建筑設(shè)計(jì)中的建筑結(jié)構(gòu)選型要點(diǎn)分析

文躍茗　陸薇

摘 要：文章簡(jiǎn)潔的敘述了各種常見結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)的基本理論以及原理，簡(jiǎn)單介紹了建筑結(jié)構(gòu)的形式，對(duì)結(jié)構(gòu)選型分別介紹結(jié)構(gòu)組成、受力特點(diǎn)、布置方式、適用范圍、構(gòu)造要點(diǎn)等。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)；選型；組合；分析

在建筑設(shè)計(jì)的時(shí)候，無(wú)論是空間組合，還是建筑風(fēng)格，都需要搭配最佳的結(jié)構(gòu)規(guī)劃，也就是進(jìn)行結(jié)構(gòu)選擇。結(jié)構(gòu)選型的原則：性能，建筑風(fēng)格，完全展現(xiàn)優(yōu)點(diǎn)，顧慮材料與施工的條件，顧慮經(jīng)濟(jì)情況，規(guī)劃理念和方式。

1 結(jié)構(gòu)選型分類

梁柱的樣式、承受力和變形性能：（樣式）根據(jù)材料包含了石材、木材、鋼材、鋼筋混凝土、組合材料；根據(jù)截面包含了T型、矩形、工型、箱型、花籃型等；根據(jù)支座的制約條件包含了超靜定與靜定兩種。（變形性能）梁通常重點(diǎn)承擔(dān)垂直梁直線方向的力，內(nèi)力包含了剪力與彎矩，部分時(shí)候還會(huì)有軸力與扭矩。梁關(guān)鍵的變形性能是撓曲，承受力和變形重點(diǎn)跟梁本身的制約條件相關(guān)。簡(jiǎn)支梁的兩頭制約能力較小，但變形撓度與內(nèi)力都較大，固端梁兩頭制約能力較大，但變形與內(nèi)力都較小，連續(xù)梁完全將材料中的力學(xué)性能發(fā)揮出來(lái)，內(nèi)力較小，剛度卻很大，能起到很好的抗震作用，對(duì)支座的變形很敏感，容易引發(fā)附加的內(nèi)力，懸臂梁唯有一頭制約對(duì)固端有更高的要求，承受力不強(qiáng)，容易變形。

2 常見結(jié)構(gòu)的形式與特點(diǎn)

2.1 鋼架結(jié)構(gòu)的形式與特點(diǎn)

特點(diǎn)：約束力對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的內(nèi)力方面的影響，約束力越強(qiáng)，就會(huì)導(dǎo)致內(nèi)力越分散，內(nèi)力分散之后就難以變形，也就是剛度增加；門式鋼架的大跨度對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力方面的影響。樣式：根據(jù)支座的約束力分成了無(wú)鉸、兩鉸和三鉸三種鋼架；根據(jù)結(jié)構(gòu)的材料分成膠合木結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)；根據(jù)截面可以分成空腹結(jié)構(gòu)、實(shí)腹結(jié)構(gòu)、截面與半截面結(jié)構(gòu)；根據(jù)建筑的外形可以分成坡頂、平頂、拱頂、多跨與單跨；根據(jù)施工的技術(shù)要求可以分成預(yù)應(yīng)力與非預(yù)應(yīng)力兩種結(jié)構(gòu)。

2.2 屋架結(jié)構(gòu)的構(gòu)造要求及適用范圍

構(gòu)造要求：剛開始的高度一定要適度，必須按照屋架要求的結(jié)構(gòu)來(lái)選擇，通常是選擇跨度的五分之一到十分之一；確定屋架的上弦坡度的時(shí)候要適應(yīng)屋面防水的結(jié)構(gòu)，選取瓦的八分之一到十二分之一；屋架的節(jié)間長(zhǎng)度跟結(jié)構(gòu)類型、選取材料及承載能力相關(guān)，通常上弦承受力的節(jié)間長(zhǎng)度更短，下弦承受力的節(jié)間長(zhǎng)度更長(zhǎng)，然而這長(zhǎng)度也不能過(guò)大，通常是一米半到四米。

適用范圍：根據(jù)結(jié)構(gòu)的承受能力觀察，梯形的屋架力學(xué)上的性能較強(qiáng)，上弦與下弦都呈現(xiàn)直線狀，施工較簡(jiǎn)單，多用在跨度大的建筑上；三角形和矩形的屋架在力學(xué)性能上相對(duì)較差，所以一般用來(lái)做托架。屋面的防水材料是粘土瓦、水泥瓦、機(jī)制平瓦的時(shí)候利用三角形的屋架與陡坡的梯形屋架，應(yīng)該利用防水的金屬薄板，在防水的時(shí)候，要選取拱形、折形的屋架與緩坡的梯形屋架。根據(jù)材料防水的能力與實(shí)地使用情況，木材和鋼才通常不會(huì)用在那些潮濕且不易通風(fēng)的地方，也不會(huì)用于物品容易發(fā)生腐蝕的工房，一般選取預(yù)應(yīng)力更強(qiáng)的混凝土屋架。根據(jù)跨度大小，在十八米以下的選取鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)，而在十八米到三十六米的選取預(yù)應(yīng)力更強(qiáng)的混凝土結(jié)構(gòu)，大于三十六米就會(huì)選取承載力更強(qiáng)的鋼結(jié)構(gòu)。

