#7432-CN

EXPERIMENTS 創 新 科 技 系 列

# 7432

8+ 308 26 年齡

數量

模型

目錄

目錄 .......................................................................................... 重要資訊與組裝小技巧 .............................................................. 組裝小技巧 ................................................................................ 零件表內容 ................................................................................

1 2 3 4

什麼是建築工程學？ ................................................................. 5

基本建築元素模型： 正方形和圓柱體 . ........................................................................ 6 堅固的多面體 ............................................................................ 8 力與負載 ................................................................................... 9

兩種類型的角柱體 ................................................................... 10 五邊形 ..................................................................................... 12 三角形和拱形........................................................................... 14 形式和功能............................................................................... 15

拱橋和殼體 .............................................................................. 16 建築模型: 鍛造鐵塔 ................................................................................. 19 懸鏈拱門 ................................................................................. 23 摩天輪 ..................................................................................... 25 關於艾菲爾鐵塔、聖路易斯拱門和豪客摩天輪......................... 29

巨型圓頂 .................................................................................. 30 奧林匹克體育場 . ..................................................................... 32 新未來主義摩天大樓 ............................................................... 36

關於德國國會大廈、聖瑪莉艾克斯30號大樓 和北京國家體育場 ................................................................... 39 高科技酒店 .............................................................................. 40 混凝土外殼表演廳.................................................................... 43 關於雪梨歌劇院和杜拜帆船酒店 ............................................. 46

關於工程設計挑戰 ................................................................... 46

小技巧！ 在每個模型的零件清單上面，你會發現一個藍色的 橫條標示： ››› 這表示組裝該模型的難易程度

1

簡單

中等

困難

重要資訊與組裝小技巧

安全資訊

警告！本套組不適合 3 歲以下的幼童使用。其中包含細 小零件可能被幼童吞嚥或吸入，產生窒息危險。長的細 管可能纏繞住脖子，產生窒息危險。 請將實驗材料及組裝模型零件存放在幼童無法取得之處。 因內含重要訊息，請將包裝盒與說明書妥善保存。

組裝小技巧

結合鍵與結合器 仔細查看不同的組裝零件。小零件的部分，尤其是兩個不 同長度的灰色結合鍵。當您組裝時，選擇正確的零件是非 常重要的。

親愛的家長與協助者：

在實驗開始之前，請仔細閱讀使用說明書並和您的 孩子一起討論安全資訊。請仔細檢查模型以確保有 將模型正確組裝，並協助您的孩子進行實驗，尤其 是閱讀分解圖並將各個零件組裝在一起，以孩子目 前的肌肉發展能力，這部份可能需要更多的靈活性 與手部力量。 我們希望您和您的孩子在使用本套組時能獲得樂趣 與完成有趣的實驗！ 扳手 當您想要將模型拆解開時，可以使用扳手。使用扳 手的窄面端 (A 端 ) 來拆除結合鍵和軟性扁長條。 A端

軟性扁長條 軟性扁長條是本套組的關鍵特色，有 5 孔與 7 孔兩種長度， The “FLEXIBLE ROD” can become any shape like O shape, C 它們具備了彎曲的特性並且可以彎成許多不同的形狀。 There are two types of new “FLEXIBLE ROD” : 5 holes and 7 holes, which own bothor U shape. shape 使用扳手的寬面端 (B 端 ) 將零件撬開，如此處的 rigid and flexible characteristics.

您可以使用二合一結合鍵來連接軟性扁長條，以達到更長 的長度，或者試著將軟性扁長條放在平坦的表面，然後將 二合一結合鍵向下壓入孔中，會更容易連接。

二合一結合鍵所示。

B端

您也可以使用扳手 A 端將零件從孔中推開，如此處 的二合一結合鍵所示。 1

避免折疊軟性扁長條以免產生摺痕。如果彎曲程度太多， 將會永久變形，也不要用扭轉或拉扯的方式來移除結合鍵。

2

Do not bend the “FLEXIBLE ROD” excessively.

A端

3

120 度梯形結合器 120 度梯形結合器上兩個結合鍵的角度為 120 度，使用相 同長度的三個長條和結合鍵，可以製作出等腰三角形。 120°

有關重置變形的軟性扁長條、或調整軟性扁長條讓 它在模型中看起來更完美的小技巧，請參閱下頁， 更多組裝小技巧。

2

更多組裝小技巧

If the “FLEXIBLE ROD” is deformed after used, it is possible to repair the form by dipping the piece in hot water at 50-60℃ for 15 minutes. *The maximum heat resistant is 70℃.

重置變形的軟性扁長條

*If the form is not repaired completely警告！請小心使用熱水，以免燙傷。 or not flat enough, please adjust it with your hands.

如果您的軟性扁長條在使用之後變形、 扭曲或彎曲，以下方法有可能將它們再 次拉直 ! 簡單地將零件放入熱水中 (120– 140 ° F / 50–60 ° C)，等待 15 分鐘，塑 膠材質的特性會讓它自己重置。從熱水 中取出後，您也可以在桌面上把它壓平。 避免使用溫度超過 158 ° F (70 ° C) 的水， 否則零件會融化。

靜置於熱水中 (120–140 ° F / 50–60 ° C)

等待 15 分鐘

Adjust the “FLEXIBLE ROD”, PEG or CONVERTER to make the model more smooth and vivid. Take model 26 as an example:

*Inspire your creativity, sense of beauty, and patience while building your own great master piece. 進行一些小修整，來完善您的模型

做為建構模型的最後一步，您可以對零件進行小小的調整，以對齊連接軟性扁長條，並且讓它的曲線更平滑。 軟性扁長條是可以延展的，因此您可以利用手的輔助，讓它們在正確的位置成型。

調整前

調整軟性扁長條的曲線 如同紅色標示處的弧度

確保零件水平對齊

調整後

3

調整連接角度以保持軟 性扁長條水平對齊

調整頂部和底部連接的 角度，使結構更平滑

調整軟性扁長條的曲線 如同紅色標示處的弧度

調整軟性扁長條的曲線 如同紅色標示處的弧度

零件表內容 你的零件表裡面有什麼零件呢 ?

