對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分析

殷　翔

摘要：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡而言之就是用結(jié)構(gòu)語言來表達(dá)建筑師所要表達(dá)的東西。建筑結(jié)構(gòu)語言就是結(jié)構(gòu)師從建筑及其他專業(yè)圖紙中所提煉簡化出來的結(jié)構(gòu)元素。就建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則、內(nèi)容、設(shè)計(jì)步驟、計(jì)算理論等提出了一些觀點(diǎn)和要注意的問題來指導(dǎo)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)平面圖；整體參數(shù)

中圖分類號：TV360文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-1145（2009）12-0144-02

一、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則是適用、安全、經(jīng)濟(jì)、美觀，同時(shí)要便于施工。這5個(gè)方面各有所重，又互為矛盾，最優(yōu)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是這5個(gè)方面的最佳結(jié)合。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般在建筑設(shè)計(jì)之后。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。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)防烈度、風(fēng)力情況等條件來選擇合適的結(jié)構(gòu)體系。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)力就是基礎(chǔ)選型和計(jì)算的重要依據(jù)。進(jìn)行整體設(shè)計(jì)后，就要進(jìn)行部件設(shè)計(jì)。部件設(shè)計(jì)是指柱、梁、板、墻(剪力墻)和塊體這5部分的內(nèi)力和配筋計(jì)算。梁和柱一般可看作細(xì)長桿件，內(nèi)力情況與計(jì)算體系相符合。

單向板可簡化為單位寬度的梁來計(jì)算，雙向板的計(jì)算理論也較成熟，異型板的計(jì)算較為復(fù)雜，應(yīng)盡量避免。對于單片的剪力墻，一般把它視為薄壁柱作近似計(jì)算，有時(shí)要考慮翼緣的作用；對于簡體結(jié)構(gòu)中的剪力墻則要用空間力學(xué)的方法來計(jì)算。塊體不同于梁、柱、板墻，它在空間3個(gè)方向的尺寸都比較大，難以視作細(xì)長桿件或簡化為平面體系來計(jì)算。如單獨(dú)基礎(chǔ)、柱的承臺(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)，以保安全。

目前國內(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)必須小于等于結(jié)構(gòu)抗力，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)力重新分布時(shí)，往往是利用彈性模型計(jì)算所得的內(nèi)力乘以一個(gè)調(diào)整系數(shù)。手算與計(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)算精度之間折中。手算時(shí)為減少工作量，受力體系應(yīng)盡量簡化為平面力系，計(jì)算中作一些假設(shè)，要利用經(jīng)驗(yàn)值和圖表，用計(jì)算機(jī)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。作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)所用的計(jì)算理論，并要知其所以然。

一個(gè)優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)計(jì)算程序應(yīng)該提供程序所采用的計(jì)算理論的詳細(xì)說明，說明其采用的計(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)算過程，充分發(fā)揮設(shè)計(jì)者的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)造力。

二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本方法

（一）結(jié)構(gòu)平面圖

當(dāng)建筑地處抗震設(shè)防烈度為6度區(qū)時(shí)（建造于Ⅳ類場地上較高的高層建筑除外），根據(jù)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，是可以不用進(jìn)行截面抗震驗(yàn)算但應(yīng)符合有關(guān)的抗震措施要求。那么對于砌體結(jié)構(gòu)來講如果時(shí)間不是很充足的話應(yīng)該可以不用在軟件中建模的，直接設(shè)計(jì)即可，但要注意受壓和局部受壓的問題。必要時(shí)進(jìn)行人工復(fù)核。對于局部受壓的防御措施是要按規(guī)定對梁下設(shè)梁墊以及設(shè)置構(gòu)造柱等措施。如果時(shí)間不是很緊張的話建議還是輸入建模較好，有一個(gè)便利就是可以利用軟件來進(jìn)行荷載導(dǎo)算。另外當(dāng)建筑地處抗震設(shè)防烈度為7度及以上時(shí)我的觀點(diǎn)是必須要輸入軟件建模計(jì)算的，繪制結(jié)構(gòu)平面圖時(shí)如果沒有建模的話就可以直接在建筑的條件圖上來繪制結(jié)構(gòu)圖了，這一步必不可少的是刪除建筑圖中對結(jié)構(gòu)來講沒有用的部分，簡單快捷的方法是利用軟件的圖層功能，直接凍結(jié)相關(guān)的層。然后再建立新的結(jié)構(gòu)圖層：圈梁層，構(gòu)造柱層，梁層，文字層，板鋼筋層等等。這樣做的目的是提高繪圖效率，方便在不同結(jié)構(gòu)平面圖間的拷貝移動(dòng)和刪除。

