建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本概念與要點(diǎn)

何炳貴

廣東廣筑工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東東莞 523000

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是影響建筑工程項(xiàng)目最終使用性能的重要因素，不僅對(duì)建筑功能的實(shí)現(xiàn)十分重要，也和建筑的安全性、耐久性息息相關(guān)?，F(xiàn)在人們對(duì)建筑物的需求和過(guò)去有了很大的不同，不光重視建筑的使用是否安全、舒適和經(jīng)濟(jì)，還對(duì)環(huán)境保護(hù)、生態(tài)、材料等方面提出新的要求。在這種背景下，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的概念和要點(diǎn)進(jìn)行研究，主要是為了讓建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為合理，還要盡力保證建筑項(xiàng)目整體結(jié)構(gòu)和使用效能上的。

1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本概念分析

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，安全是放在首位的最重要的基本功能，其次是建筑要具有良好的使用功能，最后是要具有規(guī)定時(shí)間內(nèi)的長(zhǎng)久使用壽命。在實(shí)現(xiàn)這些基本功能后，還要注重降低建筑的施工成本，使用綠色環(huán)保的生態(tài)材料，保證環(huán)境不受破壞和實(shí)現(xiàn)使用者對(duì)建筑的其他方面的需求。所以在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該從滿足基本功能入手，采用多種方法綜合保證整體功能的實(shí)現(xiàn)。隨著全國(guó)各地建設(shè)行業(yè)快速發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)間往往非常緊湊，故設(shè)計(jì)師很難全面考慮清楚各專業(yè)的協(xié)調(diào)及繁瑣復(fù)雜細(xì)節(jié)。結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提基礎(chǔ)，良好的結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)更安全、更經(jīng)濟(jì)、更適用的保證。運(yùn)用結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的手段，確定合適的基礎(chǔ)類(lèi)型、結(jié)構(gòu)類(lèi)型、結(jié)構(gòu)體系、墻柱梁板布局、層高以及建筑平面優(yōu)化等，即可從宏觀上確保建筑方案在結(jié)構(gòu)上是可行性合理性，當(dāng)然概念上不必拘泥于細(xì)部大樣或構(gòu)造細(xì)節(jié)。

建筑建構(gòu)設(shè)計(jì)的概念實(shí)現(xiàn)通常是從四個(gè)方面進(jìn)行：

一是要在設(shè)計(jì)中盡可能應(yīng)用多道抗震防線概念。地震發(fā)生時(shí)有一定的持續(xù)時(shí)間，而且可能反復(fù)多次作用，根據(jù)地震后倒塌的建筑物的研究，地震的反復(fù)作用使結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞，而最后倒塌則是結(jié)構(gòu)因破壞而喪失了承受豎向荷載的能力。故多道抗震防線作為抗震設(shè)計(jì)的最基本概念應(yīng)該貫穿整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算的過(guò)程中，在設(shè)計(jì)中應(yīng)該盡可能設(shè)置多道抗震防線，利用贅余桿件的屈服和彈塑性變形把盡可能多的地震能量消耗掉。例如框架抗震墻結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)不但要考慮小震和中震情況下結(jié)構(gòu)基本完好，還要考慮在大震情況下連梁先遭受破壞而喪失作用，按單片墻肢計(jì)算，結(jié)構(gòu)仍有足夠強(qiáng)度剛度而不倒；還要求控制任一層框架部分承擔(dān)的剪力值不應(yīng)小于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力的20%。

二是要在設(shè)計(jì)中體現(xiàn)構(gòu)件主次和大小概念。對(duì)建筑安全性能的實(shí)現(xiàn)，不僅是從每個(gè)構(gòu)建上予以保證，還需要認(rèn)清不同構(gòu)造元件對(duì)整個(gè)建筑的作用，從不同結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和承受外力的優(yōu)勢(shì)出發(fā)，采用抓大放小、抓主為先的原則，首先保證整個(gè)建筑中擔(dān)負(fù)著核心作用的構(gòu)建和部位的安全性能。比如大部分建筑中都有主柱和輔梁，強(qiáng)剪和弱彎等設(shè)計(jì)理念，這些方法都是保證建筑在受到災(zāi)害時(shí)，核心部件能保證不受到主要傷害，其他構(gòu)建也能根據(jù)所處的位置有效發(fā)揮作用，以此來(lái)共同保證建筑受到災(zāi)害的傷害程度最低。