1

2

10

16

3

4

11

17

5

12

6

7

13

18

19

8

14

20

9

15

21

22

清單：找零件 - 檢查 - 核對 編號 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

零件名稱

數量

C-長結合鍵

50

7344-W10-C2S

10

7061-W10-C1S

13

50

7061-W10-G1W

14

12

7430-W10-B1W

15 16

B-短結合鍵 C-二合一結合鍵

C-2凸單孔轉向結合器 C-單向轉接鍵

品號

編號 12

C-短紙卡固定鍵

2

7061-W10-Y1W

24

7061-W10-W1W

17

C-3孔圓角長條

4

7061-W10-V1W

18

C-120度梯形結合器

6

7404-W10-C1W

19

24

7432-W10-B1W

20

C-5孔圓角扁長條

16

7413-W10-K2W

21

6

7443-W10-C1W

22

C-3孔1/4弧長條

C-5孔長條

零件名稱

C-7孔圓角薄長條 C-9孔長條側有孔 C-11孔長條

C-15孔超長條 C-20mm圓管 C-70mmⅡ軸

C-45度多向結合器

數量

品號

6

7404-W10-C3W

4

7407-W10-C2W

8

7413-W10-P1W

4

7413-W10-Z1W

12

7400-W10-G2W

1

7061-W10-Q1D

C-5孔軟性扁長條

1

7445-W10-A1S

32

7432-W10-A1W

B-扳手

32

7432-W10-A2W

1

7061-W10-B1Y

3

K16#7432

C-7孔軟性扁長條 P-造型紙卡

4

什麼是 建築工程學？

建築學結合了工程與藝術、科學與人文，目的是設計出適合人類使用的建築物 與居住空間。工程學則藉由研究與實踐應用數學與自然科學的知識，來設計、 建造或改良各個產業的人造事物，包括機器、結構、建築、材料等等。而建築工 程是指與建築物的施工和內部設施安裝相關的工程學；建築工程師在設計、改 建、維護建築物時，必須妥善考量工程原理。 建築師主要工作是計畫、設計和管理建築物的結構；在設計建築物時，建築師 需要關心與滿足居住者的需求。建築工程師則專注於建築的系統，包括 (1) 結 構系統：供暖、通風和空調（或簡稱 HVAC）系統，與 (2) 其他系統：管道設計、防 火、電器和照明系統

建築工程師時常使用新材料和新技術，像是電腦建模。興建一動建築物，必須 考量平衡成本、時間和品質等因素，建築師與建築工程師互相合作討論決策， 才能使設計具有可行性。 在這個套組裡，您可以透過實際組裝來了解建築物的設計元素和結構組件。

設計是什麼

述他們在做什麼。設 建築師和工程師使用“設計”一詞來描 變成現實，工程設計的過 計是一系列的步驟，將點子從概念 次，每次都可以進行改 程是迭代的，意味著步驟可以重複多 進，直到達成正確或最佳的結果。

5

確認需求 和限制

改善設計

工程設計過程

測試和評 估原型

建立原型

開發可行的 解決方案

模 型 1-4

正方形

1

2

建 築物 結構 穩 定 建築師必須讓他們的 有的負荷都在它 並保持直立，儘管所 一些簡單的模型， 們的身上。試著建構 顯示如何用不同 來進行簡單的實驗， 在一起，影響結 方式 將 結 構 元 素 連 接 構的強度和穩定性。

實驗

正方形的穩定性

大顯身手

將正方形平放在 桌面上，用一隻 手握住正方形一 角，然後透過移 動對角來讓它變 形。正方形變形了 嗎 ? 也可以試著從 正面向上彎曲正方形的一角，同時握住 另一個角。它彎曲了嗎 ?

正方形支柱 1

×2

3

完成 !

發生了什麼事

當您推動或拉動正方形的角，表示正在向結構施加力或負荷。建築 工程的目標是在不同負荷下達到結構的穩定性。當負荷施加於它們 時，所有結構都會在一定程度上改變形狀。在穩定的結構中，形狀 或變形的變化很小，並且在移除負荷之後，結構內的力會將結構恢 復到原始形狀。 在不穩定的結構中，只要施力，該結構的變形程度會很大，且持 續增加。不穩定的結構不具有將結構恢復到其原始形狀所需的 內力。所以正方形是穩定還是不穩定的結構？ 不僅結構形狀不穩定，且塑膠材料本身的柔韌性讓它容易彎 曲。

3

4

5

2

實驗

強化結構 大顯身手

正方形和圓柱體

用正方形支柱重複上述實 驗。正方形支柱會對其負 荷做出什麼反應 ?

