淺談建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的若干問(wèn)題

【摘 要】一項(xiàng)優(yōu)秀的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是集安全、適用、經(jīng)濟(jì)、美觀、且便于施工于一體的結(jié)合物，這也正是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則。而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是用結(jié)構(gòu)語(yǔ)言來(lái)表達(dá)建筑師及其它專業(yè)工程師所要表達(dá)的東西。結(jié)構(gòu)語(yǔ)言就是結(jié)構(gòu)師從建筑及其它專業(yè)圖紙中所提煉簡(jiǎn)化出來(lái)的結(jié)構(gòu)元素。然后用這些結(jié)構(gòu)元素來(lái)構(gòu)成建筑物或構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)體系，并把各種情況產(chǎn)生的荷載以最簡(jiǎn)潔的方式傳遞至基礎(chǔ)，最后用結(jié)構(gòu)語(yǔ)言把結(jié)構(gòu)計(jì)算的結(jié)果表達(dá)在圖紙上。

【關(guān)鍵詞】建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；概念設(shè)計(jì)

一、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的總述及概念

一項(xiàng)優(yōu)秀的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是集安全、適用、經(jīng)濟(jì)、美觀、且便于施工于一體的結(jié)合物，這也正是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則。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)簡(jiǎn)而言之就是用結(jié)構(gòu)語(yǔ)言來(lái)表達(dá)建筑師及其它專業(yè)工程師所要表達(dá)的東西。而結(jié)構(gòu)語(yǔ)言就是結(jié)構(gòu)師從建筑及其它專業(yè)圖紙中所提煉簡(jiǎn)化出來(lái)的結(jié)構(gòu)元素，包括基礎(chǔ)，墻，柱，梁，板，樓梯，大樣細(xì)部等等。然后用這些結(jié)構(gòu)元素來(lái)構(gòu)成建筑物或構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)體系，包括豎向和水平的承重及抗力體系，并把各種情況產(chǎn)生的荷載以最簡(jiǎn)潔的方式傳遞至基礎(chǔ)，最后用結(jié)構(gòu)語(yǔ)言把結(jié)構(gòu)計(jì)算的結(jié)果表達(dá)在圖紙上。

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。但一項(xiàng)標(biāo)志性建筑物建成后，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)安全、適用、經(jīng)濟(jì)、美觀、且便于施工的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)履行的責(zé)任。

二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容

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)一般分基礎(chǔ)和主體兩部分進(jìn)行。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。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，還是臣型框架……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。

三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的階段

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的階段大體可以分為三個(gè)階段：結(jié)構(gòu)方案階段、結(jié)構(gòu)計(jì)算階段和施工圖設(shè)計(jì)階段。

結(jié)構(gòu)方案階段的內(nèi)容為：根據(jù)建筑的重要性，建筑所在地的抗震設(shè)防烈度，工程地質(zhì)勘查報(bào)告，建筑場(chǎng)地的類別及建筑的高度和層數(shù)來(lái)確定建筑的結(jié)構(gòu)形式。確定了結(jié)構(gòu)的形式之后就要根據(jù)不同結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)和要求來(lái)布置結(jié)構(gòu)的承重體系和受力構(gòu)件。

結(jié)構(gòu)計(jì)算階段的內(nèi)容為：1：荷載的計(jì)算：荷載包括外部荷載和內(nèi)部荷載上述荷載的計(jì)算要根據(jù)荷載規(guī)范的要求和規(guī)定采用不同的組合值系數(shù)和準(zhǔn)永久值系數(shù)等來(lái)進(jìn)行不同工況下的組合計(jì)算。2、構(gòu)件的試算：根據(jù)計(jì)算出的荷載值，構(gòu)造措施要求，使用要求及各種計(jì)算手冊(cè)上推薦的試算方法來(lái)初步確定構(gòu)件的截面。3、內(nèi)力的計(jì)算：根據(jù)確定的構(gòu)件截面和荷載值來(lái)進(jìn)行內(nèi)力的計(jì)算，包括彎矩，剪力，扭矩，軸心壓力及拉力等等。4、構(gòu)件的計(jì)算：根據(jù)計(jì)算出的結(jié)構(gòu)內(nèi)力及規(guī)范對(duì)構(gòu)件的要求和限制來(lái)復(fù)核結(jié)構(gòu)試算的構(gòu)件是否符合規(guī)范規(guī)定和要求。如不滿足要求則要調(diào)整構(gòu)件的截面或布置直到滿足要求為止。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。

施工圖設(shè)計(jì)階段的內(nèi)容為：根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，來(lái)最終確定構(gòu)件布置和構(gòu)件配筋以及根據(jù)規(guī)范的要求來(lái)確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的構(gòu)造措施。

四、各設(shè)計(jì)階段的基本方法

根據(jù)方案階段的主要內(nèi)容，其基本方法就是根據(jù)各種結(jié)構(gòu)形式的適用范圍和特點(diǎn)來(lái)確定結(jié)構(gòu)應(yīng)該使用的最佳結(jié)構(gòu)形式，這要看規(guī)范中對(duì)于各種結(jié)構(gòu)形式的界定和工程的具體情況而定，關(guān)鍵是清楚各種結(jié)構(gòu)形式的極限適用范圍，還要考慮合理性和經(jīng)濟(jì)性。

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。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。

在結(jié)構(gòu)計(jì)算階段，就是根據(jù)方案階段確定的結(jié)構(gòu)形式和體系，依據(jù)規(guī)范上規(guī)定的具體的計(jì)算方法來(lái)進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)計(jì)算，規(guī)范上的方法有多種，關(guān)鍵是結(jié)合工程的實(shí)際情況來(lái)選擇合適的計(jì)算方法，以樓板為例，就有彈性計(jì)算法，塑性計(jì)算法及彈塑性計(jì)算法。所以選擇符合工程實(shí)際的計(jì)算方法是合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提，是十分重要的。

在施工圖設(shè)計(jì)階段，就是根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算的結(jié)果來(lái)用結(jié)構(gòu)語(yǔ)言表達(dá)在圖紙上。首先表達(dá)的東西要符合結(jié)構(gòu)計(jì)算的要求，同時(shí)還要符合規(guī)范中的構(gòu)造要求，最后還要考慮施工的可操作性。這就要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員對(duì)規(guī)范要很好的理解和把握。另外還要對(duì)施工的工藝和流程有一定的了解，這樣設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)，才會(huì)是合理的結(jié)構(gòu)。

5、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中概念設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)

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。依個(gè)人觀點(diǎn)來(lái)看，今后結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中概念設(shè)計(jì)將會(huì)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，避免不必要的繁瑣計(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?？臻g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。

以后的設(shè)計(jì)中除了提高結(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)家投資具有重大意義。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。

總之，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(shí)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)范和規(guī)程的含義，并密切配合其它專業(yè)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在工作中應(yīng)善于反思和總結(jié)工作中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。