（二）屋頂結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)建筑是坡屋面時(shí)，結(jié)構(gòu)的處理方式有兩種：梁板式及折板式。梁板式適用于建筑平面不規(guī)整，板跨度較大，屋面坡度及屋脊線轉(zhuǎn)折復(fù)雜的坡屋面反之，則適用折板式。兩種形式的板均為偏心受拉構(gòu)件。板配筋時(shí)應(yīng)有部分或全部的板負(fù)筋拉通以抵抗拉力。板厚基于構(gòu)造需要一般不宜小于120厚。此外梁板的折角處鋼筋的布置應(yīng)有大樣示意圖。至于坡屋面板的平面畫法，建議采用剖面示意圖加大樣詳圖的表示方法。

（三）大樣詳圖

大樣詳圖的繪制可以在建筑詳圖的基礎(chǔ)上直接繪制，前提是建筑詳圖要準(zhǔn)確無誤。也可以在以前做過的詳圖的基礎(chǔ)上來局部改進(jìn)繪制。要注意的是在保持建筑外形的前提下盡量地使結(jié)構(gòu)受力和理和施工方便。在標(biāo)高和外形尺寸上一定要和建筑專業(yè)協(xié)調(diào)一致。需要提醒的是建筑標(biāo)高和結(jié)構(gòu)標(biāo)高的關(guān)系要搞清楚該減的減，不該減的就不要減。

（四）樓梯

樓梯梯板要注意撓度的控制，梯梁要注意的是梁下凈高要滿足建筑的要求，梯梁的位置盡量使上下樓層的位置統(tǒng)一。局部不合適處可以采用折板樓梯。折板樓梯鋼筋在內(nèi)折角處要斷開分別錨固防止局部的應(yīng)力集中。閣樓層處的樓梯由于有分戶墻的存在要設(shè)置抬墻梁。注意梁下的凈空要求，并要注意梯板寬度的問題。首段梯板的基礎(chǔ)應(yīng)注意基礎(chǔ)的沉降問題，必要時(shí)應(yīng)設(shè)梯梁。

（五）基礎(chǔ)

基礎(chǔ)要注意混凝土的標(biāo)號選擇應(yīng)符合結(jié)構(gòu)耐久性的要求。（通常情況下可采用C25）基礎(chǔ)的配筋應(yīng)滿足最小配筋率的要求（施工圖審查中心重點(diǎn)審查部位）。條基交接部位的鋼筋設(shè)置應(yīng)有詳圖或選用標(biāo)準(zhǔn)圖。條基交叉處的基底面積不可重復(fù)利用，應(yīng)注意調(diào)整基礎(chǔ)寬度。局部墻體中有局部的較大荷載時(shí)也要調(diào)整基礎(chǔ)的寬度（因軟件計(jì)算的是墻下的平均軸力）。基礎(chǔ)圖中的構(gòu)造柱，當(dāng)定位不明確時(shí)應(yīng)給與準(zhǔn)確定位。

三、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟

如何正確運(yùn)用設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，以滿足新規(guī)范的要求，是每個(gè)設(shè)計(jì)人員都非常關(guān)心的問題。以SATWE軟件為例，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算步驟的討論，對一個(gè)典型工程而言，使用結(jié)構(gòu)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分四步較為科學(xué)。

（一）完成整體參數(shù)的正確設(shè)定

計(jì)算開始以前，設(shè)計(jì)人員首先要根據(jù)新規(guī)范的具體規(guī)定和軟件手冊對參數(shù)意義的描述，以及工程的實(shí)際情況，對軟件初始參數(shù)和特殊構(gòu)件進(jìn)行正確設(shè)置。但有幾個(gè)參數(shù)是關(guān)系到整體計(jì)算結(jié)果的，必須首先確定其合理取值，才能保證后續(xù)計(jì)算結(jié)果的正確性。這些參數(shù)包括振型組合數(shù)、最大地震力作用方向和結(jié)構(gòu)基本周期等，在計(jì)算前很難估計(jì)，需要經(jīng)過試算才能得到。

1．振型組合數(shù)是軟件在做抗震計(jì)算時(shí)考慮振型的數(shù)量。該值取值太小不能正確反映模型應(yīng)當(dāng)考慮的振型數(shù)量，使計(jì)算結(jié)果失真；取值太大，不僅浪費(fèi)時(shí)間，還可能使計(jì)算結(jié)果發(fā)生畸變。

2．最大地震力作用方向是指地震沿著不同方向作用，結(jié)構(gòu)地震反映的大小也各不相同，那么必然存在某各角度使得結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)值最大的最不利地震作用方向。設(shè)計(jì)軟件可以自動(dòng)計(jì)算出最大地震力作用方向并在計(jì)算書中輸出，設(shè)計(jì)人員如發(fā)現(xiàn)該角度絕對值大于15度，應(yīng)將該數(shù)值回填到軟件的“水平力與整體坐標(biāo)夾角”選項(xiàng)里并重新計(jì)算，以體現(xiàn)最不利地震作用方向的影響。

3．結(jié)構(gòu)基本周期是計(jì)算風(fēng)荷載的重要指標(biāo)。設(shè)計(jì)人員如果不能事先知道其準(zhǔn)確值，可以保留軟件的缺省值，待計(jì)算后從計(jì)算書中讀取其值，填入軟件的“結(jié)構(gòu)基本周期”選項(xiàng)，重新計(jì)算即可。