完成 ! 發生了什麼事

您可以將正方形模型製作成更穩定的結構，試著增加兩個長

條，透過交叉來連接兩個角，同時它也可以鎖定正方形的角

度。當您推動正方形的角，會感覺模型移動了一下；當您停止 推動它時，會感覺到它恢復原來的形狀。正方形支柱更耐

彎，然而，您也使用了更多的材料達成此目的，這就是工 程中的權衡。

6

正方形和圓柱體

模 型 1-4

圓柱體

2 1

×2

種不同形 狀 和 建 築 師 希望 設 計 各 足 居民 和空間 大小的建築物，以滿 我們試著建構 使 用 者 的 需 求。讓 狀 ─ 圓 柱 體， 一 個 簡單的立 體 形 支 撐，讓 它的 然 後，我 們 可以 增加 結構更加穩定。

4

3

完成 !

圓柱體支柱 1

2

×2

3

×4

4

5

實驗

6

7

強化結構

7

大顯身手

完成 !

建造出圓柱體， 然後把它支撐起 來。用手推一下 您的模型，有注 意到什麼嗎 ?

發生了什麼事

當您添加支撐時，可以使圓柱體更 能耐得住變形，即使是軟性扁長

條，在連接時也會變得更加堅固， 這個有一部分歸功於三角形。接 續下一頁以了解更多資訊。

模 型 5-6

彎曲三角形

1

堅固的多面體 2

固而穩 最強的形狀，它們堅 三角形通常被認為是 會 變 成另 角形不變形，它就不 定，這是因為只要三 構 框 架的 角形是大多數剛性結 一種形狀。因此，三 扁長條彎 ，您可以看到當軟性 基礎。在這個模型中 生堅固的形狀。 曲形成三角形時，產

完成 !

凸的多面體

2 1

×4

將許多彎曲的三角 形組合成一 個 3D 形狀時，會發生什 麼事 ?

3

4

5

6

完成 ! 實驗

堅固的多面體 大顯身手

試著用手向內推推看模型，它堅固嗎 ?

發生了什麼事

多面體是具有許多邊的立體形狀。在這裡，您從 彎曲的三角形中製作了一個六邊形多面體。因

為它由三角形組成，所以這種形狀非常堅固， 並且難以變形。

8

知識補給站

力與負荷

力是物體之間的相互作用。您可以將力視為可推動或拉動 物體、並改變物體方向的運動。如果物體抵抗運動，可能 會變形─物體的一部分可能相對於物體的另一部分、而不 是整個物體移動。建築工程師必須分析作用在建築物上的 力，以確保建築物保持直立。作用在建築物上的力稱為負 荷。

建築工程師通常會使用五個詞彙來描 述負荷如何影響結構：張力、壓縮、 剪切力、扭力、彎曲。

張力 是將物體拉開 ( 或拉伸 ) 的任何 力量。

壓縮 是推動 ( 或擠壓 ) 物體的任何力 量。

剪切力 是使物體內部的平行表面滑過 彼此的力。

扭力 是一種瞬間導致物體扭曲的力。

張力

壓縮

負荷作用於建築物

扭力

剪切力

建築師必須設 計讓建築物能 夠承受不同類 型的負 荷，這些負荷可 能會將建築物 垂直拉下或橫 向推 移。負荷可以分為兩種類型：靜荷重和動荷重。

靜荷重包含建築物本身的重量以及建築物中安裝的 所有永久物。重力將這些荷重向下拉。

動荷重包括建 築物內人員、家 具和其他物體 的重 量。雪荷重和雨水荷重─屋頂上積雪或水的重量─ 也是活荷重。

有些動荷重在 建築物上是橫 向作用，而不是 向下 拉。風荷重是由推動建築物側面的風產生的。建築 物基地周圍的地下水和土壤橫向推進。在設計堅固 穩定的建築時，必須考慮偶爾發生地震的荷重。

重力荷重 佔用荷重

9

靜荷重

雪荷重

橫向荷重 風荷重

地震負載

水與土壓力

彎曲

彎曲力 是使物體彎曲的力。

塑 膠與 鋼 樑 試試看從兩端拉動軟性扁長條，它具有 力，不是嗎?

非常強大的張

非常堅固，當 現在將兩端一起往內推，它在壓縮上不是 方面，它有 剪切 您將兩端一起往內推時，它會彎曲；在 形。 曲變 很強的彈性，當您扭轉它時，它會扭

條會彎曲。此 握住長條的一端，在長條中間往下推，長 壓縮狀態。 則是 時，長條一 側處 於拉緊狀態；另一側 套件中構建模 這是一種特殊型態的塑料，設計用在此 長條在模型中 的軟 彎曲 些可 型時具有適當的靈活性。這 ，鋼具有高 一樣 塑膠 樑。像 用來模擬真實建築物中的鋼 會在太大 大，它 很強 不是 方面 張力的特性，但它在壓縮 。 拉開 到尾 從頭 的力量下彎曲，但很難 將它 ?因為鋼和其 為什麼不用塑料條來建 造更多的建築物呢 低條 件。鋼比 他金屬更耐熱，在正常條件下不太可能降 塑料更堅固、更堅硬、更耐用多了。

三角形

現在，讓我們來調查形式吧！形式是建築 中非常普遍使 用的詞彙─它基本上只是

模型 1

2

指建築物的形狀和配置。與形式相對的 是空間，空間是由建築物的形式定義的空

白區域，形式 和空間共同構成了整體的建 築。現在，讓我們來建立一些形式吧！

三角柱 1

7-10 兩種類型的角柱體

完成 !

2

×2

×6

3

4

實驗

角柱體 大顯身手

用一隻手握住頂部的三角形，再用另一 隻手握住底部的三角形，沿著相反方向 旋轉三角形並輕輕地扭轉角柱體，嘗試 彎曲和壓縮三角柱。您有注意到什麼嗎 ?

