建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

于浩

【摘 要】 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行全面規(guī)劃和具體描述實(shí)施意圖的過程.是工程建設(shè)的靈魂，是科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的紐帶.是處理技術(shù)與經(jīng)濟(jì)關(guān)鍵性環(huán)節(jié)。

【關(guān)鍵詞】 建筑結(jié)構(gòu)；原則；常見問題

【Abstract】 The architectural structure design is the process of comprehensive planning and concrete description of the implementation intention of the construction project. It is the soul of engineering construction and the link between science and technology to productivity. It is a key link in processing technology and economy.

【Key words】 Building Structure；Principles；Frequently Asked Questions

1.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則

1.1 在建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算當(dāng)中，選用適當(dāng)?shù)挠?jì)算簡化結(jié)構(gòu)計(jì)算式應(yīng)當(dāng)在計(jì)算簡圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行，否則計(jì)算簡圖選用不當(dāng)則會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全的事故常常發(fā)生，所以選擇適當(dāng)?shù)挠?jì)算簡圖是保證結(jié)構(gòu)安全的重要條件。計(jì)算簡圖還應(yīng)有相應(yīng)的構(gòu)造措施來保證。實(shí)際結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)不可能是純粹的鉸結(jié)點(diǎn)和剛結(jié)點(diǎn)，但與計(jì)算簡圖的誤差應(yīng)在設(shè)計(jì)允許范圍之內(nèi)。

1.2 選擇合適的基礎(chǔ)方案。基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)條件，上部結(jié)構(gòu)類型與載荷分布，相鄰建筑物影響及施工條件等多種因素進(jìn)行綜合分析，選擇經(jīng)濟(jì)合理的基礎(chǔ)方案，設(shè)計(jì)時(shí)宜最大限度地發(fā)揮地基的潛力，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行地基變形驗(yàn)算。基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)有詳盡的地質(zhì)勘察報(bào)告，對一些缺少地質(zhì)報(bào)告的建筑應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場查看和參考臨近建筑資料。

1.3 正確分析計(jì)算結(jié)果。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中普遍采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，但是由于目前軟件種類繁多，不同軟件往往會(huì)導(dǎo)致不同的計(jì)算結(jié)果。因此設(shè)計(jì)師應(yīng)對程序的適用范圍、條件等進(jìn)行全面了解。在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)時(shí)，由于結(jié)構(gòu)實(shí)際情況與程序不相符合，或人工輸入有誤，或軟件本身有缺陷均會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的計(jì)算結(jié)果，因而要求結(jié)構(gòu)工程師在拿到電算結(jié)果時(shí)應(yīng)認(rèn)真分析，慎重校核，做出合理判斷。

1.4 打通關(guān)節(jié)。當(dāng)結(jié)構(gòu)體系中的力量傳遞不能暢通的時(shí)候，就會(huì)破壞各個(gè)構(gòu)件之間的靜態(tài)平衡，要想使得結(jié)構(gòu)體系永遠(yuǎn)的保持原始的靜態(tài)或者在需要的范圍內(nèi)保持，打通關(guān)節(jié)是我們不得不遵守的基礎(chǔ)性原則，其它的原則必須依賴于打通關(guān)節(jié)。而在建筑的結(jié)構(gòu)體系中關(guān)節(jié)是無處不在的，結(jié)構(gòu)工程師眼中的理想的結(jié)構(gòu)體系，在理論上應(yīng)該是一個(gè)整體，渾然天成的，不存在關(guān)節(jié)，依賴于這樣的理想的結(jié)構(gòu)體系，任何外力的傳遞和消減可以是十分迅速的。

2. 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的常見問題

2.1 在當(dāng)前結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，構(gòu)造柱經(jīng)常被作為承重柱使用，構(gòu)造柱作為承重柱使用后，使得構(gòu)造柱提前受力，有可能會(huì)降低構(gòu)造柱對砌體的拉結(jié)和約束作用，而且結(jié)構(gòu)一旦遭遇地震作用時(shí)，在構(gòu)造柱位置必然形成應(yīng)力集中，首先破壞。這樣構(gòu)造柱不但起不到其應(yīng)有的作用，反而成為房屋結(jié)構(gòu)中的一個(gè)薄弱的部位。另外構(gòu)造柱一般生根于地圈梁中，沒有另設(shè)基礎(chǔ)，構(gòu)造柱兼作承重柱使用后，柱底基礎(chǔ)的抗沖切、以及局部承壓強(qiáng)度必然不能滿足要求。柱底基礎(chǔ)一旦發(fā)生沖切或局部承壓被出現(xiàn)裂縫。本文建議承重大梁下的柱子應(yīng)按承重柱設(shè)計(jì)。若梁上荷載和跨度都比較小時(shí)，構(gòu)造柱也可布置于梁下，但此時(shí)必須按不考慮構(gòu)造柱作用來驗(yàn)算下墻體的局部承壓和抗彎強(qiáng)度。經(jīng)驗(yàn)算滿足，方可在梁下布置構(gòu)造柱。