三是要在設(shè)計(jì)中能體現(xiàn)出整體結(jié)構(gòu)和諧平衡的概念。在建筑結(jié)構(gòu)在進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)的一體化協(xié)調(diào)程度是建筑安全性能的重要指標(biāo)。一個(gè)整體和諧、結(jié)構(gòu)平衡的建筑必然可以在突發(fā)災(zāi)害時(shí)讓外力作用實(shí)現(xiàn)有效傳導(dǎo)和化解。在對(duì)建筑進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)平衡設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)要考慮對(duì)不同結(jié)構(gòu)結(jié)合部位節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，這些節(jié)點(diǎn)因?yàn)榘l(fā)揮的是聯(lián)系不同結(jié)構(gòu)的作用，所以承受的外力往往不均勻，很容易因?yàn)槭芰性斐蓴嗔训葥p傷，從而影響建筑的整體受力情況。所以在對(duì)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中，要綜合考慮各種節(jié)點(diǎn)的受力大小，不出現(xiàn)受力過(guò)于集中在某些節(jié)點(diǎn)的情況，讓節(jié)點(diǎn)作為建筑的“關(guān)節(jié)”，具有良好的剛度，以保證建筑整體的穩(wěn)定和平衡。

四是要在滿足安全性能的同時(shí)體現(xiàn)綠色環(huán)保建筑概念?，F(xiàn)在人們?cè)诎踩褂玫幕A(chǔ)上，對(duì)建筑是否滿足綠色環(huán)保的需求更為迫切。人們都意識(shí)到房屋等建筑的目的并不是為了破壞環(huán)境來(lái)獲得更好的舒適度，而是要在保護(hù)地球環(huán)境的同時(shí)找到舒適居住的良好環(huán)境。所以在建筑設(shè)計(jì)中，要本著服務(wù)人類(lèi)、保護(hù)環(huán)境的理念，選擇符合環(huán)保要求的建筑材料，不使用破壞自然環(huán)境的施工方案。

2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

建筑結(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)建筑主體，即用墻、梁、板、柱、基礎(chǔ)、樓梯、大樣等元素組合成建筑結(jié)構(gòu)體系。不同的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇相應(yīng)的基礎(chǔ)類(lèi)型結(jié)構(gòu)類(lèi)型和計(jì)算模型等。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)力求結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)捷，傳力路徑清晰明確，一般不設(shè)計(jì)成靜定結(jié)構(gòu)，以超靜定結(jié)構(gòu)為主。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作簡(jiǎn)要過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作簡(jiǎn)要過(guò)程

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)注意如下幾點(diǎn)：

一是地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最關(guān)鍵部分，必須注重如下幾點(diǎn)：①傳遞到地基上的上部結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng) （包括軸力彎矩剪力等） 一定要小于地基容許承載力或地基承載力特征值，具有合理的地基承載力安全儲(chǔ)備，避免建筑物地基承載力不足造成傾斜等問(wèn)題；②基礎(chǔ)沉降值必須小于地基變形容許值，保證建筑物不因地基變形而損壞或影響其正常使用；③基礎(chǔ)應(yīng)有足夠的強(qiáng)度剛度，滿足受彎受剪沖切剪切要求。這要求同一結(jié)構(gòu)單體的基礎(chǔ)不宜設(shè)置在性質(zhì)截然不同的地基上；同一結(jié)構(gòu)單體不宜同時(shí)采用不同基礎(chǔ)類(lèi)型，當(dāng)采用不同基礎(chǔ)類(lèi)型或基礎(chǔ)埋深顯著不同時(shí)，應(yīng)對(duì)地基基礎(chǔ)的沉降進(jìn)行驗(yàn)算，在基礎(chǔ)、上部結(jié)構(gòu)的相關(guān)部位采取相應(yīng)減少沉降措施；地基土層為淤泥、軟弱黏性土、液化土、新近填土或土層厚度嚴(yán)重不均勻土?xí)r，應(yīng)根據(jù)地基不均勻沉降和其他不利影響，采取相應(yīng)的措施?；A(chǔ)的形狀中心要宜和上部建筑的重心吻合。對(duì)高層建筑設(shè)計(jì)中，為了確?；A(chǔ)整體的強(qiáng)度剛度，可以采用樁箱、樁筏等基礎(chǔ)類(lèi)型。