完成 ! 發生了什麼事

把兩個三角形製作成角柱體，角柱體是3D幾何圖形，它的兩個

端面是相似、相等和平行的形狀，以及它的側邊是平行四邊形

─換句話說，兩側形成平行線。三角柱容易扭轉、彎曲和壓縮， 末端的三角形可能是穩定的，但中間的長方形就不是那麼堅

固了，儘管如此，無數的建築物都是使用這樣的形狀建造的， 而且由於材料強度的關係，它們夠堅固所以能保持直立。

10

兩種類型的角柱體

正方柱

模型

7-10 1

2

有很多不同類 型的角 柱體，讓我們來建立

完成 !

一個正方柱吧！

長方柱

1

2

×2

×8

3

4

實驗

更多角柱體 大顯身手

像測試三角柱一樣測試長方柱，您 有注意到什麼嗎 ? 哪個更耐得住變形 呢?

11

完成 ! 發生了什麼事

正方柱中根本沒有三角形存在，因此，它比三角柱更能夠扭

轉、彎曲和變形。但是，你可以看到，即使是正方柱，它也夠

堅固到可以保持直立。透過將12個軟性扁長條組合成一個結 構，您已經創建一個具備體積或內部空間的立體形狀。不難 想像，這種角柱體是無數建築物的基礎。

模型

平的五邊形 1

×5

11-12

五邊形

2

3

4

6 5

實驗

一個平面上有五條線

大顯身手

按下五邊形的一個結合鍵，用第一個結合 鍵來固定形狀，然後向上拉，會發生什麼 事?

完成 ! 發生了什麼事

您製作了一個平的五邊形，五邊形是五邊的形狀，五個長條

都在同一個平面上。在幾何學中，平面是平坦的二維表面， 無限遠地延伸，向來總是三個點就可定義為一個平面。

當您把五邊形的一部分拉低並且將其他部分向上拉，五

邊形會變得彎曲，也不再佔據同一個平面，翹曲的五邊

形現在是一個彎曲的表面。想像一下所有有這種彎曲表 面的建築物！

12

模型

五邊形

11-12

從上一頁平的五邊形開始，我們現 在將它彎曲成一個圓頂。

由五邊形構成的圓頂

2

1

4

3 3

3

5

×5

×5

3

3

3

2

6

7

×5

實驗

執行這個步驟五次，將 X 形組件的底部連接 到對應的結合鍵和二合一結合鍵，再將頂端 連接到頂部的五邊形。

圓頂五邊形 大顯身手

將一疊雜誌一本接一本放在圓頂上，在圓 頂開始變形之前，支撐了多少本雜誌 ?

13

完成 !

發生了什麼事

您用軟性扁長條製作了一個圓頂，圓頂由五個弧形支撐，弧 形是圓周或其他曲線的一部份，透過在某些點將弧連接在

一起。您已經製作出穩定的三角形了，你能算出模型中所有 三角形數量嗎?

這個模型類似於星形圓頂，它是人類建造的第一種避難 所之一。它們是由薄而有彈性的樹幹或樹枝建造的。

模型

平的三角形

2

三角形和拱形

13-15 3

1

完成 !

弓形三角形

3

2

拱形是一種曲面結構，兩側對稱並跨 越一個開口，它經常支撐著它上面的負 載，例如：牆壁、橋樑或屋頂。

1

5

×2 4

完成 !

簡單的拱形 1

實驗

拱形的力量 大顯身手

在這一頁會構建三種形狀，所有的 形狀都只會使用三個軟性扁長條， 但每個軟性扁長條會形成不同的形 狀。試著向下按壓拱門的頂端，會 發生什麼事 ?

2

3

完成 ! 發生了什麼事

當您向下按壓拱形頂端時，拱的兩側向外彎曲。想像一下，你的力

量沿著整個拱門長度向下和向內推動。如果側面可以防止被往外

推，則可防止拱的頂部向下推。這就是為什麼拱形有如此強大的 結構形狀，以及為什麼它應用在這麼多建築物上的原因。拱形

的內部表面處於壓縮狀態，拱形通道從頂部向下穿過側邊，並 向下到達底部。

14

知識補給站

形式和功能

建築師設計建築物和空間供人們使用，從最簡單的 房屋到最複雜的摩天大樓，建築物必須滿足居住在 裡面的人的需求。在建築學中，人們常說“形隨機 能”，這意謂著建築物內部與周圍空間的形式與形 狀，取決了建築物的用途。除了實用性之外，建築 師還關注建築的耐用性和美觀，如果建築物倒塌或 不能保護居住者免於天候影響，就無法滿足這個功 能。建築美感可能是最難定義的品質，人們在觀賞 建築物或置身於空間時的感受，是建築師極其重要的考慮因素，透過這種方式可以知道， 藝術是建築的重要元素。此外，建築物對環境的影響也日益受到關注。

建築的要素

數千年來人們一直在設計建築物和空間，多年以來，建築領域已經穩定發展並擁有豐富的技術知 識、術語和技術，這些都與建築的設計和建造有關。就像作家在寫書之前需要理解字母和文字一 樣，建築師必須先了解建築的基本要素，才能設計出複雜的建築。以下是建築元素的一些範例： 形式的要素

立方體

方形金字塔

圓柱體

球體

半球體

屋頂類型

六角柱體

錐體

半圓柱體

拱門類型 圓拱

尖頂拱

平圓拱

馬蹄鐵拱

平肩拱

三葉拱

凸形拱

都鐸式拱

蔥形拱

帳形拱

拋物線拱 穆德哈爾 式拱

人字形(開放式)

棚形

鹽盒形

平形

M形

四面坡形

蝶形

單坡形

曼薩爾式

荷蘭山牆式

老虎窗式

有交叉的四坡形

複折式

人字形(封閉式)

天窗式

重要原料

雖然建築師主要關心的可能是建築物的形式和功能，但建築工程師的主要關注點可能在於使建築物 的系統是否能支援其形式和用途：建築物的結構可以支撐居住者的重量嗎 ? 建築物在必要的地方都 有光、熱、電和水嗎 ?