上述的計(jì)算目的是將這些對全局有控制作用的整體參數(shù)先行計(jì)算出來，正確設(shè)置，否則其后的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際差別很大。

（二）確定整體結(jié)構(gòu)的合理性

整體結(jié)構(gòu)的科學(xué)性和合理性是新規(guī)范特別強(qiáng)調(diào)內(nèi)容。新規(guī)范用于控制結(jié)構(gòu)整體性的主要指標(biāo)主要有：周期比、位移比、剛度比、層間受剪承載力之比、剛重比、剪重比等。

1．周期比是控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的重要指標(biāo)。它的目的是使抗側(cè)力的構(gòu)件的平面布置更有效更合理，使結(jié)構(gòu)不至出現(xiàn)過大的扭轉(zhuǎn)。也就是說，周期比不是要求就構(gòu)件足夠結(jié)實(shí)，而是要求結(jié)構(gòu)承載布局合理。

2．位移比是控制結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則性的重要指標(biāo)。其限值在《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和《高規(guī)》中均有明確的規(guī)定，不再贅述。此外，位移比的大小是判斷結(jié)構(gòu)是否規(guī)則的重要依據(jù)，對選擇偶然偏心，單向地震，雙向地震下的位移比，設(shè)計(jì)人員應(yīng)正確選用。

3．剛度比是控制結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則的重要指標(biāo)。根據(jù)《抗震規(guī)范》和《高規(guī)》的要求，軟件提供了三種剛度比的計(jì)算方式，分別是剪切剛度、剪彎剛度和地震力與相應(yīng)的層間位移比。

4．層間受剪承載力之比也是控制結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則的重要指標(biāo)。其限值可參考《抗震規(guī)范》和《高規(guī)》的有關(guān)規(guī)定。

5．剛重比是結(jié)構(gòu)剛度與重力荷載之比。它是控制結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的重要因素，也是影響重力二階效的主要參數(shù)。該值如果不滿足要求，則可能引起結(jié)構(gòu)失穩(wěn)倒塌，應(yīng)當(dāng)引起設(shè)計(jì)人員的足夠重視。

五、滿足規(guī)范抗震措施的要求

在施工圖設(shè)計(jì)階段，還必須滿足規(guī)范規(guī)定的抗震措施要求?！痘炷烈?guī)范》、《高規(guī)》和《抗震規(guī)范》對結(jié)構(gòu)的構(gòu)造提出了非常詳盡的規(guī)定，這些措施是很多震害調(diào)查和抗震設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，也是保證結(jié)構(gòu)安全的最后一道防線，設(shè)計(jì)人員不可麻痹大意。

1．設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行施工圖配筋計(jì)算時(shí)，要求輸入合理的歸并系數(shù)、支座方式、鋼筋選筋庫等，如一次計(jì)算結(jié)果不滿意，要進(jìn)行多次試算和調(diào)整。

2．生成施工圖以前，要認(rèn)真輸入出圖參數(shù)，如梁柱鋼筋最小直徑、框架頂角處配筋方式、梁挑耳形式、柱縱筋搭接方式，箍筋形式，鋼筋放大系數(shù)等，以便生成符合需要的施工圖。軟件可以根據(jù)允許裂縫寬度自動(dòng)選筋，還可以考慮支座寬度對裂縫寬度的影響。

3．施工圖生成以后，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)仔細(xì)驗(yàn)證各特殊或薄弱部位構(gòu)件的最小縱筋直徑、最小配筋率、最小配箍率、箍筋加密區(qū)長度、鋼筋搭接錨固長度、配筋方式等是否滿足規(guī)范規(guī)定的抗震措施要求。規(guī)范這一部分的要求往往是以黑體字寫出，屬于強(qiáng)制執(zhí)行條文，萬萬不可以掉以輕心。

4．最后設(shè)計(jì)人員還應(yīng)根據(jù)工程的實(shí)際情況，對計(jì)算機(jī)生成的配筋結(jié)果作合理性審核，如鋼筋排數(shù)、直徑、架構(gòu)等，如不符合工程需要或不便于施工，還要做最后的調(diào)整計(jì)算。

六、結(jié)語

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是個(gè)系統(tǒng)的，全面的工作。需要扎實(shí)的理論知識功底，靈活創(chuàng)新的思維和嚴(yán)肅認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作態(tài)度。千里之行始于足下，設(shè)計(jì)人員要從一個(gè)個(gè)基本的構(gòu)件算起，做到知其所以然，深刻理解規(guī)范和設(shè)計(jì)原則的要求，并密切配合其他專業(yè)來進(jìn)行設(shè)計(jì)。在工作中應(yīng)事無巨細(xì)，應(yīng)善于反思和總結(jié)工作中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。這樣才能設(shè)計(jì)好一份建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，才能取得最優(yōu)的方案和經(jīng)濟(jì)效益。