端制動臂上的壓力索發生彎曲，從而導致整個上層結構的傾塌。

為了記住這一教訓，所有畢業于加拿大各大學的工程師都有一個鐵指環，這些鐵指環是由那座坍塌的魁北克大橋上的金屬制成的（現在的指環由不銹鋼制造）。它們時刻提醒人們，進行結構設計要具有高度的責任感。

在社會領域，也普遍存在著結構現象。一篇文章的內容結構影響文章的表達與質量，一家企業的人員結構關乎企業的運行與效率。

馬上行動：請舉出給你印象較深的有關結構的事例

自然界：、、、。

技術領域：、、、。

社會領域：、、、。

2、結構與力

從力學角度來說，結構是指可承受一定力的架構形態，它可以抵抗能引起形狀和大小改變的力。

每個物體都有它特定的架構形態，這種架構形態體現著它的結構，一個較復雜的結構由許多不同的部分組成，這些組成部分通常稱為構件。如自行車的車輪，它是由輻條、輪胎、車圈、氣門等構件組成的。

當一個結構受到外力作用時，內部各質點之間的相互作用會發生改變，產生一種抵抗的力，稱為內力。應力是構件的單位橫截面上所產生的內力，當應力達到某一極限值時，結構就會遭到破壞。用公式表示應力為σ=F/S，其中，F是內力，S是受力面積，σ是應力。

生產生活中常見的結構都能抵抗來自外界的各種作用力和自身重力。例如，自行車承受人和所載物體的壓力及自行車自身的重力；橋墩承受自身重力及負載的壓力、大風的作用力等其他外力。

馬上行動

指出下列結構可以抵抗來自外界哪些方面的作用力。

建筑物的窗戶：。

餐桌：。

硬紙包裝箱：。

分析結構的受力情況時，首先要清楚組成結構的構件受到哪些力的作用；其次要清楚在這些力的作用下，構件能否安全、可靠地工作，也就是對構件進行承載能力分析。構件的受力形式多種多樣，基本受力形式有拉力、壓力、剪切力、扭轉力和彎曲力，很多情況下，構件可能同時受到幾種不同形式的力的作用。

馬上行動

請連線：

拉力作用于物體，使它產生彎曲的力

壓力兩個距離很近，大小相等，方向相反，且作用于同一物體上的平行力

剪切力擠壓物體的力

扭轉力物體所承受的拉拽力

彎曲力反方向向物體兩端均勻施力，使物體發生扭轉形變的力

案例分析

它們受到哪些力的作用

1、椅面

人坐在椅子上，椅面受到的力：一是人對椅面的壓力PA，二是椅面自身的重力PB，三是椅子的支架對椅面產生的支撐力F。它們使椅面處于平衡狀態。根據力的平衡條件，有F=PA+PB。

在力F、PA、PB的作用下，椅面會產生抵抗外力的內力，當內力超過一定值時，椅面會產生斷裂。

2、橋梁的橋面

一座簡易橋梁，行人和車輛通行的橋面受到的力有行人和汽車對橋面的壓力P1，橋自身的重力P2，兩端橋墩對橋面的支撐力N，以及風對橋面的力F等。

馬上行動

填空：

在右圖中，吊蘭的支撐架承受力，橋墩承受來自橋面、橋上負載的力，兩端被托住的橋梁受到力，大壩承受力等。

仔細想想，它們會受到哪些力的影響？

探究

觀察下圖，說明石磨的推桿為什么要用一根繩子吊起來。

小試驗

試驗目的：比較不同形狀的紙板承受壓力的大小。

試驗準備：

1、取廢舊紙盒的紙板，分別裁出3條大小均為10cm*40cm的小紙板。

2、分別取若干本書（用于支撐紙板）和給紙板加壓的重物。

試驗過程：

1、將一紙板用兩摞書支撐起來，在紙板上中間不斷增加重物，直到它塌下去，記錄此時承受的重物質量的大小。

2、將另一紙板彎成拱形，兩端用兩摞書抵住以阻止拱形延長，在拱形的上端不斷增加重物，直到它塌下去，記錄此時承受的重物質量的大小。

3、將剩下的紙板彎成比前次跨度小的拱形，在拱形的上端不斷增加重物，直到它塌下去，記錄此時承受的重物質量的大小。

試驗總結：

1、哪種情況下紙板的抗壓能力最強？

2、舉例說明這一結論在實際應用中有什么意義。

3、如果把紙板折成瓦楞狀，試驗結果會發生什么變化？

3、結構的類型

根據物體的結構形態，通常將結構分為實體結構、框架結構和殼體結構三種基本類型。此外，根據需要還可以有其他分類方法。

實體結構

實體結構通常是指結構體本身是實心的結構。它的受力特點是，外力分布在整個體積中，如實心墻、大壩等。

框架結構

框架結構通常是指結構體由細長的構件組成的結構。其特點是，支撐空間而不充滿空間，如鐵架塔、建筑用腳手架、廠房的框架等。

殼體結構

殼體結構通常是指層狀的結構。它的受力特點是，外力作用在結構體的表面上，如摩托車手的頭盔、飛機的外殼、貝殼等。

小試驗

試驗目的：了解殼體結構的受力情況。

試驗準備：大小相同的生雞蛋3只，合適的瓶蓋6只，木板1塊，磚頭或石板若干。

試驗過程：將3只瓶蓋以三角形狀擺放在桌面上，將雞蛋分別立于瓶蓋上，再在雞蛋上蓋上另外3只瓶蓋。取一木板放在上面，輕輕將磚頭或石板壓在木板上（磚頭或石板應放在雞蛋所組成的三角形的中部）。

試驗記錄：記錄雞蛋所能承受的磚頭或石板的塊數。

思考

1、為什么雞蛋能夠承受如此大的壓力？

2、觀察烏龜背殼的結構，想一想這種結構會給烏龜帶來什么樣的好處？

在生產和生活實際中，很多物體的結構是由兩種或兩種以上的基本結構類型組合而成的。如埃菲爾鐵塔，它的塔腿由石砌礅座組成，塔身由鋼鐵部件的框架組成。

案例分析

物體的結構類型

大多數現代建筑物是由若干種基本結構類型組合而成的，往往整體是框架結構，地基、柱等是實體結構，有的是建筑的屋頂則是殼體結構。見圣彼得大教堂、埃菲爾鐵塔。

自行車也是由若干基本結構類型組合而成的。其中，承重部分是框架結構，擋泥板是殼體結構，腳踏與鏈輪之間是傳動結構（屬于機械結構）等。

馬上行動

指出表中所列物體的結構類型，在對應欄下打“√”，并寫出受力特點。

物體結構

實體結構

框架結構

殼體結構

組合結構

受力特點

柵欄

圓形陶瓷裝飾品

冰山

高層建筑的穹頂

鋼化玻璃鍋蓋

竹排

汽車外殼

人的頭蓋骨

古羅馬斗獸場

練習

1、生活中，有哪些物體的結構分別屬于實體結構、框架結構和殼體結構？有哪些物體的結構是由多種結構組合而成的？

2、利用我們身邊的材料，如秸稈、火柴棍、橡皮泥、蛋殼等，制作實體結構、框架結構和殼體結構模型，并簡述這些結構的受力特點。

3、請分析，當出現交通事故時，摩托車手的頭盔是如何避免外力對頭骨的撞擊的？汽車的安全氣囊又是如何保護駕駛員的？

二、穩固結構的探析

學習目標

能通過技術試驗分析影響結構的穩定性和強度的因素，并寫出試驗報告；理解結構與功能的關系。

1、結構與穩定性

結構的穩定性

日常生活中，時常會看到翻倒在地的物體：臺風過后，東倒西歪的廣告牌或路標牌；因貨物堆得過高而在彎道處翻倒的三輪車；路邊倒地的自行車；路上翻倒的空竹簍。這是因為當物體受到外力作用時，原有的平衡狀態被打破而出現的不穩定現象。

結構的穩定性是指結構在負載的作用下維持其原有平衡狀態的能力。它是結構的重要性質之一。如果一個物體的結構不能有效地抵御常見外力的作用，那么該物體是很難承受負載而保持平衡的。對于構件來說，在外力的作用下其平衡形式不能發生突然變化，如工業廠房中的支撐柱，由于本身較為細長，當承受的壓力過大時，會突然變彎，使原來的直線平衡形式轉變為彎曲平衡形式，導致式轉變為彎曲平衡形式，導致廠房維持平衡狀態的能力降低。