現代建築工程師如何實現建築師設計的高大摩天大樓和具有建築風格的建築 ? 這個答案很大程度上 是取決於他們使用的材料。現今建築中使用的三種最關鍵的材料是鋼、混凝土和鋼筋混凝土。

+ 鋼是一種金屬，是鐵和碳的合金或 混合物。由於其高張力強度和低成 本，它是一種常見的建築材料。

15

=

混凝土是一種複合材料，由細小粗 骨料 ( 如砂和礫石 ) 製成，用液態 水泥黏合在一起，隨著時間的推移 會變硬。由於其高壓縮強度和低成 本，它是一種常見的建築材料。

當您結合鋼筋的鋼抗拉強度和 混凝土的高抗壓強度時，您會 得到另一種常見的建築材料， 稱為鋼筋混凝土，它在拉伸和 壓縮方面都很強大。

交叉的拱形

零件清單 1

3

8

x 2

x5

x1

14

x 4

模型

16-18

拱橋和殼體

1 拱形很棒！但有時候您還想 要在屋頂下面放置更多空

20

間。想像一下！圍繞著頂點 旋轉拱形，定義出一 個立體

x 4

空間─這就是圓頂。

2

3

4

5 6

實驗

拱形和圓頂 大顯身手

看看您建立的模型，您能在模型中找 到兩個拱形嗎 ? 仔細觀察拱形，它們 有什麼形狀 ? 向下推壓圓頂，會發生什麼事 ?

完成 !

發生了什麼事

在這個實驗中，您可以看到圓頂如何地像多拱門的組合。您在不

同的平面上建造了一個帶有兩個拱門的結構。拱門依據其形狀稱 為凹拱或倒拱。

這兩個拱型定義了立體空間。這不是圓頂的常見形狀，您可以看 到為什麼當你向下推它時：圓頂向內彎曲。蔥形拱不是最強的

拱門，凸曲線和凹曲線的組合使它們在結構上相當薄弱，它們 較常被應用在室內裝潢上。

16

模型

拱橋和殼體

零件清單

16-18 殼體

1

5

9

10

x 5

x2

x3

x1

16

19

20

x 2

x6

x1

1 2

3

6

4

5

7

8

發生了什麼事

9

對齊

想像一下，覆蓋這個模型外部的曲面。在結構體系中，殼

體是由它的形狀定義的結構元素，它是一種彎曲的立體

對齊

形狀，與其他平面相比，它非常薄弱。

殼體是彎曲的板，板是由其形狀定義的另一種建築元

對齊

17

現在讓我們建構另一種類型 的現代結構元素：殼體。

完成 !

素。像殼體一樣，它是一個立體形狀，跟其他的形狀相 比，在一個維度上相當薄。不同之處在於它是平的， 而不是彎曲的，板的表面是一個平面。

零件清單 1

羅馬式拱門

3

x 16

讓我們再建一 個

拱橋和殼體

14

19

x 4

x 4

x 4

1

×2

拱形來研究張力

x5

x2

13

2

16-18

11

10

x6

模型

和壓縮。

3

×2

4

OK

5

實驗

張力

大顯身手

當您在步驟 5 中彎曲拱 的頂端時，會發生什麼 事?

6

完成 !

發生了什麼事

現在您已經建構了許多建築

此分開得更遠。透過這種方式，您可以看到拱門的

建築模型。使用您剛剛探索

五個5孔圓角扁長條向外張開，您可以發現它們彼

外部表面是如何被拉開的，它正處於張力狀態；但 是拱門的內部正被推到一起，處於壓縮狀態。

順便提一下，這種經典的半圓形拱門稱為羅馬式

拱門，它的半圓形狀使它非常堅固，並且被廣泛地 使用在古羅馬建築中。

的基本結構元素，讓我們繼

續建構更大、更具挑戰性的 過的原理和元素，從這個標 誌性的塔樓開始吧！

18

模 型 19

鍛造鐵塔

零件清單

1

3

x 26

2

x 47

1

M26

4

7

9

x8

x4

x8

17

19

20

x1

x 25

x 29

×2

在建築中，平面圖是從 上方顯示的建築物圖表 來俯視建築物。平面計 畫圖顯示了在建築物水 平切割的某個橫切面下 的所有內容。

平面圖

10

x 16

3

×2

4

×4

2 x2 平面圖

3 x4

1

2 2

注意：步驟1和步驟2略有不同！

5

1

6

20

19

6

8

19 5

19 19

20

7

19

×4 20

20

19

4

4

模 型 19 鍛造鐵塔 7

7

9

平面圖 7 7

10

19

11

×4 20

19

20

19

平面圖

12

14

13

20 20

20

19 9

20

19 9 9

9

9

×2

19

20 20

15

9

9

9 19

19 19

20

模 型 19

鍛造鐵塔

12

11

16

17

11 11 11

平面圖

18

19 13

21

14

20

15

15

21

22 保持水平對齊 保持水平對齊

70mm

模 型 19 鍛造鐵塔

20

保持水平對齊

保持水平對齊 保持水平對齊 保持水平對齊

正視圖 在建築中，正視圖是直接從 側面顯示的建築物圖表。正 視圖顯示了在建築物垂直切 割的某個橫切面後面的所有 內容。

實驗

23

塔的形狀 大顯身手

完成 !

