Using Math to Design a Roller Coaster pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Gareth Stevens Pub

作者:Koll, Hilary/ Mills, Steve/ Kiepert, Korey T.

出品人:

页数:32

译者:

出版时间:

价格:82.00 元

装帧:Pap

isbn号码:9780836867732

丛书系列:

图书标签:

• 数学
• 物理
• 过山车
• 工程设计
• STEM教育
• 数学应用
• 物理应用
• 趣味科学
• 青少年科普
• 项目式学习

探索未知：一本关于现代建筑与结构力学的先锋之作 序言：超越图纸的结构之美 本书深入剖析了现代建筑设计中，结构工程学如何从纯粹的力学计算，演变为驱动美学表达与空间体验的核心力量。我们不再将结构视为仅仅是支撑屋顶的必要之恶，而是将其视为建筑叙事不可分割的一部分。这不是一本关于传统工程学的教科书，而是一次对建筑师、工程师以及所有热衷于探索材料极限与空间形态的思考者的邀请函。 我们将聚焦于那些挑战传统认知、利用先进材料科学和计算工具，创造出既震撼人心又功能完善的当代建筑实例。从垂直森林到跨海大桥，从自适应幕墙到超高层建筑的抗风设计，本书旨在揭示“结构即设计”这一核心理念是如何在二十一世纪得到全新诠释的。 第一部分：材料革命与性能驱动的设计 第一章：新材料的拓扑学与结构潜力 本章将探讨近年来在建筑领域崭露头角的几种关键新材料，及其对结构形式的根本性影响。我们首先考察超高性能混凝土（UHPC）的特性。UHPC以其极高的抗压强度和出色的延展性，使得建筑构件的尺寸得以显著减小，创造出更轻盈、更具雕塑感的立柱和梁板。重点分析UHPC在预应力结构中的应用，如何实现跨越更远的无支撑空间。 接着，我们深入研究智能合金与形状记忆聚合物在动态建筑中的应用。这些材料能够响应环境变化（如温度或光照）改变自身形状或刚度，为设计可以“呼吸”和“适应”的立面系统提供了可能。通过分析一个复杂的自适应遮阳系统的案例，我们将展示如何将材料的本征属性转化为建筑的动态美学。 第二章：木材的复兴：胶合木（Glulam）与正交胶合木（CLT）的工程极限 在对可持续性的迫切追求下，工程木材迎来了爆发式增长。本章重点剖析CLT（Cross-Laminated Timber）。我们不仅讨论其作为碳中和材料的优势，更着重于其结构行为。分析CLT墙板、楼板在剪力、抗弯和抗扭矩方面的表现，并对比其在不同层高下的抗震性能。本书将详细解读如何设计突破传统木结构高度限制的“摩天木塔”，其中涉及的节点设计、防火策略，以及如何通过精密的预制工艺确保现场的快速装配。 第三章：薄壳结构与曲面几何的精准控制 薄壳结构作为结构效率的极致体现，在本章中被重新审视。我们不再满足于简单的双曲抛物面，而是转向复杂的自由曲面几何。探讨如何利用参数化设计工具，在保证结构受力合理性的前提下，精确控制曲率，以实现特定审美目标。案例分析将集中于那些采用张拉整体（Tensegrity）体系或复杂网壳结构的场馆，解析其在优化材料用量与最大化内部空间净高方面的工程智慧。 第二部分：计算驱动的形态生成与优化 第四章：拓扑优化在结构设计中的角色 本书的核心章节之一，探讨了如何利用拓扑优化算法来发现传统设计思维无法触及的最优结构形态。我们详细阐释了“力流导向设计”的理念，即让材料自然地沿着结构受力的主要路径生长。通过实例展示，从一个简单的承重需求出发，算法如何生成有机、仿生的支撑结构，这些结构往往具有惊人的视觉冲击力和最小化的材料损耗。重点讨论如何将优化结果转化为可实施的建造工艺（如增材制造或复杂浇筑）。 第五章：非线性分析：超越弹性极限的边界探索 现代建筑的许多标志性作品，其结构行为已无法用简单的线性理论描述。本章深入探讨非线性结构分析的重要性，尤其是在分析大跨度结构、高柔性体系以及极端荷载工况（如地震、爆炸或极端风荷载）下的结构响应。我们分析了如何通过精细的有限元模型（FEM），预测材料在屈服、接触和几何大变形状态下的真实行为，从而允许设计师更安全地利用材料的全部潜能。 第六章：参数化建模与建造逻辑的融合 本部分关注从数字模型到实体建造的“最后一公里”。我们探讨了参数化建模如何成为连接设计意图与制造约束的桥梁。分析复杂异形构件的BIM管理，以及如何利用数字化制造（Digital Fabrication）技术（如机器人焊接、数控切割）来实现高度复杂的几何形态。通过追踪一个复杂立面从概念生成、结构校验到工厂预制的全过程，揭示设计意图如何在精确的数字控制下得以忠实再现。 第三部分：动态响应与环境适应性结构 第七章：风工程学：与大气流动的对话 对于超高层建筑和长跨度结构而言，风荷载是决定性的设计因素。本章将超越传统的静力风荷载分析，聚焦于气动弹性效应和涡振现象。详细介绍风洞试验（Wind Tunnel Testing）在结构设计流程中的关键作用，以及如何通过结构形式（如扭转、开孔或阻尼器配置）来主动或被动地控制建筑的动态响应，确保居住者的舒适度和结构的长期安全。 第八章：隔震与消能：主动与被动减震策略 在地震活跃区，结构系统不再是被动地抵抗地震力，而是学会了吸收、耗散和隔离这些能量。本章对比分析了基础隔震技术（如铅芯橡胶支座）与粘滞阻尼器、粘弹性阻尼器在不同结构类型中的适用性。更进一步，我们探讨了主动控制系统的潜力，即传感器实时监测振动，并通过计算机控制的执行器来抵消有害的结构运动，使建筑在极端事件后能够迅速恢复正常使用状态。 结语：迈向适应性与韧性建筑的未来 本书的终极目标是激发读者对结构可能性的想象。未来的建筑将不再是静止不变的纪念碑，而是能够与环境、使用者进行持续交互的生命体。结构工程将越来越深入地融入建筑的社会、环境和经济语境中。我们呼吁建筑师和工程师们拥抱跨学科的思维，将材料科学的最新突破、计算仿真的力量与对人类体验的深刻理解相结合，共同塑造一个更安全、更具美感、更具韧性的建成环境。

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