馬上行動

填表說明下表中的物體有可能因受到哪些力的作用而出現不穩定現象，并根據你的生活經驗，簡要說明原因。

物體

受到的外力

不穩定的主要原因

廣告牌

落地燈

底小口大的空竹簍

影響結構穩定性的主要因素

影響結構穩定性的因素有多種，主要有重心位置的高低、結構與地面接觸所形成的支撐面的大小和結構的形狀等。

案例分析

穩定性

1、結構的重心

獨腳茶幾的高度設計得比較低，底座采用較重的材料（如大理石），臺面采用比底座輕的材料（如木材），使茶幾的重心降低，以提高穩定性。

2、結構的底座

建筑、橋梁這類大型的固定結構，底座越大越堅實，穩定性越好。

3、結構的形狀

照相機的支撐架常使用三角架而不用其他形狀，是因為三角支架與地面有三個接觸點，形成的三角結構使照相機的支撐架更容易穩定。

馬上行動

人們利用梯子可以登高。請分析A字形梯載人時能穩定的原因，如果沒有梯子中間的拉桿將會怎么樣？

對于一個結構而言，如果重心所在點的垂線落在結構底面的范圍內，就是穩定的，不會出現傾倒。

結構與地面接觸所形成的支撐面越大越穩定，如高塔的共同特點都是上端小而下端大。

結構的形狀不同，其穩定性也不同，如果板凳只有兩條腿就不穩定，而有不在同一直線上的三條腿就有較好的穩定等。

影響結構穩定性的因素是相互關聯的，需要綜合考慮各種因素來討論結構的穩定性。物體在靜止狀態與運動狀態下的穩定性的條件也是不同的。

案例分析

靜態的自行車是如何保持穩定的

通常，靜態的自行車在地面上的支撐方式有雙腳支撐和單腳支撐。

雙腳支撐的支撐架與地面之間有兩個接觸點，這兩占與前輪和地面的接觸點構成三點支撐形式，自行車的重心落在前輪與支撐架構成的支撐面內，它是穩定的。

單腳支撐形式的支撐腳和地面的接觸點與前、后輪和地面之間的接觸點共同構成三點支撐，在地面形成⊿ABC。它的穩定程度取決于單腳支撐架的傾斜度，在一定范圍內，支撐架與地面的夾角越小（自行車的車身越斜），⊿ABC的面積越大，自行車的重心容易落在三角形內，穩定性越好。

探究

生活中我們有這樣的經驗，一個物體要有三個支撐點才能穩定，如果只有兩個就會倒下。但是，自行車在騎起來時，卻只有兩個支撐點，為什么不會倒下呢？

人們對結構的多元化要求，使得有些結構設計在滿足使用功能對穩定性的基本要求的同時，往往還要綜合兼顧人的個性化要求、美化因素和材料因素等。

思考

除了重心位置的高低、結構與地面接觸所形成的支撐面的大小和結構的形狀外，你認為還有哪些因素影響結構的穩定性？在汽車制造中，利用殼體結構和薄鋼板材制造汽車的車體，而不用框架結構或較厚的鋼板，原因是什么？

結構的穩定性在日常生活中有著廣泛的應用，一方面人們利用穩定的結構抵抗外力、承受負載，另一方面又利用不穩定的結構實現某些功能。如在地震多發地區，人們將啤酒瓶之類的物體倒置在地上，利用這一不穩定的結構實現預報地震的功能。

馬上行動

請列舉生活中利用不穩定的結構實現一定功能的事例。

閱讀

比薩斜塔

很多人都知道比薩斜塔。當地人希望這座塔繼續保持傾斜，但不倒塌，因為它能吸引眾多游客。

比薩斜塔向南傾斜大約5.5o，這意味著斜塔第七層的柱子比第一層要探出大約4.5m。這些年來，由于地基的不穩定性質，塔已經平均下沉了2.8m，塔的北端和南端已分別下沉了1.86m和3.75m。塔的傾斜使建筑底層部分垂直壓力產生了危險的集中，塔的拉力已使螺旋型樓梯的臺階和天花板產生了裂縫。

為了提高比薩斜塔的穩定性，人們想出很多方法，其中，一種方法是用定向的力來幫助加固塔的結構，底部600t的鉛錠產生的垂直力已使傾斜略微減輕；還有一種方法是將向南傾斜的塔基北側地基下的沙土挖走，使塔的傾斜度減小。

小試驗

試驗一

試驗目的：探究結構的重心與穩定性的關系。

試驗準備：1個玩具不倒翁（也可自制不倒翁：在氣球中放置若干玻璃球，將其充氣、封口，并在封口處系一裝飾物），1根細繩，若干個鐵環。

試驗過程：1、用手扳動不倒翁的頭部，試一試不倒翁不傾倒的最大傾角。2、在不倒翁的脖子上掛一只用細繩穿起的鐵環，逐漸增加鐵環的個數，直到它翻倒。

試驗總結：1、不倒翁的傾倒與在它脖子上掛鐵環的方法有沒有關系？2、如果是自制的不倒翁，氣球中玻璃球的多少與發生傾倒的關系怎樣？

試驗二

試驗目的：探究結構的形狀、重心與穩定性的關系。

試驗準備：40塊小木磚（或積木）。

試驗過程：1、使用不同壘法，壘一堵5塊磚長、8塊磚高的墻。2、在墻的一側施加相同大小的推力，觀察結果。

試驗總結：分析不同壘法的墻的穩定性，當施加同樣的力時，哪種壘法的墻不容易傾倒？你認為最好的壘法是什么？

2、結構與強度

結構的強度

生活中可能出現這樣的情況：人坐在一只簡易的小板凳上，用力搖幾下，板凳壞了，人也跌倒在地；人踩在窗戶的防盜網上擦玻璃窗，防盜網合金條的焊接處斷裂，險些釀成大禍。這是由于板凳、防盜網沒有能夠承受住人的重力所造成的。

結構的強度是指結構具有的抵抗被外力破壞的能力。在拔河比賽中，繩子被拉斷了，說明繩子不具有抵抗兩隊拉力的能力；6級地震中一幢小樓倒塌了，說明這座小樓不具有抵抗6級地震的能力。

馬上行動

根據你的生活經驗填寫下表

事件

結果

原因

分別在一根竹竿和一根同樣尺寸的脆性塑料桿上不斷加掛相同質量的重物

沿著垂直于中心線的方向撞擊一根完整的鋼管與用同樣的方法撞擊一根中間有焊接縫的鋼管

影響結構強度的主要因素

結構的強度與結構的形狀、使用的材料、構件之間的連接方式等因素有密切的關系。

案例分析

強度

不同形狀的結構有著不同的強度。例如，吊蘭支撐架使用三角形支架結構，而不使用由一根直桿挑起的結構；在建筑物兩根平行支撐柱之間增加一根斜柱；A字形梯不采用鋁合金薄片，而采用長方形截面的構件。這些都是為了增加結構的強度。

從材料方面考慮，吊蘭的三角形支架使用的是鋼管而不是木條或塑料，是因為鋼管抗拉力性能好。

從連接方式考慮，吊蘭的三角形支架的構件是焊接的而不是捆綁的，是因為這種連接方式更牢固。

結構的形狀

三角形是框架結構中最基本的形狀之一，它結實、穩定，所有材料最少。在長方形或六邊形的框架中間，加上支撐構件，構成三角形，就可以大大增加它的牢固程度。

鉆石有令人難以置信的強度，就是因為它的分子結構為四面體，每個四面體都有四個角、四個面和六條邊，每一個面都是三角形。

回憶我們曾經見過的各種梁或各種框架，它們的構件的橫截面形狀各種各樣，有工字形、十字形、長方形、L形、圓形、U形等。不同橫截面形狀的構件所能承受力的程度是不一樣的。

閱讀

恐龍與拱形結構

生活在中生代的巨型爬行動物恐龍，身長約20m，身高4—8m，體重達30—40t。這么一個龐然大物要走動覓食，生存下去，四肢必須承受相當大的負荷。如果恐龍不具備合理的力學結構，偌大的身軀就會被壓塌。專家們發現，恐龍巨大的身軀、長頸和粗長尾巴的重心在腰部，整個身體的上部猶如一座拱橋。從力學角度看，它的確是一種承受巨大負荷的理想結構造型，這便是建筑史上的“拱形結構”的歷史淵源。

結構的材料與連接

不同材料構成的結構，其強度各不相同。一個堅固的梁的材料必須具有好的抗拉力、壓力、剪切力和扭曲力的性能，所以，梁通常由不止一種材料制成。如一根混凝土梁含有加固鋼筋，混凝土擅長抗壓力，而鋼筋擅長抗拉力，它們共同形成了非常牢固的結構。