計算鍛造鐵塔模型中不同形狀的數量，您能找到多少圓圈 ? 多少正方形和拱形 ?

發生了什麼事

您建造的模型類似於法國巴黎的艾菲爾鐵塔。模型

由可彎曲的軟性扁長條組成，但實際的塔是由鐵製

成的。可彎曲的軟性扁長條幫助您了解─塔架結構

中所有形狀如何協同工作以保持穩定。單個軟性扁

長條在沒有彎曲的情況下無法站立，真正艾菲爾鐵 塔的鋼鐵條也是如此。從寬闊穩定的底部到較細

薄的頂端，實際上艾菲爾鐵塔的鐵架有上千個三

按照更多組裝小技巧的模型改善提示， 完成您的模型！

角形桁架來保持穩定。

22

模 型 20

懸鏈拱門

零件清單 1

3

1

×2

2

12

19 9 4

8

9

x2

x6

x 24

9

x 35

10

11

12

13

x1

x6

x 6

x 4

16

19

20

x4

x 18

x 28

9

12

9

3

12 9

4

×2

8

9

9

9

11

8

9

6 x2 6

×2

11

11

5

9

19

19 x 16

×2

7

×2 20

9

8

9

4

×2

3

2 1

19 20 4

19 20

8

8

9

×4 19

20 20 20 20

23

模 型 20 懸鏈拱門 13

10 連接中間的孔

14

14

11

連接中間的孔

15

完成 !

調整長條，使拱門三邊弧形都順著 平滑的曲線，並調整一下扭曲或彎 曲部分。按照組裝小技巧的模型改 善提示，完成您的模型！

12

×2 20

20

20 20

19

發生了什麼事

您建造了一個類似於密蘇里州聖路易斯大拱門的 模型。與您的模型一樣，真正的聖路易斯大拱門 具有三角形橫切面。如果沒有三角形橫樑連接 三段軟性扁長條，您的模型將無法站立。

24

模型

摩天輪

零件清單 1

2

21 2 1

3

4

5

6

9 9

×2

10

9

5 x 34

x 10

x 50

x 12

x2

x 24

x2

x 14

11

12

13

14

15

x6

x 6

x 4

x 8

x 4

16

17

18

19

20

22

x 12

x1

x1

x 30

x 26

x 3

mm

1

3

×2

70

4

20

1

×4

20

20

3

1

5

×6

6

2 2

2 1

×4

2

5

7 2

6

25

3

×6

8

5

模型 10 9

摩天輪

21

20

×6

20

19 20

20

19 20 19

19

19

19 1

20

19

4 20

20

19 1 4

11

10 10

12

13

1

×6 確保兩個環上面的二合 一結合鍵和2凸單孔轉向 結合器互相對齊。

26

模型

摩天輪

14

21 15

×18

15

16

15

×6

15

重複步驟15 六次，直到六 個纜車車廂都連接到每 一個輪輻末端上。 15

15

18

17

18 17

27

19

模型

×12 17

17

21 21

摩天輪

17 17 17 17 17

17 17 17 17

重複步驟18 十二次，直到十八個纜 車車廂都連接到輪上，如圖所示。

17

20 19

完成 !

按照組裝小技巧的模型改善 提示，完成您的模型！

4

重要提醒！

如果您將組裝 好的摩天輪靜置數天，會注意到 輪有可能會隨著時間的增加而歪曲，您可以簡

單地將它再次調整回平滑的曲線。但如果您每 隔幾天就把模型旋轉180度，模型就幾乎不會

實驗

摩天輪的挑戰 大顯身手

用手旋轉已完成的摩天輪並觀察， 它一直在旋轉嗎 ? 拆下摩天輪上一 半的車廂，再次旋轉摩天輪，這次 會發生什麼事 ? 拆下固定底部的軟性扁長條 ( 如步 驟 4 所示 )，會發生什麼事 ?

變形。

發生了什麼事

當您從摩天輪上拆下一半的纜車車廂時，摩天輪不再平衡。有纜

車車廂的一側會比另一側重，這造成摩天輪的轉動，因此有車廂 的那側會位於底部，因為它的質心位於中心樞軸點下方。

當您卸下支撐底部的軟性扁長條時，底座不再豎立，您可以很 容易地看到軟性扁長條如何在與安裝的輪重量相反的方向上 拉動基座結構。這種結構稱之為懸臂，懸臂是一種剛性結構