2.3 拱結(jié)構(gòu)的合理軸線

拱軸線在豎直方向上的坐標(biāo)和同樣跨度大小并且承載力同樣的簡(jiǎn)支梁在彎矩上是呈現(xiàn)正比的，也就是說(shuō)能夠讓拱截面只有軸力卻不形成彎矩，這樣才能被稱為是合理的拱軸線，當(dāng)承載能力相同時(shí)，線條形狀是拋物線，而支座的制約條件或承載力不一樣，線條的形式也會(huì)隨之改變。

2.4 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的形式和適用范圍及造型特點(diǎn)

形式：我們將交叉桁架的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)分成了兩個(gè)方向正交正放與斜放、兩個(gè)方向斜交斜放、三個(gè)方向交叉、一個(gè)方向折線等多種形式。適用范圍：這種設(shè)計(jì)更加活潑、更加富有美感，也可以適用于跨度不一樣平面形狀不一樣承載條件不一樣的多種建筑，尤其是跨度較大的結(jié)構(gòu)里面，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)更有優(yōu)勢(shì)，許多都運(yùn)用在體育設(shè)施建設(shè)、公共設(shè)施建設(shè)與工業(yè)設(shè)施建設(shè)中。造型特點(diǎn)：富有新意，小巧玲瓏。

2.5 各種結(jié)構(gòu)如何處理水平力

拱結(jié)構(gòu)：水平方向上通常都是拉桿來(lái)受力的，水平推力通過(guò)鋼性水平結(jié)構(gòu)傳遞給總拉桿，水平方向的力是豎向承載的，水平方向的力作用于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中，利用支座來(lái)承載豎直方向上的各種力；圓頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)承載的是斜柱與斜拱的力，這種結(jié)構(gòu)只承載框架；圓頂結(jié)構(gòu)落在地上同時(shí)在基礎(chǔ)上承載力，這時(shí)就好似一個(gè)落地的拱形，直接傳遞力?？臻g網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)：筒網(wǎng)殼通過(guò)墻垛、拉桿等傳遞力到基礎(chǔ)；球網(wǎng)殼跟圓頂有些類似；扭網(wǎng)殼在兩個(gè)鄰近的柱子之間設(shè)置了拉桿來(lái)借力。懸索結(jié)構(gòu)：?jiǎn)螌討宜黧w系：從單層的方向上說(shuō)，水平的力利用豎直結(jié)構(gòu)傳遞到基礎(chǔ)部分，拉索的兩頭都固定在抗力強(qiáng)的豎向結(jié)構(gòu)中，拉索的水平力利用拉錨傳遞到基礎(chǔ)部分，拉索的水平力利用剛性水平方向的構(gòu)件共同承載于外墻；雙曲面的單層拉索結(jié)構(gòu)分為蝶形與傘形兩種，前者是一頭承載了周圍頂梁另一頭承載中間環(huán)梁，后者更加通暢，然而中心部分有制約建筑使用的性能。

2.6 薄膜結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)

它是建筑將結(jié)構(gòu)完美融合的藝術(shù)品；具備很強(qiáng)的力學(xué)承受力，可以承載較大的力，厚度較小，質(zhì)量較輕；抗震能力好；制作簡(jiǎn)單，施工迅速，造價(jià)便宜；保溫能力強(qiáng)；容易磨損。這種結(jié)構(gòu)壽命一般會(huì)超過(guò)20年，這使得一些人也認(rèn)為這種結(jié)構(gòu)可用于長(zhǎng)期建筑。因?yàn)閮?nèi)部張力的持久性，小的破壞也會(huì)形成大規(guī)模的損害。

2.7 高層結(jié)構(gòu)的種類和受力特點(diǎn)

在框架的結(jié)構(gòu)中，斷面比較狹窄，結(jié)構(gòu)難以抵抗過(guò)大的荷載，會(huì)形成較大的水平位移；剪力墻結(jié)構(gòu)關(guān)鍵在于承載了平行方向上所有的荷載，這讓墻體容易彎曲；框架剪力墻在豎直方向上承載的力一起承載了所有樓層結(jié)構(gòu)帶來(lái)的荷載，多數(shù)是墻體承載的；筒體的結(jié)構(gòu)在承載水平方向的荷載的同時(shí)會(huì)被看成是用于固定下方的構(gòu)件；框架-核心筒在承載能力上可以承擔(dān)更多豎直方向上的壓力。