結構構件的連接通常有以下兩類：

a、鉸連接：被連接的構件在連接處不能相對移動，但可相對轉動，具體有松螺栓、松鉚等，如折疊傘傘骨間的連接、門與門框的連接等。

b、剛連接：被連接的構件在連接處既不能相對移動，也不能相對轉動，具體有榫接、膠接、焊接等，如固定鐵床架的連接、不可移動的桌腿與桌面的連接等。

不同的材料有不同的連接方式。構件的連接方式不同，結構的強度也不同。

馬上行動：1、對一個用4根小木條釘成的相框，使它更牢固的做法是什么？2、在自行車各部件之間的連接中，三角架屬于什么連接？剎車連桿之間屬于什么連接？輻條與鋼圈之間屬于什么連接？3、同一結構中，比較榫接與釘接，分析哪種連接方式的強度最大？哪種連接方式的強度最小？

探究：1、有的礦泉水瓶上有若干凸起的橫向紋路，它的作用是什么？2、觀察目前家具市場上的家具或你家中的柜、櫥、木椅等各部件之間的連接方式，與榫接方式相比，它們的強度如何？3、觀察分體式空調器壓縮機在戶外墻上的固定，它是通過什么方法加強牢固程度的？能否只用壁掛式方法固定，為什么？

3、結構與功能

結構不僅是事物存在的一種形式，而且對事物的功能和作用產生著直接影響。結構的改變可能導致功能的變化。以自行車為例，起初的自行車稱為單車，只具有單人代步的功能。隨著人們需求的變化，出現了雙橫梁的可以負重自行車、斜梁女式輕便自行車、有兩個附加后輪的童車、殘疾人用車、雙人自行車、可折疊的自行車等。它們的功能有所不同，是因為人們對其結構進行了局部調整。

案例分析

傘與拐杖

一把撐開的雨傘，是通過傘的骨架和傘面的受力以實現遮風擋雨功能的，而收起的傘則可以通過傘的主干骨受力實現拐杖的功能。

多用起子

一把固定結構的起子，它的功能往往是單一的，如果把固定結構改為組裝結構，則可以實現多種功能。

馬上行動：列舉生產生活中結構改變導致功能改變的事例，并加以說明。

案例分析

自行車的結構與功能

從19世紀初誕生到今天，自行車經歷了從無到有、從單一到種類繁多的發展過程。如今，輕便車、山地車、折疊車、雙人車、童車、殘疾人專用車等不同結構種類的自行車滿足了人們不同的需求，實現著它們各自的功能。

山地車能夠“翻山越嶺”，適合各種路面。這是由于它采用了結實的車架和避震結構，所以能經受住顛簸。此外，它的合適的齒數比也使人騎起來很省力。

折疊式自行車具有可折疊的結構，因而騎行輕便、攜帶方便。它常被許多開車旅行者作為必備的輔助車輛，放在汽車后備箱里，以應對堵車、禁行、停車場太遠等問題。有些乘公共汽車上下班的人也喜歡騎著它去公交站，然后將它折疊起來帶上車，下車后，又可以騎著它去單位或回家。

大人需要自行車，兒童當然也需要屬于他們自己的小自行車。但是，由于他們身材矮小，平衡感不強，所以他們的自行車必須是為他們“量身定做”的。除了車身要輕便小巧，符合兒童的身體結構特征外，重要的是能使車處于平穩的狀態。怎樣達到這個要求呢？有些童車在后輪兩側各加上一個小車輪，車在左傾或右傾時，前輪、后輪與側輪接觸地面，從而不會翻倒。

探究：1、如果要設計一輛冰上自行車，你會怎樣構思？它的結構有什么特征？2、如果在你上學騎車經過的路上，橋和坡較多，你可以對你的自行車做哪些結構上的調整，以使騎起來更輕便？

鏈接

要了解更多的關于結構的安全性，結構設計的簡單步驟和設計思路，請登錄網站：

中國土木工程網：http：//www.C

中國商企網：http：//www.S

練習

1、觀察學校的籃球架，并思考：籃球架要有較高的穩定性，需具備哪些條件？

2、觀察家庭或酒店的屏風，你認為它的結構形式有哪些？制作屏風一般選用哪些材料？

3、設計一個簡易的壁掛式書架，綜合考慮它的穩定性和強度，并選擇合適的材料加以制作。

4、收集建筑物坍塌、扭曲或斷裂的案例，從結構的角度分析其問題所在。

三、簡單結構的設計

學習目標

熟悉設計一個簡單結構應考慮的主要因素。能確定一個簡單對象進行結構設計，并繪制設計圖紙，做出模型或原型。

結構設計對于我們的日常生活、對于各種各樣的生產活動都非常重要。日常生活中，沒有豐富的結構設計，產品將會造型單一、功能單調，那些大型建筑物、交通運輸工具等更是無法產生；生產活動中，產品制造技術、結構安全性及耐久性評估、維修加固技術等，都離不開結構的設計和研究。

1、結構設計應考慮的主要因素

人們設計結構是為了完成某種任務或滿足特定的需要。例如，裝修居室是為了使居住者更舒適，但如果為了美觀而損壞承重柱或墻，那么居室在變得豪華氣派的同時，很可能留下安全隱患問題；汽車上的安全氣囊，假如達不到要求，遇到緊急情況時就會導致事故的發生；汽車的外形設計，如果為了美觀而影響行駛速度和安全，也是不可能被采用的。因此，在進行結構設計時，必須明確設計的目標和要求，必須抓住主要因素而展開工作。

結構設計的目標及要求

結構設計應以一種或幾種功能的實現為基本目標，應滿足設計規范，滿足使用者的基本需要。例如，兒童自行車的結構設計，首先應以代步、鍛煉兒童的手腳協調能力為設計目標，同時要滿足童車結構設計的國家標準和規范要求，如自行車的鏈輪和鏈條不能裸露在外，要完全包在鏈條盒內；車把車閘的內側距離不得超過6cm，外側距離不得超過8cm等，否則設計應視為不合格。再如，兒童玩具體內的金屬絲，如果是用于支持或加固框架，在設計時應盡可能考慮用塑料甚至硬質紙板代替；對內裝驅動機構的玩具，在結構設計及其選擇材料時應考慮其殼體的韌性、牢固性等。

閱讀

商業建筑設計規范

商店營業廳的出入門、安全門凈寬度不應小于1.40m，不應設置門檻。

營業部分的公用樓梯、坡道應符合下列規定：

（1）室內樓梯的每梯段凈寬不應小于1.40m，踏步高度不應大于0.16m，踏步寬度不應小于0.28m；

（2）室外臺階的踏步高度不應大于0.15m，踏步寬度不應小于0.30m；

（3）供輪椅使用坡道的坡度不應大于1：12，兩側應設高度為0.65m的扶手，當其水平投影長度超過15m時，宜設休息室。

馬上行動

列出你所知道或聽說過的關于結構設計類的國家標準或規范。

生活中：。

工農業生產中：。

結構設計應考慮的主要因素

結構設計應考慮的主要因素有：符合使用者對設計對象的穩定性和強度要求，安全因素，公眾和使用者的審美需求，使用者的個性化需要，對設計對象的成本控制要求和一定的使用壽命等。

在工程的結構設計中，應考慮結構的安全性、適用性和耐久性。在考慮結構的穩定性和強度，使結構在規定的條件下和規定的使用期限內，能實現一定的功能的同時，還要考慮經濟因素，如做到用料省、成本低等，也就是說，力求以最低的成本使所建造的結構達到預定的要求。

不同的結構設計，應考慮的因素各有側重，但無論在哪一類用途的結構設計中，安全都是至關重要的因素。

案例分析

戶外廣告牌結構設計中的抗風問題

某市一小區的戶外鐵皮廣告牌被大風刮倒，砸壞了宋先生新買的汽車。經多方交涉，廣告牌的主人答應賠償宋先生的損失。

春、秋季的雷雨大風天氣風力非常強，有時會達到9級、10級，還會突然加大，這樣的大風具有強大的破壞力，而且由于城市高樓林立產生的“狹管效應”，使樓間的空地或街道的風力要比其它地方大得多，時常會有十一二級的狂風。

人們要問的是，戶外廣告牌的設計安裝該不該有抗風標準？標準是什么？廣告公司人士表示，戶外廣告牌的抗風標準目前還沒有一個強制性的規定，在給客戶設計安裝戶外廣告牌時有我們自己的規定，要求抗風標準必須在8級以上。有關人士表示，希望戶外廣告牌能有抗風標準，并且至少能抗8級大風才行。

馬上行動

在戶外廣告牌的結構設計中，應該考慮其抗風性能，以減小下面風的壓力。請你就戶外廣告牌設計中的抗風問題，提出兩種以上可行的方案。

設計方案

內容

實現的方式、方法、途徑

方案1

方案2

方案3

結構設計需要考慮的因素有很多，除了前述因素以外，你認為結構設計還需要考慮哪些因素？請結合實例加以說明。

2、簡單結構的設計案例

現以簡易相片架為例說明簡單結構的設計過程與方法。

案例分析

簡易相片架的設計

設計項目：設計一個簡易相片架。

設計要求：1、能方便地取放相片。2、具有一定的穩定性和強度。相框不易變形，支架不易松動；相框與支架連接牢固。3、具有一定的裝飾性。4、相框的長度、寬度、厚度的尺寸要求為175mm*125mm*10mm。