元件，例如梁或板，一端固定在一端並伸出到開放空間中，另 一端未被支撐。

28

豪客摩天輪

知識補給站

艾菲爾鐵 塔

地點：內華達州拉斯維加斯 完成年份：2014 直徑：520英尺

高度：550英尺

地點：法國巴黎

材質：鋼板和鋼纜

完成年份：1889

高度(至尖端)：1,063英尺

材料：鍛鐵、混凝土和石材

豪客摩天輪的輪子透過112條電纜輻條連接到輪軸，電 纜厚三英寸，透過每根電纜的張力將邊緣向內拉向輪

軸，從而將邊緣保 持在適當的位置。這就像自行車車輪 如何結合在一起─只是摩天輪更巨大！

聖路易斯拱門 仔細觀察艾菲爾鐵塔，您會發現它有許多X 形結構，縱橫交錯，這些被稱為桁架。桁架

使用相對少量的材料來達到相對大量的穩定 性。它們非常有效，因為它們比材料(在這種

情況下是鐵)具有更多的空間，而且它們非常 強大，因為利用了三角形的固有穩定性。在

艾菲爾鐵塔中，較大的桁架甚至是由較小的

桁架組成的。艾菲爾鐵塔有超過18,000個不

29

同的部分。您可以在任何地方看到桁架，包 括橋樑、摩天大樓和塔樓。

彎曲的 桁架

桁架

地點：密蘇里州聖路易斯 完成年份：1965

高度：630英尺 材料：外部採用不銹鋼板，內部採用 碳鋼板，澆注鋼筋混凝土

聖路易斯拱門被稱作加重的懸鏈線拱門， 因為它的形狀與顛倒的懸鏈線的曲線相

似。懸鏈線是指從兩端握住繩索或鏈條，

使其在中間垂下時形成的形狀。這是具有

均勻密度和厚度的拱形的最佳形狀，僅需 要支撐其自身重量，因為懸鏈線是將重力 引導到通過拱形物到地面的壓縮力的最 有效形狀。

模 型 22 巨型圓頂

零件清單 1

3

19

1 x 30

x 50

×2

20

x 30

×10

重複步驟2-7兩次

x 30

3

4

2

5

8

6

7

×10 9

×2

10

9 9

30

巨型圓頂

模 型 22

12

7

11

8

×5

×5

連接五個X形組件：將X形組件 的底部連接到對應的結合鍵和 二合一結合鍵，再將頂端連接 到頂部的五邊形。

連接剩餘的五個X形組件：將X形 組件的底部連接到對應的結合鍵 和二合一結合鍵，再將頂端連接 到頂部的五邊形。

13

完成 !

額外的實驗

用濕紙巾蓋住圓頂結構，重疊

毛巾，讓它至少有一層覆蓋住 大部分的結構。現在，您已經

按照組裝小技巧的 模型改善提示，完 成您的模型！

創建了一個表面結構來封閉

住圓頂。

實驗

圓頂的強度 大顯身手

將雜誌一次一本的放在圓頂上，在圓頂開 始變形之前，支撐了多少本的雜誌 ? 將此 圓頂的強度與您在第 13 頁上製作的較小圓 頂的強度進行比較。

31

發生了什麼事

這個圓頂比13頁的圓頂更大，但它也有更多的結構支

撐。因此，您可能觀察到這個圓頂比較小的圓頂支撐 了更多的重量。但是，這裡涉及了許多變因，因此， 您可能會有不同的觀察結果。

模型

零件清單

1

1

2

3

7

10

x 38

x4

x 24

x4

x4

奧林匹克體育場

23

×2

1

14

15

16

19

20

x 4

x 4

x 10

x 24

x 20

1

3

2 2 2

2

2

5

1

4

×20 6

1

×2

1 1

1 1

1

7

8

×2

1

32

奧林匹克體育場

10

模型

23

9

1

1 1

11

12

旋轉模型，從另一端操作。

1

13 1

14 1

1

1

33

15

模型

23

奧林匹克體育場

1

16

1

1

17

1

1

18

1 1

20

×4

19

34

奧林匹克體育場

模型

23 將模型旋轉180度，從另一端操作。

22

21

參考組裝步驟

參考組裝步驟

參考組裝步驟

B

A

A

A

參考組裝步驟

B

23

完成 !

B

實驗

不規則結構 大顯身手

計算體育場模型中間的軟性扁長條相 互連接點的數量。

35

按照組裝小技 巧的模型改善提示， 完成您的模型！

發生了什麼事

軟性扁長條有14個連接點。每個軟性扁長條至少連接到中間 的一條扁長條，這產生了一種桁架系統，可將軟性扁長條轉

變為剛性結構。這個模型以中國北京國家體育場為根據，它 的綽號叫鳥巢，因為它的不規則鋼梁結構類似於鳥巢交織

在一起的樹枝。作用在體育場的不規則樑上的力需要複雜 的電腦建模來分析。

模 型 24 新未來主義摩天大樓

零件清單 1

x 28

3

19

20

x 36

x 20

x 24

1

2

3

×4

4 5

6

×8

7

36

新未來主義摩天大樓 8

模 型 24 9

×4

11

12

10

37

×4

模 型 24 新未來主義摩天大樓

13 14

將軟式扁長條連接在紅色與藍色圓圈 標記的位置。

完成 !

15

實驗

曲線摩天大樓 大顯身手

從圓形底座開始，沿著軟性扁長 條直到模型頂端，那裡有多少根 軟性扁長條呢 ? 它們遵循的路徑 形狀是什麼 ?

16

平面圖

按照組裝小技巧的模型改善提示， 完成您的模型！

發生了什麼事

有八條連接的軟性扁長條從底座延伸到模型頂端，每條以螺旋形向

上彎曲─順時針旋轉一半，逆時針旋轉一半。這個模型以英國倫敦 的聖瑪莉艾克斯30號大樓為根據，綽號小黃瓜。該建築有圓形平 面圖，十六樓是面積最大的樓層，當樓層從十六樓上下移動時，

