建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之我見

張富祥

摘 要：適用、安全、經(jīng)濟(jì)、美觀、便于施工是進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則。這五個(gè)方面各有所重，又互為矛盾，一個(gè)優(yōu)秀的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往是這五個(gè)方面的最佳結(jié)合。本文將對(duì)此做些探討。

關(guān)鍵詞：建筑；結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)

往往設(shè)計(jì)人員注意到適用、安全、經(jīng)濟(jì)、美觀，而忽略了便于施工。 有時(shí)設(shè)計(jì)人員為圖方便，用偏于安全的簡(jiǎn)化方法計(jì)算，雖然既省事又保證安全，卻增加了造價(jià)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般在建筑設(shè)計(jì)之后，“受制”于建筑設(shè)計(jì)，但又“反制”建筑設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不能破壞建筑設(shè)計(jì)，建筑設(shè)計(jì)不能超出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的能力范圍。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定建筑設(shè)計(jì)能否實(shí)現(xiàn)，在這個(gè)意義上，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)顯得更為重要。但一幢標(biāo)志性建筑建成后，往往建筑師便成為了人們心目中的建造者，為了實(shí)現(xiàn)該建筑設(shè)計(jì)而付出辛勤勞動(dòng)一絲不茍的結(jié)構(gòu)師并不為人們所知。但無(wú)論如何，設(shè)計(jì)一個(gè)適用、安全、經(jīng)濟(jì)、美觀、便于施工的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員的責(zé)任。

根據(jù)我對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的理解，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可分為整體設(shè)計(jì)和部件設(shè)計(jì)兩部分。

整體設(shè)計(jì)包括結(jié)構(gòu)體系的選擇，柱網(wǎng)的布置，梁的布置，剪力墻的分布，基礎(chǔ)的選型等。

整體設(shè)計(jì)一般分主體和基礎(chǔ)兩部分進(jìn)行。設(shè)計(jì)人員根據(jù)建筑物的性質(zhì)、高度、重要程度、當(dāng)?shù)氐目拐鹪O(shè)防列度、風(fēng)力情況等條件來(lái)選擇合適的結(jié)構(gòu)體系。是采用磚混結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、框剪結(jié)構(gòu)、框支結(jié)構(gòu)、筒體，還是巨型框架……選定結(jié)構(gòu)體系后，就要具體決定柱、梁、墻（剪力墻）的分布和尺寸等。

在進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算后，主體結(jié)構(gòu)底截面的內(nèi)力成了基礎(chǔ)選型和計(jì)算的重要依據(jù)。內(nèi)力計(jì)算一般盡量簡(jiǎn)化為平面體系來(lái)計(jì)算，但有時(shí)必須采用空間受力體系來(lái)計(jì)算。無(wú)論怎樣，內(nèi)力計(jì)算最終是對(duì)柱、梁、板、墻（剪力墻）和塊體這五種部件的計(jì)算。也就是說(shuō)，進(jìn)行整體設(shè)計(jì)后，就要進(jìn)行部件設(shè)計(jì)。梁和柱一般可看作細(xì)長(zhǎng)桿件，內(nèi)力情況與計(jì)算體系相符合。單向板可簡(jiǎn)化為單位寬度的梁來(lái)計(jì)算，雙向板的計(jì)算理論也較成熟，異型板的計(jì)算就較為復(fù)雜，應(yīng)盡量避免。對(duì)于單片的剪力墻，一般把它視作薄壁柱來(lái)近似計(jì)算，有時(shí)要考慮翼緣的作用；對(duì)于筒體結(jié)構(gòu)中的剪力墻則要用空間力學(xué)的方法來(lái)計(jì)算。塊體不同于梁、柱、板、墻，它在空間三個(gè)方向的尺寸都比較大，難以視作細(xì)長(zhǎng)桿件或簡(jiǎn)化為平面體系來(lái)計(jì)算。如單獨(dú)基礎(chǔ)，樁的承臺(tái)，深梁都是塊體，受力情況很復(fù)雜，難以精確分析，所以在計(jì)算中往往加大安全系數(shù)，以策安全。

目前國(guó)內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所用的設(shè)計(jì)方法是概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，作用效應(yīng)S必須小于等于結(jié)構(gòu)抗力R，結(jié)構(gòu)要滿足強(qiáng)度條件和位移條件。內(nèi)力計(jì)算采用的力學(xué)模型一般是彈性模型，要考慮塑性變形內(nèi)力重分布時(shí)，往往是把利用彈性模型計(jì)算所得的內(nèi)力乘以一個(gè)調(diào)整系數(shù)。