設計分析：相片架的結構設計可分為兩部分，即相框和支架。

1、相框的結構設計。在取放相片時，相框的構件需要承受一定的外力，所以在相框結構設計中，需要考慮：（1）相框的幾何形狀的選擇，使相框不變形的措施。（2）相框構件之間的連接。（3）相框構件的截面形狀。

2、支架的結構設計。

支架的作用在于能支撐起相框并不易翻倒，故在支架結構設計中，需要考慮：（1）支架的支撐形式的選擇，使支架不易翻倒的措施。（2）支架構件的截面形狀以及連接。

3、相框與支架之間的連接。

根據不同設計方案，相框與支架間可以是鉸連接或固定連接。在批量制造中，還可采用不需要連接的塑料整體成型的結構。

設計準備：

1、合適的制作材料和連接材料，制作材料如木條、竹片、細竹竿、三合板、刨花板、硬紙板、玻璃等，連接材料如小螺釘、小鐵釘、小塑料片、玻璃膠等。

2、必備的工具，如卷尺、剪刀、刀、銼、錘等。

設計方案：

方案A

1、相框的幾何形狀采用長方形。若使用木條為材料，木條的兩頭分別做成45o倒角，用玻璃膠進行連接。

為使相框不易變形，在其四個角的位置可用細木條或小三角板固定。

2、相框構件的截面形狀可以選擇長方形、半圓形、直角三角形等，注意應挖出凹槽，以方便相框后襯板的安裝。

3、相框的后襯板可選用刨花板或硬紙板，在相框背面的木條上分別用一小釘固定長方形小塑料片的一端，另一端可以活動，用以固定相框的后襯板。

4、相片架的支架采用凹槽形狀，由三根細木條釘成，與相框底邊共同支撐起相框。

5、用鉸接的方式將支架的兩端分別固定在相框兩側的適當位置，使支架可以圍繞連接點的軸線轉動。

方案B

1、相框的幾何形狀采用長方形，使用木條為相框材料。

2、將四根木條分別按照合適的尺寸裁出“幾”形狀的缺口，將四根木條依次拼接好，并在連接處用玻璃膠連接。

3、相框的后襯板選用硬紙板為材料，在相框背面的每條邊上分別固定長方形薄鋁片，并使它的一端可以活動，用來固定后襯板。

4、相片架的支架采用獨腳支撐的形式，分別在相框背面的長邊和短邊上鉆一小孔，做一個與小孔孔徑大小一致的圓形小木條，并將其插入孔中，起到支撐的作用，這樣就可以橫向或縱向放相片架了。

方案C

相框的幾何形狀采用長方形，與方案A不同的是，相框與支架固定為一體，將相框的兩條縱向邊加長。截取兩根短邊，使之分別與縱向邊以一定的角度固定連接（短邊與縱向邊構成的平面要與相框平面垂直），作為底座支撐。

本方案中材料的選擇對相框的穩定性影響比較大，要求底座支撐的材料質量較大，上方相框材料的質量較小。

馬上行動

從造型、材料、穩定性和強度等方面，比較上述案例中三個設計方案中相片架的結構特點，并構思其他設計方案，列出方案要點。

探究

在某些地震災區，居民采用“木板夾心”結構筑墻建房，這種由當地農民創造出的結構能經受地震的考驗，具有較好的抗震效果。請簡要說明這種結構的特點，并根據所學的有關結構與知識，對這種結構設計進行分析。

鏈接

工程師之家：http：//www.E

練習

1、設計一個報紙架，從穩定性、強度、材料、使用方便以及美觀等角度綜合考慮。

2、鞋架和衣帽架是常用的家庭物品。請設計一個具有組合功能的架子，使其既能掛衣服，也可以放置鞋子，并選擇適當的材料進行制作。要求架子有較好的穩定性和強度，外形美觀，使用輕便。

3、結合自己所遇到的生活中的不便，進行一個簡單物品的結構設計。

四、經典結構的欣賞

學習目標

學會觀察結構的實用性和美。能從技術和文化的角度欣賞并評價典型結構設計的案例。

優秀的結構設計不僅表現在結構的實用功能上，也表現在形式上，特別是功能與形式的統一上。古今中外許多能工巧匠把結構的功能與形式恰當地結合起來，形成了一些經典的結構。

賞析結構設計作品，可從技術與文化兩個角度進行。

技術的角度主要有：結構的使用功能的實現，結構的穩固耐用，結構造型設計的創意和表現力，材料使用的合理性，工藝制造的精湛程度等。

文化的角度主要有：結構的文化寓意與傳達，公眾認可的美學原則，反映的時代、民族、習俗方面的特征，結構的個性特征等。

案例分析

趙州橋

趙州橋坐落于河北省趙縣，跨洨水，隋大業年間由著名匠師李春修建，是當今世界上年代最久、跨度最大的敞肩型石拱橋。趙州橋結構新奇，造型美觀。

技術角度：

1、功能

它是一座單拱橋，橋洞不是普通半圓形，而像一張弓，橋面平坦寬闊，成為“坦拱”，兼顧了水陸交通，方便了馬車通行。

2、結構設計

趙州橋最大的科學貢獻在于它的“敞肩拱”的創造。在大拱的兩肩，砌了4個并列的小孔，既增大了流水通道、減小了流水沖力、加速泄洪，又節省了石料，減輕了橋身重力，增強了橋身的穩定性，保證了橋在1400多年的歷史中，經受住無數次洪水的沖擊、8次大地震的搖撼以及無數車輛的重壓。李春所設計的趙州橋，其結構的強度和穩定性科學合理。

3、技術施工

趙州橋的石拱由28道拱圈縱向并列砌成，每道拱圈可獨立站穩，自成一體，既便于施工，又利于單獨修補。這樣大跨度的坦拱，對橋臺水平推力很大，建造難度高。而橋臺卻是既淺又小的普通矩形，厚度僅為1.549m，由5層排石壘成，其地基是承載力較小的亞黏土。在這樣的地基上，用這樣小的橋臺，建這樣大跨度的石拱橋，在世界上是罕見的。

文化角度：

趙州橋的弧形平拱和敞肩小拱給人以巨身輕靈、躍躍欲飛的動感。橋兩邊的欄板和望柱上，雕有各種精美圖案，刀法蒼勁，造型生動，線條剛勁之中見柔和，穩重之中顯輕靈，雄偉之中含雋永。主拱頂上有一塊雕著龍頭的龍門石，八瓣蓮花的仰天石點綴于橋兩側。這些雕像，寄寓著大橋不受水害、長存永安的愿望。趙州橋在中外橋梁史上占有十分重要的地位，對我國以后的橋梁建筑有著深遠的影響。

思考：趙州橋的“敞肩拱”設計給我們怎樣的啟示？還有哪些結構設計與此相似？

案例分析

飛檐

飛檐是中國古代建筑的屋頂結構的特色之一。屋頂的曲線，向上微翹的飛檐，使得原是異常沉重的屋頂，反而隨著線的曲折，顯出向上挺舉的飛動輕快。

技術角度：

1、功能：飛檐和向外和向上探伸翹起的屋角，使十分龐大、高聳的屋頂顯得格外生動而輕巧，擴大了采光面，有利于排泄雨水。

2、結構設計：以岳陽樓為例，岳陽樓三層建筑均有飛檐，挑出的飛檐由斗拱承托，承托飛檐的方木塊叫做“斗”，托著斗的木條叫做“拱”。飛檐的造型并沒有脫離建筑屋頂本身的結構功能而獨立，其輪廓的和諧、對稱都是在合理的受力結構基礎上所產生的。屋面凹曲，屋檐、屋角和屋頂的飛脊都是彎曲的，形成直線和曲線的巧妙組合。

3、技術施工：

岳陽樓是純木結構，飛檐、斗拱及整個建筑沒有用一釘一鉚，僅靠木制構件的彼此接連，經受歲月的剝蝕而昂然聳立了上百年。飛檐、斗拱的結構之復雜，工藝之精美，令人驚嘆。

文化角度：

飛檐的造型減輕了古建筑大屋頂的沉重感，使建筑靜中有動，增添了建筑物飛動輕快的美感。飛檐造型傳達出尊貴、凝重的寓意，體現了高貴華美的風韻，豐富了中國古代建筑文化。現代建筑設計師們對它也異常偏愛，使得這一特殊的中國古典建筑結構得以演變、改進和發展，并流傳下來。

