關(guān)于民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的幾點(diǎn)思考

石佳佳

0 引言

如今國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平提高，房屋價(jià)格居高不下，在此背景下人們對(duì)于建筑品質(zhì)及舒適度的要求越發(fā)提高，合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化民用建筑結(jié)構(gòu)迫在眉睫。民用建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化不僅能為人們提供宜人的居住環(huán)境，還能合理減少建筑成本，促使建筑商利益最大化，繼而有效推動(dòng)建筑行業(yè)的迅猛及可持續(xù)化發(fā)展。

1 民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)定義及原則

1.1 民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)定義

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指設(shè)計(jì)人員基于民用建筑外形、地理?xiàng)l件綜合設(shè)計(jì)出該建筑物基礎(chǔ)、梁、板、柱等單元。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最終目的，在于能夠?yàn)槊癖娞峁┛煽壳野踩木幼】臻g或是活動(dòng)場(chǎng)所，滿足人們?nèi)粘Ｋ?。在以往的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中多采取二維計(jì)算機(jī)輔助等方式，且按照民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，將其劃分成基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩種。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本操作探討，除設(shè)計(jì)時(shí)運(yùn)用到建筑結(jié)構(gòu)施工圖紙外，還可借助于常見(jiàn)的軟件程序來(lái)處理，如PKPM，盈建科等?？傊?，民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不但要從設(shè)計(jì)專業(yè)維度分析使用性能、排水、電氣、工藝等要素，還要確保該建筑具備安全性、功能性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、美觀性等諸多特點(diǎn)。圖1 為民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程示意圖。

圖1 民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程示意圖

1.2 民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

要實(shí)現(xiàn)民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)及有效性，確保其使用壽命，在設(shè)計(jì)之初就須遵照相關(guān)設(shè)計(jì)理念和原則，以確保設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)潔明了，避免設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)較突出的問(wèn)題。以下列出三項(xiàng)基本設(shè)計(jì)原則：

第一，經(jīng)濟(jì)適用原則。合理選擇施工技術(shù)，有效降低工藝難度，同時(shí)要考慮到經(jīng)濟(jì)因素層面的限制，在滿足質(zhì)量前提下盡可能選擇性價(jià)比高的材料，以此節(jié)省建筑項(xiàng)目所耗費(fèi)的成本，降低投入。

第二，安全堅(jiān)固原則。民用建筑用于人們居住和從事非生產(chǎn)性社會(huì)活動(dòng)，通俗而言，指為人們提供工作、學(xué)習(xí)、生活、從事各類活動(dòng)（如經(jīng)濟(jì)、文化類）的居所，例如公共建筑類（辦公樓、學(xué)校、醫(yī)院、體育館等）、居住建筑，如住宅、公寓、宿舍等。設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合先進(jìn)技術(shù)分析，確保建成后性能完善且使用安全。在建設(shè)過(guò)程中，也要兼顧施工現(xiàn)場(chǎng)安全。

第三，美觀實(shí)用原則。新時(shí)代下人們思維變化，居住觀念有明顯轉(zhuǎn)變，除居住安全舒適外，也強(qiáng)調(diào)建筑的多功能性及美觀性。因而設(shè)計(jì)時(shí)要結(jié)合當(dāng)前審美潮流趨勢(shì)，確保建筑更具藝術(shù)性和時(shí)尚感，具有美學(xué)價(jià)值。

2 民用建筑常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)墻（剪力墻）結(jié)構(gòu)

2.2 框架式結(jié)構(gòu)

建筑框架式結(jié)構(gòu)指建筑的梁經(jīng)剛結(jié)點(diǎn)或鉸鏈同柱間后連接，而后組成承重體系，用于承擔(dān)水平、豎直（重力）作用力（圖2）?？蚣芙Y(jié)構(gòu)布置靈活，其承重結(jié)構(gòu)、圍護(hù)、分隔都相互分離，能滿足更多施工要求。民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所用的框架式結(jié)構(gòu)，多為鋼筋混凝土以及型鋼。究其原因，是此類材料抗損壞能力、抗壓能力好，梁柱間進(jìn)行剛接或鉸接，能提升整體結(jié)構(gòu)的抗震效果、防側(cè)移能力。此類結(jié)構(gòu)常被用于多層的民用建筑中，且建筑高度不超出60m。此外要注意設(shè)計(jì)此類建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，盡可能合理利用其平面、立面形狀，幫助建筑各結(jié)構(gòu)受到外力作用時(shí)都具備抗變形能力，確保均勻分布，保障民用建筑的穩(wěn)定可靠性。