手算和計(jì)算機(jī)算所采用的計(jì)算方法、理論、計(jì)算模型是有差別的。結(jié)構(gòu)計(jì)算的工作量是很大的，采用手算時(shí)要在工作量和計(jì)算精度之間折衷。手算為降低工作量，受力體系盡量簡(jiǎn)化為平面力系，計(jì)算中作一些假設(shè)，利用經(jīng)驗(yàn)值和查用圖表。但隨著高層、超高層建筑的日益增多，結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，抗震要求越來(lái)越高，手算的工作量和計(jì)算精度難以滿足要求，計(jì)算機(jī)已被大量利用到結(jié)構(gòu)計(jì)算中來(lái)。計(jì)算機(jī)的工作量和速度非人所及，機(jī)算采用更科學(xué)、精度更高的計(jì)算方法，機(jī)算的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了手算。要充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算，需要優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)計(jì)算程序。這些程序一般以空間力系作計(jì)算模型，以有限元的方法計(jì)算。例如著名的TBSA的計(jì)算模型是空間桿件體系。要編寫優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)計(jì)算程序，開發(fā)人員除了必須具備編程技巧外，還要掌握科學(xué)的先進(jìn)的結(jié)構(gòu)計(jì)算方法。作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員也應(yīng)學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)所用的計(jì)算理論，不應(yīng)只停留在會(huì)用結(jié)構(gòu)計(jì)算程序，而不知所以然。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序的出現(xiàn)并沒(méi)有降低對(duì)設(shè)計(jì)人員的要求，相反，它要求設(shè)計(jì)人員學(xué)習(xí)更先進(jìn)的計(jì)算理論。目前結(jié)構(gòu)計(jì)算程序有一個(gè)弊端：就是計(jì)算過(guò)程的屏蔽。使用者只管輸入數(shù)據(jù)和會(huì)看結(jié)果，對(duì)計(jì)算過(guò)程一無(wú)所知，不知道計(jì)算是建立在什么基礎(chǔ)上，不知道適用范圍，這是潛在的危險(xiǎn)。一個(gè)優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)計(jì)算程序還應(yīng)該提供程序采用的計(jì)算理論的詳細(xì)說(shuō)明，說(shuō)明其采用的計(jì)算模型、計(jì)算假設(shè)、適用范圍等，另外應(yīng)允許使用者干預(yù)計(jì)算過(guò)程，充分發(fā)揮設(shè)計(jì)者的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)造力。

結(jié)構(gòu)計(jì)算理論經(jīng)歷了經(jīng)驗(yàn)估算，容許應(yīng)力法，破損階段計(jì)算，極限狀態(tài)計(jì)算，到目前普遍采用的概率極限狀態(tài)理論等階段。

概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法更科學(xué)、更合理。作用效應(yīng)S小于等于結(jié)構(gòu)抗力R是結(jié)構(gòu)計(jì)算的普遍適用公式。目前結(jié)構(gòu)計(jì)算理論的研究和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)似乎只關(guān)注如何提高結(jié)構(gòu)抗力R，以至混凝土的等級(jí)越用越高，配筋量越來(lái)越大，造價(jià)越來(lái)越高。我把提高抗力R的設(shè)計(jì)方法稱之為被動(dòng)設(shè)計(jì)法。以抗震設(shè)計(jì)為例，一般是根據(jù)初定的尺寸、砼等級(jí)算出結(jié)構(gòu)的剛度，再由結(jié)構(gòu)剛度算出地震力，然后算配筋。但是大家知道，結(jié)構(gòu)剛度越大，地震作用效應(yīng)越大，配筋越多，剛度越大，地震力就越強(qiáng)。這樣便會(huì)出現(xiàn)為抵御地震而配的鋼筋，因?yàn)樵黾恿私Y(jié)構(gòu)的剛度反而使地震作用效應(yīng)增強(qiáng)的情況。其實(shí)，為什么不考慮降低作用效應(yīng)S呢？我把降低作用效應(yīng)S的設(shè)計(jì)方法稱之為主動(dòng)設(shè)計(jì)法。國(guó)外在抗震設(shè)計(jì)中，已有在基礎(chǔ)與主體之間設(shè)一彈性層，以降低地震作用效應(yīng)的設(shè)計(jì)；有的在建筑物頂部裝一個(gè)“反擺”，地震時(shí)它的位移方向與建筑物頂部的位移相反，從而對(duì)建筑物的振動(dòng)產(chǎn)生阻尼作用，減少建筑物的位移，降低地震作用效應(yīng)。國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)以被動(dòng)設(shè)計(jì)為主，當(dāng)然也有主動(dòng)設(shè)計(jì)，如設(shè)置“塑性鉸” ，我認(rèn)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該被動(dòng)設(shè)計(jì)與主動(dòng)設(shè)計(jì)相結(jié)合，但要實(shí)現(xiàn)主動(dòng)設(shè)計(jì)需要先進(jìn)理論和高科技的支持。隨著社會(huì)的需求，計(jì)算理論的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，新型建材的研究與應(yīng)用，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將面臨前所未有的機(jī)遇。

最后，我想大膽的預(yù)測(cè)今后結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方向——概念設(shè)計(jì)將發(fā)揮越來(lái)越大的作用。

概念設(shè)計(jì)是指正確的解決總體方案、材料使用和細(xì)部構(gòu)造，以達(dá)到合理抗震設(shè)計(jì)的目的。概念設(shè)計(jì)是根據(jù)抗震設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，難以精確計(jì)算而提出來(lái)的一種從宏觀上實(shí)現(xiàn)合理抗震，避免無(wú)必要的繁瑣計(jì)算，同時(shí)為抗震計(jì)算創(chuàng)造有利條件，使計(jì)算分析結(jié)果更能反映地震時(shí)結(jié)構(gòu)反應(yīng)的實(shí)際情況的設(shè)計(jì)方法。采用先進(jìn)的計(jì)算理論。空間受力分析，非彈性變形分析，塑性內(nèi)力分析，由加載到破壞的全過(guò)程受力分析，時(shí)程分析，最優(yōu)化設(shè)計(jì)，方案優(yōu)化等先進(jìn)科學(xué)的設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)理論將得到越來(lái)越多的應(yīng)用。

今后的設(shè)計(jì)除了提高結(jié)構(gòu)抗力，還應(yīng)考慮盡可能的降低作用效應(yīng)。因?yàn)榻档妥饔眯?yīng)，對(duì)增加結(jié)構(gòu)安全性，降低造價(jià)，節(jié)約國(guó)家投資意義重大。使用具有高強(qiáng)、輕質(zhì)、環(huán)保等特點(diǎn)的新型建材。建筑物的自重在結(jié)構(gòu)計(jì)算中占很大的比重，使用輕質(zhì)、高強(qiáng)的建材，將使建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)生革命性的變化。