探究

中國古代建筑的結構多以木材為材料。請你從材料與構件的連接方式等角度，分析中國古代建筑穩固的原因。

案例分析

蛋形椅

丹麥設計師雅格布森的作品十分強調通過細節的設計，以達到整體的完美，他把家具、地板、燈具等的細節看成與建筑總體設計一樣重要。1958年，他為斯堪的納維亞航空公司旅館設計的蛋形椅是他的典型代表作之一。

技術角度：

1、功能：在使用功能上，蛋形椅具有與其他椅子相同的功效。

2、結構設計：蛋形椅的結構簡潔大方，獨腳支架，支撐腳線條明快，均以不銹鋼為材料，椅面和靠背是熱壓膠合板整體成型。

文化角度：

整體造型精練，雅致，具有雕塑般的美感和強烈的時代氣息。這一設計改變了傳統的實用主義設計理念，形成優雅的浪漫主義設計風格，導致了人們對家具的重新理解，引發了20世紀60年代新型家具的出現。

鏈接

《工業設計史》，何人可，北京理工大學出版社，2000年版。

《工業設計概論》，程能林，機械工業出版社，2003年版。

練習

1、查閱結構設計的資料，選擇1—2個你所欣賞的案例，從功能、結構設計、材料和審美等角度進行簡單分析。

2、查閱資料，從結構設計的角度，認識交通工具演變發展的過程，分析它們在造型、結構上的區別與聯系，暢想未來的交通工具會有怎樣的結構，并將你的研究成果和所思所想寫成一篇技術小論文。

本單元小結

結構對自然界、技術領域和社會領域具有普遍意義。

從力的角度來看，結構是指可承受一定力的架構形態，它可以抵抗能引起形狀和大小改變的力。結構構件的基本受力有拉力、壓力、剪切力、扭轉力和彎曲力。結構類型主要有實體結構、框架結構和殼體結構。不同的結構類型有不同的受力特點。現實生活中遇到的結構更多的是若干結構類型的組合。

結構的穩定性和強度是結構設計必須考慮的重要內容，二者相互聯系，相互影響。結構的穩定性主要取決于重心位置的高低、結構與地面接觸所形成的支撐面的大小和結構的形狀等。結構的強度主要取決于結構的組成形式、構件的幾何形狀、截面形式、材料以及構件的連接方式等。

在物質文明、精神文明高度發展的今天，任何一種結構的設計已不僅僅局限于只滿足它的使用功能。結構設計中的美學因素、環境因素、安全因素以及時尚、個性、文化等都已成為人們進行結構設計時必須綜合考慮的重要因素。結構的牢固、穩定、簡約、和諧、美觀是結構設計不變的追求。

綜合實踐

1、塔式起重機是工地常用的起吊機械，是懸臂結構設備。為使起重機正常工作，必須保證當起重機在起吊重物和不起吊重物時都不至于翻倒。我們可從力矩平衡的角度來討論起重機的穩定條件。

假設機架自身的重力是W，作用線距右軌B的距離為e，起吊重力p的作用線距右軌B的最遠距離為L，平衡重力Q的作用線距左軌A的距離為a，軌道A、B的間距為b。

在滿載時，若平衡重力過小，起重機可能會繞B點向右傾倒；當空載時，若平衡力太大，起重機又可能繞A點向左傾倒。根據力矩平衡原理有：

當滿載時，Qmin（a+b）=W.e+p.L；

當空載時，p+O，Qmina=W（e+b）。

要使起重機在滿載和空載時都不至于傾倒，請論證起重機左端的平衡力Q應滿足的條件。

2、老房屋由于年代已久，其結構布局往往不適應人們如今的居住要求，對其加固裝修是不可避免的。但由于當年的施工質量和技術要求明顯低于現在的施工標準，若在加固裝修中隨意動作，很可能造成安全隱患。為此，有些地方已出臺有關房屋加固裝修結構安全管理的規定。

請查閱資料，了解有關房屋加固裝修過程中的結構安全管理的規定，并咨詢有關人員，總結加固一座年久失修的老房屋有哪些辦法。

3、觀察家用腳踏縫紉機的結構，根據你的理解，說明縫紉機的工作過程并嘗試進行改進設計。

4、右圖為一個手搖胡椒磨。根據你的理解，推測它的內部結構。

5、上網和到圖書館查閱相關資料，收集1—2個通過調整企業組織結構，從而提高業績水平的案例，并說明社會領域的結構設計與技術領域的結構設計的異同。

第一單元學習評價

評價內容

自我評價

學習過程

課內完成學習任務情況

課外完成學習任務情況

學習態度評價

學習水平評價

學習結果

本單元學習目標實現情況

學習本單元內容的收獲與不足

第二單元流程與設計

小麥聯合收割機的工作順序是收割、脫粒、分離、清洗、集糧，這是不可顛倒的。從這個簡單事例出發，我們可以想到，完成任何一件事總有一定順序，并且順序的安排往往還有講究。

流程就是做事的順序。科學合理的流程就是高效率，就是高質量。用科學合理的流程安排生活和生產，生活將變得更加美好，生產將變得更有效率。科學合理的流程并不是自然而然的，它是人們不斷實踐、不斷探索、不斷設計、不斷改進的結果。

一、生活和生產中的流程

學習目標

了解流程的含義及其對生活、生產的意義。通過對典型的工作流程和生產工藝流程案例的分析，理解流程中環節和時序的意義。學會閱讀簡單的流程圖。

1、認識流程

流程的含義與意義

人類的生產、生活活動都是在一定的時間內發生、發展和結束的，都是為了一定的目的，按照一定的順序和規則進行的。

從圖中可以看出，自行車的前輪裝圈上軸過程經歷了一系列具體的步驟，這些步驟都有開始的時間和持續的時間，而且這一系列步驟都是按一定的先后順序進行的。我們把這種時間上的先后順序稱為時序。

任何一項生產或生活活動都有一定的時序。時序體現了具體活動內容的先后關系，在這種先后關系中。有些步驟之間的時序是不可顛倒的，如在自行車的裝配中，只有先上好鋼絲（輻條）才能上內胎；有些步驟之間的時序是可以顛倒的，如在自行車的裝配中，是先裝車鈴還是先裝鞍座，學生放學之后是先做家庭作業還是先進行體育活動，都沒有嚴格的先后關系，可以有不同的時間順序。

馬上行動

請列舉生活中時序不可顛倒的事例，并說明理由。

時序不可顛倒的事例

理由

1、只有先拆開自行車的外胎，才能檢查和修補漏氣的內胎

內胎被保護在外胎之內

2、煎雞蛋時，先放油，后放雞蛋

高溫下，在鍋與雞蛋之間沒有油的潤滑，會燒焦雞蛋

3、

4、

小試驗

試驗目的：理解雙色圓珠筆的安裝時序。

試驗準備：雙色圓珠筆一支，試驗前將筆拆散。

試驗過程：按照你自己的理解，設計安裝步驟，并進行安裝。寫出試驗成功的雙色圓珠筆的安裝步驟。

試驗總結：

1、如果是幾次安裝成功的，請比較每次安裝的順序。

2、交流安裝的體會，說明正確安裝的時序及其原因。

不可顛倒的時序往往反映了事物或活動的內在規律或機理，我們應尊重和遵循這些規律或機理。對于一些可以顛倒的時序，我們應注意分析和比較，并根據一定的目的和條件，進行適當的安排。

思考

學校的照明線路出現故障時，電工師傅必須先切斷電源，然后再進行檢修。想一想，如果違反這一操作規程，顛倒順序，可能會出現什么結果？

對于一項活動，我們可以依據它的某種特征，或某個具體目標，將其分解為若干個過程或階段。如自行車的前輪裝圈上軸過程，可以認為由上鋼絲、編花、裝前軸、裝外胎、裝內胎、裝氣門這幾個小的過程組成。對于由一系列步驟組成的生活中的一項活動，也可以進行邏輯上的劃分，如A同學上午的活動經歷一般可分為上學的準備階段、上學上行程階段、上午上課階段等。我們把完成某個具體目標、組成某項生產或某個活動過程的若干階段或小的過程稱為環節。自行車的前輪裝圈上軸過程中的各個小過程、A同學上午上學的活動經歷中的各個階段就是環節。

環節是一個相對的概念，依據問題性質的不同和不同人的理解，環節的劃分可能會有所不同。環節中又包含若干可以分解的、目標更具體的事項。如自行車的前輪裝圈上軸過程中裝前軸這個環節又可分為抹油、上鋼珠、上油封、上軸和裝格頭。盡管環節的劃分有大有小，有時存在不同的劃分方法，但一般地說，在某項生產或某個活動中，環節是不可缺少的。