樓層的面積會愈來愈小。這使得建築物呈現橢圓形的高度，讓人 想起小黃瓜或醃黃瓜。

38

知識補給站

德國國會

地點：德 國柏林 完成年份：1999 高度：154英 尺 的 鋼 和玻 材料：石頭 建築上 璃 圓頂

德國國會大廈穹頂位於重建

的德國國會大廈的頂端，該大 樓是德國議會的所在地。圓頂 讓光進入主會場。為了避免變

得太亮和太熱，有一個大型太 陽能防護罩全天移動，以阻止 陽光直射進入圓頂。

大廈

地點：英國倫敦 完成年份：20 03 高度：591英 尺 材質：鋼和玻 璃

這座標誌性的建築在 它完成之前就獲得了 小黃瓜的綽號，每個

樓層都是不同大小的

完美圓形，賦予其獨特 的形狀。框架由巨大

的鋼梁組成，橫跨外

部，形成螺旋形圖案。

北京國家體育場

地點：中國北京 完成年份：20 08 高度：227英 尺

長 度：1082英 尺 材料：鋼和混 凝 土

39

聖瑪莉艾克斯30號大樓

該體育場專為2008年夏季奧運會和殘疾 人奧運會而建，可以容納91,000人。它由

超過42,000噸鋼製成。為了建造它，24個

巨大的鋼柱被放置在一個環中。然後，焊 接較小的樑以在側面和頂部將柱連接在 一起，從而形成巢狀外觀。

模型

零件清單 3

1

x 22

x 20

1

高科技酒店

25

×2 20

4

5

9

x8

x1

x4

17

19

20

x1

x 11

x 23

19

2 20

20

3

×8

20

4

×2

4

5 3

19

20 3

6 3

4

19

3

20

19

20

7

3

20

20 3 3 4

3

20

20

40

高科技酒店

模型

25

9

×2

8 5

10

9 19

7

9

20 19

19

20

20 20 20

11 9

12

8

41

模型

25

高科技酒店

70mm

13

14 5

完成 ! 調整軟性扁長條，讓塔的兩個弧線依循平滑的曲線， 調整一下扭曲或彎曲部分。按照組裝小技巧的模型改 善提示，完成您的模型！

發生了什麼事

您在阿拉伯聯合大公國的杜拜建造了一座酒店大樓的模型，名為 帆船酒店，或阿拉伯塔。它是世界上最高的酒店之一，其設計類

似於船帆，平面圖就像餡餅的一部分。鋼筋混凝土的巨大中央 桅杆和鋼外骨骼支撐著建築物。

42

混凝土外殼表演廳

零件清單 1

x 39

3

x 12

模型

1 9

13

x 18

x2

16

19

20

x2

x 18

x 29

3

26

4

2

5

6

8 x2

8

7

重複步驟 8~12 兩次

11 x2 9

43

×2

11

10

模型 12

×2

13

16

15

26

混凝土外殼表演廳

14

×2

17

19

18

19

20

23

21

12

22 7

12

44

混凝土外殼表演廳

模型

26

24

25

對齊 對齊 對齊

26

對齊 對齊

對齊 對齊 對齊 對齊

發生了什麼事

27

您建立了一個類似於雪梨歌劇院的簡單模型。您的

模型由可彎曲的軟性扁長條組成，但真正的歌劇院 由陶瓷磚覆蓋鑄造混凝土外殼製成。所有的貝殼

都是完美球體的一部分。對於殼體的每個部分，

這種規律性允許建造者一遍又一遍地使用相同的 混凝土模具，您的模型依據了雪梨歌劇院的輪廓

45

外型來建造。

完成 !

按照組裝小技巧的模型改善提示，完成您的模型！

雪梨歌劇院

雪梨歌劇院實際上有六個不 同的表演空間，它是一家劇 院、交響樂團、當然還有歌

劇院。它在十多年時間裡分

帆船酒店

大公國迪拜

伯聯 合 地點：阿拉 19 9 9 完成年份： 3英 尺 高度：1,05 璃 混 凝 土和玻 材料：鋼，

三個階段建造，每個外殼都

地點：澳大利亞雪梨 完成年份：1973 高度：213英 尺 長度：60 0英 尺 材料：預製混 凝土外殼，鋼和

玻璃

是完美球體的一部分。這種

規律性允許建造者一遍又一遍地使用相同的混

凝土模具，也因為這樣的工法，節省了許多時間 和成本。

這座建築是世界上最高的酒店之一，它建在一個人造島上， 設計看起來像一艘賽艇帆船。屋頂上有一個直升機降落 墊，高出地面689英尺。

工程師的一項重要任務是識別和理解限制， 以便提出解決方案。工程師必須平衡許多不 同的權衡，工程師可能面臨的一些權衡取決 於可用的資源、成本、生產力、時間、質量和 安全性。

額外的實驗

工程設計挑戰 大顯身手

知識補給站

1. 僅使用此套件中的零件，建 造最高的塔。塔必須能夠獨 自站立，並通過添加其他要 求，例如：塔必須承受來自吹 風機的空氣流動、或搖晃桌 子、或必須保持一定的重量。 您可以使挑戰更加困難。

2. 僅 使 用 此 套 件 中 的 零件，構建最大的圓 頂。它必須支撐自身 的重量而不倒塌。

3. 僅使用此套件中的零件，構建最長的 跨度 ( 橋 )。它必須支撐自身的重量 而不倒塌。您可能需要在設計中考 慮一些工程限制，包含：可用材料、 結構和乘員的高度 / 重量 / 位置、時 間、抵抗負載所需的強度和穩定性， 例如地震 ( 桌子的搖動 ) 和風 ( 來 自吹風機的氣流 )。

46

本期內容之著作權，依法由智高實業股份有限公司享有 未經正式書面授權•禁止轉貼節錄 © 智高實業股份有限公司 2020 - ALL RIGHTS RESERVED R21#7432-CN-1