建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗淺談
楊波 路中科
摘 要：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本內(nèi)容包括方案設(shè)計、 結(jié)構(gòu)分析、 構(gòu)件設(shè)計、 繪制施工圖這幾個部分。本文對這幾點進行系統(tǒng)的闡述。
關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)； 結(jié)構(gòu)設(shè)計； 基本內(nèi)容
通�？梢园呀ㄖ�物的設(shè)計分為建筑設(shè)計、 結(jié)構(gòu)設(shè)計、 電氣設(shè)計、給排水設(shè)計、 和采暖與通風(fēng)設(shè)計等。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，是建筑設(shè)計的重要組成部分， 它是以建筑設(shè)計的要求為基礎(chǔ)， 根據(jù)建筑工程的實際情況， 確定建筑物的結(jié)構(gòu)類型和結(jié)構(gòu)體系， 同時進行結(jié)構(gòu)分析和評估，然后以分析結(jié)果和相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計的規(guī)范為依據(jù)， 進行施工圖設(shè)計。
一、 方案設(shè)計
結(jié)構(gòu)方案設(shè)計， 包括結(jié)構(gòu)選型、 布置和主要構(gòu)件尺寸的估計和結(jié)構(gòu)的初步分拆等。
1、 結(jié)構(gòu)選型
結(jié)構(gòu)選型主要有上部結(jié)構(gòu)選型和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)選型這兩種。對結(jié)構(gòu)選型的確定必須要經(jīng)過方案比較、 技術(shù)經(jīng)濟分析，加以確定。在結(jié)構(gòu)的選型上，一般要以建筑物的功能要求、 國家現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的有關(guān)要求、場地土的工程地質(zhì)條件、施工技術(shù)、 建設(shè)工期和環(huán)境要求等作為主要的依據(jù)。 對于方案的選擇， 其關(guān)鍵就是要以先進性、 科學(xué)性、可實施性、 經(jīng)濟性這四個要素作為前提。首先， “先進性” 就是指所用
的材料、 技術(shù)、 工藝和結(jié)構(gòu)都是最新最先進的， 具有國際或國內(nèi)的先進標(biāo)準(zhǔn)； 其次， “科學(xué)性” 就是指傳力途徑和結(jié)構(gòu)受力都要明確合理；再次， “可實施性” 就是指用現(xiàn)有的施工技術(shù)建造，因地制宜，因地選材，從實際出發(fā)，方便施工建設(shè)； 最后， “經(jīng)濟性”則是指降低材料的消耗、 減少勞動力的使用量以及建筑物的維護費用等， 以求最低的成本建筑高質(zhì)量的工程建筑物， 滿足施工企業(yè)的利潤要求。 不管采用哪一種結(jié)構(gòu)體系， 都要以工程建筑物的用途、施工條件高度和經(jīng)濟指標(biāo)等作為重要的依據(jù)，然后再經(jīng)過方案比較后討論確定下來。通常情況下，是按照砌體結(jié)構(gòu)、 框架結(jié)構(gòu)、 框架—剪力墻結(jié)構(gòu)、 剪力墻結(jié)構(gòu)和簡體結(jié)構(gòu)的順序來考慮結(jié)構(gòu)體系的選擇。
2、 結(jié)構(gòu)的初步分析
結(jié)構(gòu)的初步分析是結(jié)構(gòu)方案設(shè)計中的一項重要內(nèi)容。建筑物的初步設(shè)計需要把建筑結(jié)構(gòu)、給排水、電氣暖通等各專業(yè)設(shè)計結(jié)合起來， 實現(xiàn)各專業(yè)之間的相互合作、 相互制約， 直至最后達成一致并形成初步設(shè)計文件， 才能進入施工圖設(shè)計階段。在方案設(shè)計階段，要求建筑師對樓板的厚度、 梁柱的截面尺寸進行預(yù)估， 確定層高、門窗洞口的尺寸。 而同時也要求結(jié)構(gòu)工程師對初步評估所確定的結(jié)構(gòu)體系，進行預(yù)測， 評估所選的結(jié)構(gòu)體系在各種作用下的反映， 以便評價所選的結(jié)構(gòu)體系是否合理。
二、結(jié)構(gòu)分析
1、 計算模型