2.8 低層與多層建筑結(jié)構(gòu)選型

磚混：（1）縱向承重體系：荷載傳遞路線為板-梁-縱墻-基礎(chǔ)-地基，特點(diǎn)縱墻重點(diǎn)承受結(jié)構(gòu)橫墻讓房屋的空間具備更大的剛度，滿足整體化的要求，墻體之間的差距能夠利用到更大的空間，讓設(shè)計(jì)更加靈活，縱墻上門與窗的規(guī)模與方位都會(huì)受到制約，墻體數(shù)量更少，適合空間更加開闊的教學(xué)建筑、辦公建筑與實(shí)驗(yàn)建筑等；（2）橫向承重體系：荷載的主要傳遞路線為板-橫墻-基礎(chǔ)-地基，特點(diǎn)橫墻是承重墻縱墻起圍隔作用，對(duì)縱墻上開門開窗限制較少空間剛度大整體性好，適用房間開間尺寸較規(guī)則的宿舍住宅旅店；（3）內(nèi)框架承重體系：特點(diǎn)是墻與柱子都負(fù)責(zé)承載較大的力，這樣就開拓出了更大的空間，空間不具備很強(qiáng)的剛性，容易意外變形，只能用在旅館、廠房等地；（4）框架結(jié)構(gòu)可以建造較大的室內(nèi)空間，房間分隔靈活便于使用，工藝布置靈活性大便于設(shè)備布置，抗震性能優(yōu)越，具有較好的結(jié)構(gòu)延性，使用不易超過(guò)10層。

2.9 大跨度結(jié)構(gòu)選型

平面體系：?jiǎn)螌咏Y(jié)構(gòu)會(huì)可達(dá)76米，這一結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，具備一種推力，其結(jié)構(gòu)關(guān)鍵的內(nèi)力承載大約是四十到六十米的跨度，簡(jiǎn)支梁的結(jié)構(gòu)更適合十八米以下的屋蓋，屋架的全部桿件只是承擔(dān)拉力與壓力，一般用在跨度較大的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)上，這樣整體上更加穩(wěn)定，也具備良好的抗震能力；薄殼結(jié)構(gòu)有更多的類型，形式也是多變的，折板在跨度上會(huì)達(dá)到27米，相當(dāng)于筒殼薄型的小空間；用于懸索的材料數(shù)量較多，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，施工時(shí)間長(zhǎng)，價(jià)格也相對(duì)昂貴。

高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)：有較大的跨度，八層以上就是高層建筑物，超過(guò)二十四米通常被稱為高層建筑，五十到一百米被稱為較高層建筑，一百到兩百米被稱為超高層建筑；承載更大的力；需要更多的技術(shù)。樣式：筒體構(gòu)架、剪力墻構(gòu)架、框架剪力墻構(gòu)架。

2.10 框架-剪力墻體系

建筑：剪力墻與框架一起形成了承載重量的載力結(jié)構(gòu)，解決了框架抗耐力與剛度較小的問(wèn)題，讓剪力墻的開間更大，一方面讓建筑物的設(shè)計(jì)更加靈活，另一方面也可以對(duì)一般化的建筑準(zhǔn)備更大的剛度作用于所有的剪力墻結(jié)構(gòu)中，所有的承載能力都由綜合框架承載，然而外部的荷載，其分配是根據(jù)高度的變化而變化的。在結(jié)構(gòu)的頂端，框架承載了更大的力，墻體就會(huì)受到相反方向的力，從結(jié)構(gòu)上說(shuō)，墻體受到的是外在的力，框架承擔(dān)的力與外在荷載是反方向的。

結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最重要的就是剪力墻的多少與具體方位，根據(jù)建筑設(shè)計(jì)的基本原則，剪力墻的多少會(huì)影響到建筑的設(shè)計(jì)是否靈活，根據(jù)結(jié)構(gòu)角度原則，剪力墻通常承載著更多的外在力，會(huì)對(duì)抗側(cè)剛度產(chǎn)生很大的影響，所以剪力墻的數(shù)量不會(huì)太少。

受力特點(diǎn)：水平方向的力利用樓板傳遞到剪力墻和框架中，這種力在底端關(guān)鍵由剪力墻全部承載，由于剪力墻在水平方向的力縮小的時(shí)候底部會(huì)縮小，然而到了頂部的時(shí)候，力就會(huì)主要由框架來(lái)承載。

參考文獻(xiàn)

[1] 王榮書.高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)探析[J].黑龍江科技信息，2010（05）.

[2] 陳玉川.關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)的靜力分析方法[J].黑龍江科技信息，2008 （17）.

[3] 郭永彥.談在建筑施工中混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性[J].科技信息，2007 （07）.

[4] 徐月祥.建筑施工中混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性淺析[J].民營(yíng)科技，2008 （08）.

[5] 何靖宇.淺談建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].科技信息，2011（15）.

作者簡(jiǎn)介：文躍茗（1992- ），男，河南開封人，大學(xué)本科在讀，河南大學(xué)土木建筑學(xué)院建筑學(xué)專業(yè)學(xué)生。