建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分析與探討

浙江省天正設(shè)計(jì)工程有限公司 浙江杭州 310012

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人民物質(zhì)生活水平的不斷提高，居住條件的不斷改善，高層住宅如雨后春筍一座座拔地而起。一個(gè)優(yōu)秀的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往是適用、安全、經(jīng)濟(jì)、美觀、便于施工的最佳結(jié)合。完美的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是在努力追求這五個(gè)方面的最佳結(jié)合的過(guò)程中產(chǎn)生的。

一 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的概念

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)而言之就是用結(jié)構(gòu)語(yǔ)言表達(dá)建筑師及其它專業(yè)工程師所要表達(dá)的內(nèi)容。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。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，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)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容由上可知為：基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)、上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和細(xì)部設(shè)計(jì)。

二 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可分為整體設(shè)計(jì)和部件設(shè)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、重要程度及當(dāng)?shù)氐目拐鹪O(shè)防烈度、風(fēng)荷載情況等條件來(lái)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 部分內(nèi)力和配筋計(jì)算。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，一般把它視為薄壁柱作近似計(jì)算，有時(shí)要考慮翼緣作用；對(duì)于簡(jiǎn)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3 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，以在計(jì)算中往往加大安全系數(shù)，以保安全。

三 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

⑴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)，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(duì)于砌體結(jié)構(gòu)來(lái)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(wèn)題。必要時(shí)進(jìn)行人工復(fù)核，對(duì)于局部受壓的防御措施是要按規(guī)定對(duì)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(lái)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(méi)有建模的話就可以直接在建筑的條件圖上來(lái)繪制結(jié)構(gòu)圖了，這一步必不可少的是刪除建筑圖中對(duì)結(jié)構(gòu)來(lái)講沒(méi)有用的部分，簡(jiǎn)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)平面圖問(wèn)的拷貝移動(dòng)和刪除。

⑵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。粱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(huà)法，建議采用剖面示意圖加大樣詳圖的表示方法。

⑶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(wú)誤，也可以在以前做過(guò)的詳圖的基礎(chǔ)上來(lái)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)受力合理和施工方便，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。

⑷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(kāi)分別錨固，防止局部的應(yīng)力集中。

⑸基礎(chǔ)。基礎(chǔ)要注意混凝土的標(biāo)號(hào)選擇應(yīng)符合結(jié)構(gòu)耐久性的要求?；A(chǔ)的配筋應(yīng)滿足最小配筋率的要求，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，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。

四 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟

⑴完成整體參數(shù)的正確設(shè)定。計(jì)算開(kāi)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(cè)對(duì)參數(shù)意義的描述，以及工程的實(shí)際情況，對(duì)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)周期等，在計(jì)算前很難估計(jì)，需要經(jīng)過(guò)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，那么必然存在某個(gè)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(shū)中輸出，設(shè)計(jì)人員如發(fā)該角度絕對(duì)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(shū)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(duì)全局有控制作用的整體參數(shù)先行計(jì)算出來(lái)，正確設(shè)置，否則其后的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際差別很大。

⑵確定整體結(jié)構(gòu)的合理性：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(guò)大的扭轉(zhuǎn)。也就是說(shuō)，周期比不是要求構(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。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(duì)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層問(wèn)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應(yīng)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 抗震措施的要求

⑴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(kù)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。

⑵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(duì)裂縫寬度的影響。

⑶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(zhǎng)度、鋼筋搭接錨固長(zhǎng)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(xiě)出，屬于強(qiáng)制執(zhí)行條文，不可以掉以輕心。

⑷最后設(shè)計(jì)人員還應(yīng)根據(jù)工程的實(shí)際情況，對(duì)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(yǔ)

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(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。結(jié)構(gòu)工程師只有正確理解規(guī)范條文，認(rèn)真執(zhí)行強(qiáng)制性條文，選擇符合實(shí)際工作狀態(tài)的計(jì)算模型，準(zhǔn)確把握事關(guān)全局的總信息，采用合適的構(gòu)造措施，確保設(shè)計(jì)質(zhì)量，保證結(jié)構(gòu)安全合理。在工作中應(yīng)事無(wú)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)。這樣才能做好建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，才能取得最優(yōu)的方案和經(jīng)濟(jì)效益。