結(jié)構(gòu)分析是結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要內(nèi)容之一，主要是計算出結(jié)構(gòu)在各種作用下的效應(yīng)。分析結(jié)果要求能夠解釋和評估真實結(jié)構(gòu)在預(yù)設(shè)作用下的效應(yīng)。 結(jié)構(gòu)分析是否科學(xué)合理直接影響到結(jié)構(gòu)的安全性、 經(jīng)濟性和實用性。 計算模型的確定是結(jié)構(gòu)分析的核心環(huán)節(jié)， 它包括合理選擇計算簡圖和計算理論， 這是結(jié)構(gòu)分析的重點和難點。事實上，無論是哪種分析模型，都不可能全精確地描述真實結(jié)構(gòu)，實際上都只是要求對實際結(jié)構(gòu)在一定程度上的近似。一般情況下， 建立結(jié)構(gòu)分析模型時， 都會做一些假定。如： 假定結(jié)構(gòu)材料是均質(zhì)連續(xù)的， 這種假設(shè)對結(jié)構(gòu)的宏觀力學(xué)性能不會引起顯著的誤差； 只有主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件參與整體性能的效應(yīng)。這個假定忽略了次要構(gòu)件和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件對結(jié)構(gòu)性能的影響； 可忽賂的剛度。 即忽賂結(jié)構(gòu)中作用較小的剛度。該假定的采用需要根據(jù)構(gòu)件在結(jié)構(gòu)整體性能中應(yīng)發(fā)揮的作
用來進行確定；相對較小的和影響較小的變形可以忽略。
2、 計算理論
計算理是建模的重要組成部分。用于建筑結(jié)構(gòu)分析的計算理論主要有線性理論和非線性理論。 而其中又以線性理論最為成熟， 是我國建筑結(jié)構(gòu)分析所普遍采用的一種計算理論，主要用于常用結(jié)構(gòu)的承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的結(jié)構(gòu)分折；非線性又可以分
為材料非線性和幾何非線性。 材料非線性是指材料、 截面或構(gòu)件的本構(gòu)關(guān)系， 如應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系、 彎短—曲率關(guān)系或荷載—位移關(guān)系等是非線性的。幾何非線性是指由于結(jié)構(gòu)變形對其內(nèi)力的二階效應(yīng)使荷載效應(yīng)與荷載之間呈現(xiàn)出非線性關(guān)系。選擇結(jié)構(gòu)的非線性分析還是線性分析要看工程的具體情況而定。一般來說線性分析比較簡便， 在一般的結(jié)構(gòu)設(shè)計中， 通常使用線性分析。 但是，如果建筑結(jié)構(gòu)跨度大、 屬于超高層， 結(jié)構(gòu)變形的二階效應(yīng)就會比較大， 因此， 還必須運用非線性分析。
3、 結(jié)構(gòu)分析中的數(shù)學(xué)方法
建筑結(jié)構(gòu)分析中所采用的數(shù)學(xué)方法主要有解析法和數(shù)值法兩種。解析法通常只適用于簡單的結(jié)構(gòu)模型求解。如果建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，大多數(shù)結(jié)構(gòu)很難抽象成一個可以用連續(xù)函數(shù)表達的數(shù)學(xué)模型，而且其邊界條件也沒有辦法用連續(xù)函數(shù)表達， 就不適宜使用這種方法了。因此，在通常情況下都需要用數(shù)值方法來求解。 數(shù)值方法又可以分為有限單元法、 有限差分法、 有限條法等。而目前有限單元法是應(yīng)用最為廣泛的。 其原理是把結(jié)構(gòu)拆分為一個有限單元的組合體， 以便夠解析地模擬或逼近真實結(jié)構(gòu)的解域。通常情況下可以模擬幾何形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)解域，因為， 單元能夠按不同的連接方式組合在一起，而單元本身又可以有不同的幾何形狀。最常用的有限單元結(jié)構(gòu)分析軟件有 PKPM 系列、 T 陽 A、 SAP 系列、 ANSYS 以及 ADINA 等。
4、 結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計
概念設(shè)計指的是在結(jié)構(gòu)方案設(shè)計過程中，在已有經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，完成結(jié)構(gòu)體系的選擇和布置， 實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)特性的總體把握， 保證把結(jié)構(gòu)在預(yù)設(shè)的各種作用下的反應(yīng)控制在預(yù)期的范圍內(nèi)。 其主要內(nèi)容有：結(jié)構(gòu)的選型、 結(jié)構(gòu)的平面和豎向布置、 結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度的控制、 溫度作用的考慮和對策等。
5、 結(jié)構(gòu)的總體布置
科學(xué)合理的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計即需要有合理的結(jié)構(gòu)體系還需要有完美的結(jié)構(gòu)布置。因為結(jié)構(gòu)布置會影響到建筑設(shè)計方案的效果， 影響到建筑的安全和功能的使用。結(jié)構(gòu)的總體布置要考慮控制結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形、平面布置、 豎向布置、 縫的設(shè)置和構(gòu)造等幾個方面。