馬上行動

高中新生的入學手續有哪些環節？每個環節由哪些具體事項組成？請根據你的理解填寫下表。

環節

具體事項

1、

2、

3、

4、

那么什么是流程呢？流程是一項活動或一系列連續有規律的事項或行為進行的程序。這些活動、事項或行為以確定的方式發生或執行，導致特定結果的實現。我們可以把流程理解為為了一定的目的去做事情的順序。例如，學校的作息時間表就反映了師生在校一天活動的流程，它從實現學生學習的目標出發，以較為固定的方式確定了教師和學生的每天有規律的活動順序。

任何流程都反映了一定的時序，體現出一定的環節。例如，旅客搭乘火車的流程“買票——候車——檢票——上車”是按照時序來進行的，買票、候車、檢票、上車是環節，如果缺少某一環節或顛倒時序，就可能乘不上火車。

案例分析

有一家著名的機械裝配廠在裝配螺釘前，先把螺釘放在冷藏室冷藏一定的時間，裝配前把螺釘從冷藏室取出，保證在裝配時保持低溫狀態，裝配環境的溫度為15℃，這樣螺釘就能很輕松的裝上去，而裝上去之后由于熱膨脹，螺釘和機器的配合緊密了，連接會很牢固。

螺釘的冷藏時間是有嚴格要求的，如果冷藏時間過短，則達不到利用熱脹冷縮的原理使螺釘連接牢固的目的。

馬上行動

1、請說出這家廠裝配螺釘的流程。

2、舉出生活中對流程有嚴格時間要求的幾個例子。

流程廣泛存在于人們的生活和生產活動之中。如全家旅游、工程師畫圖、果農嫁接果樹等。

馬上行動

根據你的理解，從上面選擇1—2項活動說明其基本流程。

流程的表達

為了使流程的描述清晰可見，我們一般采用流程圖來表達流程。

《技術與設計1》中提到的產品的設計過程就是一個流程，用流程圖表示如下圖。在這個流程圖中，方框表示某個事項或活動，單向箭頭表示事項或活動的順序關系。

發現與明確問題→制定設計方案→制作模型或原型→優化方案→編制產品說明書

依據流程的性質以及人們的表達習慣，流程圖有文字表達、表格表達、圖示表達等方式，有些場合還可用模型表達、動畫演示等。

從以上流程圖中可以看出，有的用箭頭表達時序，有的用數字序號表達時序，還有的用時間表達時序。流程圖中的序號或方框反映了環節、工序的具體情況。

在編制計算機程序時，經常要用程序流程圖來表示算法，流程圖中的方框、菱形框表示一定的環節，箭頭表示程序流動的方向。

馬上行動

右圖是一個男子乒乓球單打比賽程序的結構圖，共有16個代表隊，采取單淘汰制決出冠軍，請你劃分出環節。

思考

用適當的流程表達方式，描述你所理解的下列活動的流程。1、郵寄一封信件給遠方的朋友，信件從寄出到對方收到的過程。2、為家里新購置的房屋進行室內裝修的過程。3、自己動手做壁掛式簡易書架的過程。

2、生活與流程

生活中處處都有流程，洗衣做飯、采購日用品、看病就醫和外出旅游等都離不開流程。科學合理的流程，可以指導我們正確地做事，提高工作和學習的效率，使我們的生活變得有序、合理，為我們的安全提供保障。

案例分析

洗衣、煮飯與燒菜的流程安排

用全自動洗衣機洗衣服需要1小時，用電飯鍋煮飯需要30分鐘，燒菜需要40分鐘，吃飯需要20分鐘，看報紙需要10分鐘。如果每項工作依次做，需要2小時40分鐘，而換一種流程，把洗衣服、煮飯與燒菜這三項工作交替安排進行，就可以收到事半功倍的效果。

馬上行動

分析上例中可以有哪些不同的工作流程？計算一下，如果采用三項工作交替安排的流程，最多可以節省多少時間？

生活中的流程對工作質量往往有著重要影響。例如，在家庭日常烹飪的流程中，何時放菜，保時加鹽和味精等佐料，對菜的營養和口味都有直接的影響。同樣炒一種菜，若在出鍋前放碘鹽，碘的食用率可達63.2%，炸鍋時放碘鹽，碘的食用率僅為18.7%；燙菜及炒菜應在出鍋前加入味精，這樣既能保持菜的鮮味，又不致因溫度過高而產生毒素。

火車的行駛是按照列車時刻表運行的，時刻表反映了列車運行的流程。列車時刻表中的箭頭表示上行和下行的方向，上行或下行一次可看做列車運行的一個環節，每一站都有到站和開出的具體時刻，無論是客運還是貨運列車都要求按照時刻表規定的時序運行。根據列車時刻表，也就是說遵循了列車運行的流程，我們就可以知道何時去乘車，何時到達目的地，這樣就可以合理有序地安排行程。

案例分析

青霉素注射的流程

小陳患了上呼吸道感染，需要注射青霉素。在注射青霉素之前，護士照例給他做了過敏試驗，并要求觀察20分鐘。因為要趕去上班，小陳有些著急，沒到10分鐘，他就找到護士，說自己從沒有過敏的經歷，讓護士快些給他打針。護士聽信了他的一番話，在過敏試驗規定的時間沒有到的情況下，給小陳注射了青霉素。結果小陳發生了嚴重的過敏現象，經搶救才脫離了危險。

注射青霉素的工作規程嚴格規定了操作的流程，先打試驗針，過20分鐘，再觀察有無過敏反應，過多地提前或延后觀察都可能對是否過敏做出錯誤的判斷。違反了操作流程，就可能會發生嚴重的醫療事故。這個操作流程中，對時間長度的嚴格規定，對于保證病人的人身安全是至關重要的。

馬上行動

歸納流程對于日常生活的意義，并舉出例子。1、提高效率：2、使生活變得有序、合理：3、4、。

3、生產與流程

在工農業生產中，我們要依據一定的流程來組織生產、管理企業。對于生產過程，有加工流程、組裝流程、包裝流程、質量檢查流程、安全生產流程等；對于企業經營過程，有原材料采購流程、市場銷售流程、財務工作流程等。運用科學合理的流程可以有效地組織生產、提高生產效率、保證產品質量、保證安全生產、保護環境等。

案例分析

軟皮椅的生產流程

軟皮椅的生產流程由若干工序組成，工序是生產工藝過程的一些基本的工作步驟。

流程中的環節

為了便于分析問題，我們在圖中畫出虛線框表示生產流程中的環節，在實際生產流程圖中，一般是不直接標出環節的。

虛線框1是軟皮椅的生產準備環節。

虛線框2是軟皮椅的加工環節。如果細分，其中的“制架”也可以單獨算做一個環節，它包括了若干道工序，如做椅子腿、做椅子扶手等。

虛線框3中包含了組裝、檢驗和包裝三個環節，它們都有各自的工作特點，每個環節中還有若干道工序。

根據對生產流程分析的需要，上圖中有的環節還可以繼續細分。劃分環節能更好地組織生產，分工合作。

流程中工序的作業方式——串行和并行

從軟皮椅生產流程圖中可以看出時序的關系。

接生產通知單→備料→開料，這樣依次進行的工序，就是串行工序。串行工序的特點是，上一道工序完成之后才能進入下一道工序。而生產中有些工序是可以同時進行的，如制架、面料、海綿這幾項工作是同時進行的，這就是并行工序。并行工序是多人或多臺設備同時工作，這樣可以大大提高生產效率。

為了保證產品的質量，在材料采購、加工制作、組裝、包裝等的全過程中，對每一道工序都要按照質量標準進行質量檢查。因此，生產中還應有一整套質量管理的流程來保證產品的質量。可見，流程在生產中起到了重要的作用。

思考：軟皮椅的生產流程為什么要這樣安排？

閱讀

自動化生產流水線

為了提高生產效率，降低成本，現代化的工業生產普遍采用生產流水線。生產流水線上的時序是不可顛倒的。生產流水線對每個工人的作業時間都有嚴格的限制，因此能夠控制生產嚴格有序地進行。組織流水生產，有利于提高勞動生產率，降低生產成本。

很多企業在傳送帶兩旁使用計算機控制的自動化機械手或機器人，代替工人的操作和勞動，這就是自動化生產流水線。自動化生產流水線的速度更快，生產效率更高，產品質量也更好。