2.2 承重柱截面高度設(shè)計(jì)過小。一些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得誤認(rèn)為六度設(shè)防就是不設(shè)防，不圖受力分析方便，他們故意把柱子的截面高度設(shè)計(jì)得過小，使梁柱的線剛度比加大。把梁簡化為鉸支梁，柱按軸心受壓計(jì)算。這種情況多發(fā)生于六度抗震設(shè)防區(qū)。這種做法雖然易于進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析，但卻給房屋結(jié)構(gòu)埋下了隱患。因?yàn)檫@樣做往往會(huì)忽略了梁柱間的剛結(jié)作用，加之以柱截面的配筋都較小，結(jié)構(gòu)一旦受力后，柱頂抗彎強(qiáng)度必然不足，從而柱子而梁底附近將會(huì)出現(xiàn)一條或多條水平裂縫，形成塑性餃。嚴(yán)重的是，這樣的結(jié)構(gòu)一旦遭遇地震作用，即會(huì)倒塌。

3. 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題

3.1 重視概念設(shè)計(jì)。

人們在實(shí)踐的基礎(chǔ)上，由感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)，從而形成概念，它反映了客觀事物的本質(zhì)特征。概念設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)工程師一項(xiàng)不可或缺的基本功，正確的概念設(shè)計(jì)好比是選擇了一條正確的道路，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、安全、經(jīng)濟(jì)的前提，它貫穿于工程設(shè)計(jì)的全過程。概念設(shè)計(jì)必須通過深厚的基礎(chǔ)理論、對結(jié)構(gòu)原理和力學(xué)性質(zhì)的深刻理解和長期而豐富的工程經(jīng)驗(yàn)積淀而成。結(jié)構(gòu)工程師只有具備高水平的概念設(shè)計(jì)，才能完成高水平的設(shè)計(jì)成果。

3.2 做好與相關(guān)專業(yè)人員的溝通。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作不能孤立獨(dú)行，需要與其他專業(yè)多溝通，多配合。因此要提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平，不但要具備本專業(yè)的扎實(shí)的基本功，還要對相關(guān)專業(yè)有基本的了解并取得相關(guān)專業(yè)的支持和配合。涉及其他專業(yè)的技術(shù)問題，結(jié)構(gòu)工程師要積極組織和參加各專業(yè)的協(xié)調(diào)會(huì)議，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)成共識(shí)，最終確定設(shè)計(jì)原則，做到透徹把握建筑意圖、充分了解設(shè)備專業(yè)的功能和需要，避免在出圖后因各專業(yè)不協(xié)調(diào)而導(dǎo)致的變更和返工。

3.3 正確運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。

當(dāng)前，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，工程師在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析工作，用計(jì)算機(jī)輔助完成大部分的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，因此了解計(jì)算機(jī)程序的功能、正確使用設(shè)計(jì)軟件直接影響到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的水平。中國建筑科學(xué)研究院PKPMCAD工程部開發(fā)的PKPM系列微機(jī)建筑工程CAD系統(tǒng)、廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院和深圳市廣廈科技有限公司聯(lián)合開發(fā)的廣廈建筑結(jié)構(gòu)CAD等等都是比較優(yōu)秀的建筑設(shè)計(jì)軟件，涉及的內(nèi)容比較全面，與AUTOCAD兼容，可操作性強(qiáng)。需要指出的是設(shè)計(jì)軟件都是根據(jù)國家現(xiàn)行規(guī)范的要求結(jié)合不同的結(jié)構(gòu)體系的受力特點(diǎn)加以模擬簡化得來，因而設(shè)計(jì)軟件都有一個(gè)有效使用期限和合理適用范圍。隨著建筑業(yè)的發(fā)展，建筑物規(guī)模越來越大，形式也日趨復(fù)雜，使得建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容增多，難度增大，這就要求設(shè)計(jì)人員了解所使用軟件的特點(diǎn)和適用范圍，熟悉和掌握各項(xiàng)參數(shù)的選取條件，真正做到計(jì)算機(jī)為人服務(wù)，為工程設(shè)計(jì)服務(wù)。