①、 控制結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形建筑的結(jié)構(gòu)一般都要同時承受豎向荷載、 水平荷載。 水平荷載會使側(cè)移隨結(jié)構(gòu)的高度增加而變大， 因此，在水平荷載的作用下，如果建筑高度超出一定的范圍后，就會造成結(jié)構(gòu)發(fā)生過大側(cè)移和相對的位移， 有時甚至?xí)�嚴重地破壞非結(jié)構(gòu)構(gòu)件， 所以，我們要把控制側(cè)向位移作為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點和難點來解決，一般情況下，要以限制結(jié)構(gòu)的高度和高寬比為控制手段。
②、平面布置
平面布置的選擇主要是根據(jù)建筑工程的實際情況來確定，如果是獨立的結(jié)構(gòu)單元， 則采用形狀較為簡單， 而且要根據(jù)相對應(yīng)、 相協(xié)調(diào)的原理， 剛度和承載力分布要呈現(xiàn)出比較均勻的形狀。此外， 根據(jù)抗震設(shè)計的要求，高層建筑單個的結(jié)構(gòu)單元長度要控制在一定的范圍內(nèi)， 不能太長， 否則在發(fā)生地震時， 結(jié)構(gòu)的兩端可能會出現(xiàn)反相位的振動， 這將會導(dǎo)致建筑被過早地破壞， 同時威脅到人們的安全。
③、 豎向布置
為了避免過大的外挑和內(nèi)收， 結(jié)構(gòu)的豎向布置應(yīng)遵循形體規(guī)則、剛度和強度沿高度均勻分布的原則， 而在同一層的樓面，要設(shè)在統(tǒng)一標(biāo)高處以防止錯層和局部夾層的情況出現(xiàn)。 而在面對高層建筑時， 還要注意解決結(jié)構(gòu)剛度和強度發(fā)生變化的情況， 對于這種情況，應(yīng)逐漸變化。
④、 縫的設(shè)置和構(gòu)造
建筑結(jié)構(gòu)的總體布置應(yīng)該要考慮到沉降、溫度收縮和形體復(fù)雜對結(jié)構(gòu)帶來的不利影響。 可以利用沉降縫、 伸縮縫或防震纏把結(jié)構(gòu)分成若干個獨立單元， 以消除沉降差、 溫度應(yīng)力和形體復(fù)雜對結(jié)構(gòu)的不利影響。 但如果設(shè)縫， 就會對建筑的使用要求、 立面效果、 防水處理帶來不便。因此，在設(shè)縫上必須要謹慎對待， 盡量能從總體布置上或構(gòu)造上采取其他有效的措施來減少沉降、溫度收縮和形體復(fù)雜引起的問題。
三、 構(gòu)件設(shè)計和繪制施工圖
構(gòu)件設(shè)計主要有截面設(shè)計和節(jié)點設(shè)計兩個部分。因為截面尺寸在方案設(shè)計階段已初步確定，構(gòu)件設(shè)計階段所做的工作是確定鋼筋的類型、 放置位置和數(shù)量， 因此， 截面設(shè)計在混凝土結(jié)構(gòu)中，也稱可以稱為配筋計算。節(jié)點設(shè)計在鋼結(jié)構(gòu)中的使用比在截面設(shè)計中的使用更為廣泛，一般來說， 節(jié)點設(shè)計也可以稱為連接設(shè)計。而構(gòu)件設(shè)計主要有兩個部分組成： 一是計算； 二是構(gòu)造， 兩者共同組成了結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要內(nèi)容， 結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容主要是根據(jù)計算和構(gòu)造來確定的， 計算是
構(gòu)造的基礎(chǔ)，構(gòu)造是計算的重要補充， 兩者是相互補充， 相互聯(lián)系的。繪制施工圖是設(shè)計的最后一個階段。 施工圖是工程師的語言， 工程師的設(shè)計意圖主要是通過施工圖紙來表達，施工圖紙是施工人員進行施工的主要依據(jù)， 關(guān)系到施工的質(zhì)量和效率，也關(guān)系到工程的質(zhì)量和使用功能的發(fā)揮。因此，在繪制施工圖紙時， 必須保證圖紙的表達正確、 規(guī)范、 簡明和美觀， 以便施工人員通過圖紙正確的理解設(shè)計意圖， 保證施工工作與設(shè)計工作相聯(lián)系， 保證施工的順利進行。
四、結(jié)束語
建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計是建筑設(shè)計的重要組成部分，對建筑的結(jié)構(gòu)和施工都重要影響。作為建筑設(shè)計人員， 必須要對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本內(nèi)容有清楚的認識， 才能順利的完成結(jié)構(gòu)設(shè)計工作， 才能保證設(shè)計方案的質(zhì)量。

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