案例分析

連續式淬火的工藝流程

軸承是常用的機械零件之一。在軸承加工中，要對其內環、外環、滾珠進行淬火處理以提高硬度。

一般的淬火工藝流程如下圖。

工件由落料機落到勻速運行的傳送帶上，進入加熱爐，爐內用電阻絲加熱并充滿保護氣體，溫度控制在845℃。工件在爐內經過預熱（16—17分鐘）、透燒（16—17分鐘）、保溫（16—17分鐘）三個階段共約48—51分鐘（工件的材料規格不同，時間有所不同）。加熱后，工件下到淬火油槽內迅速冷卻，淬火油的溫度控制在60—100℃，淬火油用油泵循環，油槽內有攪拌機以保持淬火油的溫度均勻，淬火時間控制在5—15分鐘（工件的材料規格不同，時間也不同）。淬火后，工件進入清洗機進行清洗，最后是回火處理約2小時30分鐘，目的是消除內部應力，穩定工件的組織。

淬火處理的流程圖如下：

思考：淬火工藝流程為什么需要那么多環節，去掉幾個可不可以？

在工農業生產中，是否嚴格按照流程中環節和時序的要求正確地進行生產，將直接影響到安全生產和產品的質量，如果違反了流程的要求，輕則造成經濟損失，重則導致安全事故，造成生命財產的重大損失。

案例分析

李龍飛的莊稼為什么顆粒無收

農業生產有很強的季節性，莊稼種植的流程要遵循農作物的生長規律。莊稼的種植一般可分為生產資料準備、耕地整理、播種、田間管理和收獲等環節。

張寶田和李龍飛同住在一個村里。張寶田兢兢業業地種田，過完年后，他就積極進行準備，購買種子，準備農具等。到了春耕的季節，他按時耕地，按時播種，并加強田間管理，適時地進行鋤草、施肥。天公不作美，這一年遇到了干旱，又發生了病蟲害，但他及時地澆水并科學地使用農藥。在他精心的照料下，莊稼的長勢良好。秋收時，張寶田取得了可喜的收成。

而李龍飛在外地打工，播種季節到了，他急急忙忙趕回來，等到他播種時，已經錯過了春播的最佳時期，草草地播種后，他又匆匆出門了。到了秋收時，他回來一看，地里雜草叢生，莊稼枯黃，幾乎顆粒無收。

思考：請從流程的角度分析，張寶田和李龍飛的莊稼為什么收獲大不一樣？

閱讀

流程型行業的特點、分布范圍

流程制造包括重復生產和連續生產兩種類型。

重復生產的特點

重復生產又叫大批量生產，與連續生產有很多相同之處，兩者之間的區別僅在于生產的產品是否可分離。重復生產的產品通常可一個個分開，它是在離散制造的高度標準化后，為批量生產而形成的一種方式。

連續生產的特點

連續生產的特點是工藝相對固定、工作中心的安排符合工藝路線的要求；工具和設備為專門的產品而設計；生產線的能力固定；加工對象的載體通常是管道。

連續生產企業的生產可總結為“五少一短”：產品種類變化少，產品結構變化少，加工方式變化少，能力需求變化少，生產數據少，生產周期短。

行業分布

重復生產的行業主要有電子裝配、家電產品、各種電器等，常常表現為流水線的方式；連續生產的行業主要有化工、食品、飲料、制藥、煙草等，常常通過管道進行各工序之間的傳遞。

鏈接

要了解更多的流程設計知識，請登錄以下網站或參考以下書籍：

設計在線http://cn.D

大地設計網http://www.D

長安信息網http://www.C

《企業業務流程設計與管理》（第2版），蔣志青著，電子工業出版社，2004年版.

練習

1、小黃在修理被扎破的自行車后輪胎時，由于工具不全，就沒有研磨洞周圍的胎皮，用膠直接把補丁貼上去。你估計這將會出現什么后果？為什么會這樣？

2、交通指揮燈是按循環的時序工作的。請你觀察并記錄某個十字路口的交通燈的工作情況，畫出它的工作流程圖。

3、組織一次演講比賽的流程可以分為哪幾個環節，有怎樣的時序？

4、魔方是很多人喜愛的玩具，依照它的規則旋轉，可以很快地達到目的。有興趣的同學可以試著從中找出旋轉的順序。

二、流程的設計

學習目標

學會分析流程設計應考慮的基本因素；能畫出流程設計的框圖；能對生活、生產中的簡單事項進行流程設計。

人類生產和生活中的流程不是自然存在的，而是靠人們研究和設計出來的。流程設計對于指導人們的工作和生活、有效地組織生產起著關鍵性的作用。同時，流程設計對是一項技術性很強的工作。因此，應以科學、嚴謹的態度，充分考慮流程設計中的基本因素和相關因素，遵循事物的內在性質、規律進行設計。

1、流程設計應考慮的基本因素

流程設計的目標與要求

設計一個流程首先應明確流程要實現的具體目標。

對于工作和生活方面的流程設計，主要應考慮如何節省時間、提高工作效率、提高工作質量等目標。

對于生產活動的流程設計，主要應從提高效率、提高質量、節省資源、安全生產、提高經濟效益、提高管理水平等方面明確設計的目標。

思考

1、在生產流程的設計中，除了上述所列設計目標以外，還應考慮哪些目標？

2、以木制家具的生產流程為例，設計目標主要有哪些？

流程設計中的基本因素

生產活動的流程設計的基本因素主要有材料、工藝、設備、人員、資金和環境等。

材料：不同的材料有不同的加工處理方法。

工藝：不同產品的工藝要求各異，流程設計也不同。

設備：生產設備的水平往往決定了流程的自動化水平。

人員和資金：人員的技術水平和必要的資金影響生產的過程、質量和周期，是進行流程設計必須考慮的主要因素。

環境：生產過程對環境的污染以及環境對生產的反作用，是流程設計時應關注的重要因素。

不同行業的流程有不同的特點，所以流程設計中應考慮的基本因素也各有差異。例如，農業生產的流程設計還應考慮氣候、季節、自然災害、生態平衡等因素。

流程設計要依據事物的內在屬性和客觀的變化規律，科學地設計時序和環節，以達到設計目標。

案例分析

合成氨的生產工藝流程

首先用適當的方法生產出合成氨的原料——氮氣和氫氣。氮氣和氫氣的混合氣體在合成塔內500℃和300atm條件下，通過催化劑的作用產生氨氣，再通過氨分離器不斷地把生成的氨分離出來，同時未轉化的反應氣體再進入合成塔循環加工。這就是合成氨的工藝流程。

合成氨的工藝流程的產生是一個對其內在屬性和規律探索的過程。19世紀初，經過化學家上萬次的試驗，最終才得出在500℃高溫下和300atm的條件下能合成出氨，但轉換率僅有2%—8%的試驗結論，后來又經過不斷的試驗才形成現在工業生產上使用的較為成熟的合成氨生產工藝流程。

馬上行動：1、處于城鄉結合地帶的某鄉，現要在鄉里新建一個小化肥廠，在流程設計上應考慮哪些因素？2、要把北方的大豆移栽到南方，在流程設計上需要考慮哪些相關因素？

2、流程設計的步驟

流程設計，首先要明確設計的目標和任務，明確流程所應遵循的內在變化規律。其次，要分析現有材料、設備、資金、人員、工藝和環境等因素。不同的設備和人員條件可能導致不同的流程設計結果，例如某郵局是否擁有“郵件自動分撿”設備和會使用該設備的人，是決定郵件分撿流程的重要因素。第三，列出流程涉及的主要事項，并進行初步的排列。第四，分析各事項（步驟）之間先后順序，合理地安排流程的時序和環節。例如，一個產品的生產流程設計一般由材料準備環節、加工環節、組裝環節、產品質量檢查環節等組成，這些環節中分別應該安排哪些工序，各工序之間如何工作，是串行工作還是并行工作等。第五，選擇一種合適的表達方式畫出流程圖，對有嚴格時間要求的時序，要標注時間。

一個流程要經過精心的設計和反復的修改，才能達到比較理想的效果。

3、流程設計舉例

案例分析

小鐵錘的加工流程設計

一、手工制作小鐵錘的流程設計

志強中學高一（1）班同學到校辦工廠參加技術實踐活動，內容是制作一把小鐵錘。錘頭和錘柄的連接方式用螺紋連接。

1、流程設計的主要因素分析。

（1）設備：常用金工工具，臺鉆，砂輪機，熱處理設備等。

（2）材料：45號鋼和Q235棒料。

（3）加工方法：采用手工加工工藝。用鐵鋸下料；錘頭部分的加工用銼刀銼平面，臺鉆鉆孔，手工攻絲；錘柄部分的圓頭用砂輪機磨削，螺紋用板牙套絲。

（4）熱處理：錘頭進行淬火處理，以提高硬度。

2、編制加工流程，按時序畫出加工流程圖。

錘頭的加工流程圖：

下料→劃線→鋸削→銼削→劃螺孔中心線→鉆孔→攻絲→淬火→電鍍

錘柄的加工流程圖：

下料→磨削圓頭→扳牙套絲→電鍍

裝配的工作很簡單，把加工好的錘柄擰緊到錘頭的螺孔中，一個小鐵錘就做成了。

二、批量生產小鐵錘的流程設計

工廠批量生產小鐵錘采用的是機械加工方法。流程設計應考慮的基本因素主要是設備條件和加工工藝。為了提高工效，流水作業法是首選的方法，每道工序都由機床來完成，甚至可以在銑床上用兩把刀具同時加工兩個平面，從而大大提高加工效率。