3.4 綜合考慮優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要考慮優(yōu)化設(shè)計(jì)，綜合考慮各方面因素，盡量采用最為經(jīng)濟(jì)和合理的方案。全面考慮各個(gè)受力構(gòu)件的可能承受的各種荷載，豎向承重構(gòu)件把豎向荷載傳遞到基礎(chǔ)上，還承受風(fēng)和地震等水平荷載，以及溫度應(yīng)力，這些都要考慮到，布置時(shí)要把承重構(gòu)件放在有利于承受水平荷載和溫度應(yīng)力的位置。要限制剪力墻的間距，確定樓板剛度滿足整體工作的要求。水平承重構(gòu)件的布置，也要綜合考慮多方面因素，力爭做到傳力路徑簡短，以最快的方式將樓面上的荷載傳遞到主梁上，再由柱和剪力墻傳遞到基礎(chǔ)和地基。在設(shè)計(jì)地基基礎(chǔ)時(shí)，要根據(jù)基本理論知識(shí)，結(jié)合豐富的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，預(yù)見可能出現(xiàn)的各種問題，并分析出合理的解決方案。計(jì)算過程要牢記“強(qiáng)柱弱粱、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)壓弱拉”的原則，不可隨意加大配筋量，要考慮構(gòu)件的延性性能，對薄弱部位注意加強(qiáng)。對于鋼筋的錨固長度尤其是直線段錨固長度，要注意溫度應(yīng)力的影響。平面和立面的布置，要按照均勻、對稱和規(guī)整原則進(jìn)行，考慮多道防線，力爭避免出現(xiàn)薄弱層。結(jié)構(gòu)的選型和布置及計(jì)算的整個(gè)設(shè)計(jì)過程，要綜合考慮各方面因素，并進(jìn)行極限狀態(tài)的驗(yàn)算，以保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方案安全合理。

3.5 加強(qiáng)抗震設(shè)計(jì)的理念。

由于地震的不可預(yù)見性，我們能做到的就只有最大限度的“抗震”而不是“防震”。我國是一個(gè)地震災(zāi)害發(fā)生比較頻繁的國家，我們不斷地從地震后的房屋中汲取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，我國的《建筑設(shè)計(jì)抗震規(guī)范》也在歷次大地震后做了修編和完善，從84年版到76年版，2001年版到2008年版，再到汶川、玉樹地震后的2010年版（2010年12月1日開始實(shí)施），結(jié)構(gòu)工程師在進(jìn)行設(shè)計(jì)工作時(shí)嚴(yán)格按照“抗規(guī)”中的抗震設(shè)計(jì)原則和抗震設(shè)計(jì)構(gòu)造的要求進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，只有做到了有效的抗震設(shè)計(jì)才能有效的降低地震突然發(fā)生的造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。2010年發(fā)生的青海玉樹7.1級地震造成大量人員傷亡，大量砌體結(jié)構(gòu)發(fā)生整體倒塌，倒塌的主要原因有建筑材料質(zhì)量低劣、結(jié)構(gòu)不合理、結(jié)構(gòu)傳力途徑不明確和抗震構(gòu)造不規(guī)范，而且大多沒有經(jīng)過專業(yè)設(shè)計(jì)人員的合理設(shè)計(jì)，抗震能力極差，地震來時(shí)極易倒塌。而智利發(fā)生的里氏8.8級特大地震造成的死亡人數(shù)卻較少，原因就是智力很多公共及民用建筑都采用了抗震性能較好的鋼結(jié)構(gòu)（鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、強(qiáng)度高，具有很好的延展性，發(fā)生強(qiáng)烈地震時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)只會(huì)變形，而不會(huì)崩塌和斷裂）?？傊?，結(jié)構(gòu)工程師要重視概念設(shè)計(jì)，做好與相關(guān)專業(yè)人員的溝通，正確運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，綜合優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，加強(qiáng)抗震設(shè)計(jì)的理念，切實(shí)保證建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量。

4. 結(jié)語

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是樓層建設(shè)的重要組成部分，是一項(xiàng)系統(tǒng)、全面的工作，牽扯的知識(shí)面較廣，需要扎實(shí)的理論基礎(chǔ)、靈活的創(chuàng)新思維和嚴(yán)肅認(rèn)真的工作態(tài)度，更需要我們具有理論聯(lián)系實(shí)際的能力。這就要求設(shè)計(jì)師在遵循設(shè)計(jì)規(guī)范的條件下，對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行有效地創(chuàng)新和完善，從而設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的建筑作品。

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[文章編號(hào)] 1619-2737（2018）01-25-676