圖2 框架結(jié)構(gòu)

2.3 筒體結(jié)構(gòu)

筒體結(jié)構(gòu)指結(jié)構(gòu)墻集中建筑內(nèi)部、外圍的筒體。該類建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是能集中結(jié)構(gòu)墻，獲得較大自由分割空間，可用于諸如寫字樓的設(shè)計(jì)中。平面常選擇方形、圓形、對(duì)稱的三角形等來(lái)設(shè)置。當(dāng)平面選擇長(zhǎng)方形時(shí)，要合理把控其長(zhǎng)寬比，通常長(zhǎng)度不可超出寬度的2倍。外框筒密排栓柱距范圍大多在1～3m間。在建筑平面的四角處，其柱子截圖大多呈現(xiàn)出“L”形狀或是八字形，外筒邊長(zhǎng)尺寸要超出內(nèi)筒兩倍。設(shè)計(jì)時(shí)建筑頂部增設(shè)剛性環(huán)梁，可有效強(qiáng)化建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。

2.4 砌體結(jié)構(gòu)

砌體結(jié)構(gòu)（磚混結(jié)構(gòu)）是由塊體和砂漿砌筑而成的墻或柱，包括磚砌體、砌塊砌體、石砌體等。在建筑工程中砌體約占建筑物自重50%，且用工量約占據(jù)1/3，是重要的建筑材料。此類結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是易取材、材料簡(jiǎn)單，施工難度相對(duì)小。設(shè)計(jì)時(shí)要確保施工快捷方便，能有效節(jié)省工期。但因其抗震效果較弱，使用此結(jié)構(gòu)的民用建筑高度不超過(guò)7 層。

3 民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題

3.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在缺陷

著眼于工程建筑設(shè)計(jì)整體情況分析，目前在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上還是存在一定缺陷，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)問(wèn)題尤為突出。（1）許多建筑設(shè)計(jì)師在進(jìn)行民用建筑設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)待設(shè)計(jì)工作態(tài)度不嚴(yán)謹(jǐn)，對(duì)于房屋的抗震性能、使用場(chǎng)地等重要環(huán)節(jié)未加以準(zhǔn)確區(qū)分。（2）懸挑等方面未達(dá)到國(guó)家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。（3）停車場(chǎng)空間設(shè)計(jì)過(guò)大，不符合力學(xué)原理及國(guó)家要求的標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，有安全隱患

民用建筑設(shè)計(jì)除了上述整體結(jié)構(gòu)存在缺陷外，還有部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理的問(wèn)題。（1）在設(shè)計(jì)時(shí)底層設(shè)置成較大空間，發(fā)揮抗震功能的墻體數(shù)不足；上部砌體抗震墻與底部框架梁或抗震墻間，有較大部分未對(duì)齊，導(dǎo)致建筑整體結(jié)構(gòu)不合理，傳力混亂。（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算書(shū)數(shù)據(jù)不一致，導(dǎo)致設(shè)計(jì)的墻體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度明顯低于計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)值，導(dǎo)致設(shè)計(jì)出的民用建筑安全隱患大。（3）部分混凝土構(gòu)件（尤其懸挑構(gòu)件）質(zhì)量差，最小配筋率不達(dá)標(biāo)，甚至達(dá)不到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的50%。（4）設(shè)計(jì)中的抗震分類、場(chǎng)地分類錯(cuò)誤，或是設(shè)計(jì)時(shí)的荷載取值未按要求來(lái)確定，出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、遺漏。（5）未重視圖紙的重要性，或圖紙?jiān)O(shè)計(jì)過(guò)于簡(jiǎn)單，導(dǎo)致對(duì)設(shè)計(jì)圖注解不全面，無(wú)法對(duì)施工給出指導(dǎo)性的建議。