1、錘頭和錘柄分別采用流水線工作方式加工，每臺機床完成1—2道工序。錘頭和錘柄的加工流程設計方案分別如下表。

錘頭加工流程

工序號

工序

設備

1

下料

電鋸

2

銑A1、A2平面，兩把刀具同時銑

1號臥式銑床

3

銑B1、B2平面，兩把刀具同時銑

2號臥式銑床

4

銑C1、C2平面，兩把刀具同時銑

3號臥式銑床

5

銑D斜面

4號臥式銑床

6

鉆孔

鉆床

7

攻絲

攻絲機

8

去毛剌

手工

9

淬火

淬火設備

10

電鍍

電鍍設備

錘柄加工流程

工序號

工序

設備

1

下料

電鋸

2

車端面

1號車床

3

倒角

1號車床

4

車螺紋

2號車床

5

車圓頭

2號車床

6

去毛剌

手工

7

電鍍

電鍍設備

思考

1、案例中設計的兩種加工流程各有什么特點？

2、在設計批量加工流程時，你認為批量加工流程可以劃分為哪些環節？

工廠加工零件的基本流程是：先由工藝技術員根據圖紙編寫加工工藝卡，工藝卡就是加工的流程卡，工藝卡上注明了工序和技術要求等內容；每份工藝卡與零件圖紙一起下發到各工種（鉗工、車工、銑工、熱處理工等）的工人手中，工人要嚴格執照圖紙和工藝卡上的技術要求進行加工；為了保證質量，在每個工種加工完畢后，質量檢查員要按照圖紙和工藝卡的技術要求進行檢查，如果發現加工質量不合格，就要根據情況作了處理，或者返工，或者報廢。因此，設計流程時，不但要懂技術，還要熟知工廠的設備情況、工人的技術水平、生產組織流程、質量管理流程等。

練習

1、制作一個小書包，材料可選用布、紙、皮革等。思考需要考慮哪些基本因素，并畫出流程圖。

2、以時序和環節為線索，設計一個服裝加工流程，并進行時序和環節的分析。

3、設計一個小木錘的制作流程。

三、流程的優化

學習目標

理解流程優化的意義及主要內容；理解流程優化與設備、材料等之間的關系；能概括某種簡單生產流程優化過程所應考慮的主要問題；能對生產生活中的簡單事項進行流程的改進設計，并用文字或圖表說明流程設計方案的特點或流程的改進方案的優越之處。

在流程的設計和實施過程中，要對流程進行不斷的改進，以期取得最佳的效果。對流程的改進過程，稱為流程的優化。

1、流程優化的內容

生產和生活中的技術改進和革新，多數是對已有流程的整體改進或是對其中某一環節的改進，目的是為了提高工作效率、降低成本、降低勞動強度、節約能耗、減少環境污染、保證安全生產等。

流程優化涉及到工期優化、工藝優化、成本優化、技術優化、質量優化等優化指標。根據需要，有的流程優化是對單個指標的優化，有的流程優化是對多個指標的優化。對于一個特定的流程，往往是以某個指標的優化為主，綜合考慮其他指標，如果片面地強調某一指標的優化，可能會帶來其他指標的下降。因此，流程的優化應在綜合考慮各項指標的基礎上，抓住主要矛盾，突出重點指標的優化，綜合權衡，以達到整體優化的目的。

案例分析

工期優化

校辦廠的一臺機械設備需要修理，需要經過拆卸、機件檢查、零件修理、零件加工、電器修理、組裝、試車等工序，其中零件修理和零件加工可以同時進行，每一工序所需要的時間如下圖，這一流程的線路為①→②→③→④→⑤→⑥→⑦→⑧，修理的總工期為18天。

有沒有其他方法可以縮短工期呢？答案是肯定的，就是分解作業，把原來依次進行的工作改為平行關系或交叉關系進行。

下圖就是改進后的修理流程圖。從圖中我們可以看到，把電器修理的工作由原來的串行，改成了與機件檢查和零件加工并行。這樣總工期就由原來的18天縮短為15天。

在把串行工序改為并行工序時，要考慮到并行工作需要的人力和物力的增加，要把人力和物力增加的成本與縮短工期的成本進行比較，如果改進后的總成本是降低的，那么改進方案就是可行的。工期優化對于大型建筑施工、修路、水利工程等項目，可能會大大減少工程成本，提高經濟效益。

馬上行動

假設制作一只臺燈的工序和所屬時間如下圖：

這一流程的工期是否可以縮短？可以怎樣改進？改進之后可能帶來什么問題？

案例分析

工藝優化

法蘭是以鋼材為材料制作的用于管道等的連接器件。從制造工藝上看，有切削法和少切削法兩種加工方法。

1、切削法

切削法就是將圓鋼直接在車床上切削成型，然后再鉆孔而成。其加工工藝流程如下：

下料→切削→鉆孔→檢查

用切削法制造法蘭的特點是工藝簡單，缺點是切削過程耗費的時間太長，生產效率低，而且材料的利用率很低。

2、少切削法

這種方法的工藝流程如下：

原料斷料后，放在加熱爐內加熱變軟，然后用模具將其鍛壓成型，再經過熱處理，以提高法蘭的硬度，然后按照尺寸要求，進行少量的切削加工，并檢查質量。

這種工藝流程雖然工序較多，所用設備較多，但由于切削量很少，大大減少了材料的浪費，而且生產效率高。因此，大批量法蘭的生產都采用這種工藝流程。

馬上行動

假設鋼材的價格為3800元/噸，填寫下表，比較不同加工工藝下浪費的鋼材金額。

加工方法

1個法蘭用料質量

材料利用率

1萬個法蘭浪費鋼材的質量

浪費總金額

切削法

9.2kg

40%

少切削法

90%

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無切削法

加工零件的方法除了切削法、少切削法外，還有無切削法。無切削法在生產中也有著廣泛的應用。例如，電視機、錄音機機殼的加工，首先是用鋼材做出機殼的模具，然后在注塑機上一次注塑成型，一套模具可以加工出成千上萬個機殼。這種方法使加工流程變得非常簡單。

通常用無切削法加工的材料有塑料、鑄鐵等。

案例分析

成本優化

某配送中心位于A點，現要將一批電視機等家用電器配送到位于B、C、D處的3家商場，運貨車從A點出發，送完貨后返回，配送線路圖如圖所示，圖中帶箭頭的線分別表示兩地往返的方向，數字表示兩地之間的路程（單位：km），圖中無箭頭的線表示可往返線路。試設計最優的配送線路。

此類問題要考慮到各種線路的組合方案，通過計算找到行程的最小值，即為最優線路。計算結果如下表。

方案

線路

路程（km）

1

ABCDA

51

2

ABDCA

46

3

ACBDA

59

4

ACDBA

47

5

ADCBA

51

6

ADBCA

58

成本優化的事例有很多，如郵遞員投遞線路的優化、由手工制作木桶到批量生產塑料水桶的優化等。

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某公司對工作過程的改革

某公司在改革前，其驗收部門雖然產生了貨物到達的信息，但卻無權處理它，而需要將驗收報告交至付款部門。后來采用新計算機系統，實現了信息的收集、存儲和分享，使驗收部門自己就能獨立完成產生信息和處理信息的任務。這樣，該公司在工作過程中減少了一個環節，精減了75%的員工，降低了成本，極大地提高了效率。

2、流程優化的條件

流程的改進和優化需要一定的條件，它建立在設備和工藝水平提高的基礎上，建立在對流程內在機理進一步研究的基礎上。例如，零件加工中材料的改變，會導致設備的改變和工藝方法的改變，從而加工流程就要改變；若材料不變，加工工藝改變了，設備也要改變，這樣，流程也會改變。因此，流程與材料、設備、工藝有著密切的關系，在優化流程時，需要充分考慮到這些條件。

馬上行動

1、原先，人們到銀行或儲蓄所存取款，需要人工填單、記賬，保存紙質的賬單。自從引入了計算機管理系統，改進了存取款的流程，減少了中間環節，大大提高了工作效率，降低了差錯率。請說明：這種流程優化屬于哪種優化？需要什么條件？

2、用數控機床進行機械加工，首先要根據圖紙要求，在電腦上編制加工程序，然后機床自動按程序進行加工，保證加工質量，提高生產效率。這一優化的條件是什么？

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