二是建筑結(jié)構(gòu)的豎向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。建筑的豎向體型宜規(guī)則、均勻，不宜有過(guò)大的外挑和收進(jìn)。剪力墻結(jié)構(gòu)的墻體應(yīng)雙向或多向布置，形成對(duì)承受豎向荷載有利、抗側(cè)力剛度大的平面和豎向布局；在抗震結(jié)構(gòu)中、應(yīng)避免僅單向有墻的結(jié)構(gòu)布置形式；剪力墻上常因開(kāi)門(mén)開(kāi)窗、穿越管線而需要開(kāi)有洞口，這時(shí)應(yīng)盡量使洞口上下對(duì)齊、布置規(guī)則，洞與洞之間、洞到墻邊的距離不能太小?？蚣苤吮苊膺^(guò)多的穿層柱、斜柱、短柱和轉(zhuǎn)換。結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度宜下大上小，逐漸均勻遞減，避免剛度變化過(guò)大，這就要求結(jié)構(gòu)層高、混凝土強(qiáng)度等級(jí)、墻柱截面等不宜變化過(guò)大。

三是建筑結(jié)構(gòu)的平面設(shè)計(jì)要點(diǎn)。結(jié)構(gòu)平面形狀宜簡(jiǎn)單、對(duì)稱、規(guī)則，質(zhì)量、剛度和承載力分布宜均勻。不宜采用特別不規(guī)則的平面布置，平面凹凸尺寸不宜大于相應(yīng)邊長(zhǎng)30%等，組合平面不宜采用細(xì)腰形或角部重疊形，同一方向板有效寬度不宜小于50%，開(kāi)洞面積不宜大于整個(gè)樓板面積的30%，錯(cuò)層不宜大于梁高。如果平面長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，發(fā)生地震時(shí)容易產(chǎn)生較不利的震害，因?yàn)閮啥说卣鸩▊鬟f有位相差而產(chǎn)生不協(xié)調(diào)的振動(dòng)；如果有較長(zhǎng)的外伸，外伸段容易產(chǎn)生局部振動(dòng)而引發(fā)凹角處應(yīng)力集中和破壞。如角部重疊和細(xì)腰形的平面圖形，存在中間收窄處或凹角部位，地震時(shí)該部位是不同變形交匯處，應(yīng)力集中明顯，則該處樓板容易開(kāi)裂、破壞。

四是建筑結(jié)構(gòu)電算要點(diǎn)。設(shè)計(jì)人員應(yīng)該對(duì)軟件 （如PKPM、廣廈等軟件計(jì)算） 的計(jì)算流程、計(jì)算模型及相關(guān)假定、設(shè)計(jì)參數(shù)等方面有全面的了解，選擇合適的計(jì)算模型。結(jié)構(gòu)電算首先要讓整體參數(shù)指標(biāo)滿足現(xiàn)行的規(guī)范規(guī)程，諸如結(jié)構(gòu)整體抗傾覆驗(yàn)算、周期比、位移比、位移角、軸壓比、剪重比、剛重比等控制指標(biāo)優(yōu)先考慮。例如周期比主要為控制結(jié)構(gòu)在罕遇大震下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，當(dāng)其不滿足要求時(shí)，反復(fù)調(diào)整改變結(jié)構(gòu)布置，提高結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度，調(diào)整原則是加強(qiáng)結(jié)構(gòu)外圍墻、柱或梁的剛度，適當(dāng)削弱結(jié)構(gòu)中間墻、柱的剛度。當(dāng)總體參數(shù)滿足后，詳細(xì)調(diào)整個(gè)別墻梁板柱超筋超限，比如墻的穩(wěn)定性、梁的剪壓比等。對(duì)最終的電算結(jié)果，設(shè)計(jì)人員仍需根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)程和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)試驗(yàn)對(duì)計(jì)算結(jié)果做出合理的審核，不可盲目相信電算結(jié)果。電算結(jié)構(gòu)布置和截面確定過(guò)程見(jiàn)圖2。

圖2 電算結(jié)構(gòu)布置和截面確定過(guò)程

3 結(jié)語(yǔ)

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是有效降低建筑安全隱患，提高建筑使用壽命和使用效能的重要環(huán)節(jié)。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員要嚴(yán)格遵循結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則，讓設(shè)計(jì)方案既能夠滿足建筑師的設(shè)計(jì)意圖，又能有效實(shí)現(xiàn)建筑的實(shí)際功能，不斷提高建筑結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性能，讓建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體現(xiàn)出應(yīng)有的價(jià)值。

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