3.3 受力性能問(wèn)題

設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確把握整體建筑結(jié)構(gòu)，將建筑空間組合作為重點(diǎn)項(xiàng)目分析。探究該建筑空間組合的特點(diǎn)，不同部位結(jié)構(gòu)的特征，以此來(lái)制定出更有針對(duì)性的設(shè)計(jì)方案，確保建筑受力性能優(yōu)良，建筑的重力方向始終與地面呈“向下”作用。

3.4 基礎(chǔ)選型不合理

地基承載整個(gè)建筑的重力，其施工質(zhì)量無(wú)疑有巨大影響，關(guān)乎整個(gè)建筑。民用建筑設(shè)計(jì)中也要確保選型的科學(xué)性，以確保建筑質(zhì)量。但在設(shè)計(jì)中常出現(xiàn)選型不科學(xué)的情況，導(dǎo)致該建筑的地基承載能力差，甚至發(fā)生不均勻沉降、側(cè)移等，不僅縮短建筑使用壽命，還可能發(fā)生安全事故。

4 某建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施

4.1 擬建工程概況

擬建建筑物包括11 棟住宅樓，2 棟商業(yè)樓，1 棟物業(yè)養(yǎng)老樓，擬建物特征詳見(jiàn)表1。

表1 建筑物工程特征表

4.2 該工程建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施

4.2.1 加強(qiáng)建筑的抗震性設(shè)計(jì)

2.對(duì)比法。把形聲字中形符或聲符相同的形聲字進(jìn)行比較分析的教學(xué)方法。例如可以將“青、精、睛、情、晴、清、請(qǐng)”這一組聲符相同的形聲字進(jìn)行對(duì)比分析，也可將形符相同的形聲字進(jìn)行對(duì)比，例如“祝、福、視、神、社、禮”。通過(guò)對(duì)比分析，可以凸顯彼此之間的差別，加深記憶。類似這樣的形聲字均可按照對(duì)比法進(jìn)行分析。

近幾年來(lái)我國(guó)地質(zhì)結(jié)構(gòu)活躍，尤其是在西部部分地區(qū)中地震發(fā)生頻繁，這對(duì)于建筑領(lǐng)域無(wú)疑是一項(xiàng)較大的考驗(yàn)。結(jié)合《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》分析該場(chǎng)地建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類，特征周期為0.40s。場(chǎng)地?zé)o影響場(chǎng)地穩(wěn)定性的不良地質(zhì)作用，為建筑抗震一般地段。根據(jù)規(guī)范該場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為6°，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g，屬設(shè)計(jì)地震第二組。同時(shí)根據(jù)當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)抗震設(shè)防規(guī)定，本場(chǎng)地建筑抗震設(shè)防烈度按7°考慮，設(shè)計(jì)基本地震加速度值取0.10g。通過(guò)勘測(cè)，并結(jié)合相關(guān)規(guī)定得到有效數(shù)據(jù)。如何提升民用建筑結(jié)構(gòu)的安全性、抗震性，是有關(guān)設(shè)計(jì)人員所探究的重點(diǎn)問(wèn)題。首先，設(shè)計(jì)時(shí)要基于該擬建筑物的11棟住宅樓相關(guān)設(shè)計(jì)要求分析，提出假想性的計(jì)算。其次，還要聯(lián)合該地區(qū)的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造情況等設(shè)計(jì)，考慮到地震等災(zāi)害發(fā)生時(shí)的不確定性、復(fù)雜性，綜合考慮各項(xiàng)因素。通過(guò)綜合提升民用建筑的抗震性能，旨在最大化減少地震等災(zāi)害發(fā)生時(shí)所造成的安全事故，保障人民的財(cái)產(chǎn)及生命安全。

4.2.2 加強(qiáng)建筑剪力墻的設(shè)計(jì)

（1）該項(xiàng)目參考我國(guó)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》7.2.17 條文，明確規(guī)定剪力墻結(jié)構(gòu)性能及強(qiáng)度，確保其水平、豎向配筋率都達(dá)到相關(guān)水平，非抗震設(shè)計(jì)、四級(jí)抗震設(shè)計(jì)的配筋率高于0.20%，一、二、三級(jí)時(shí)高于0.25%。（2）設(shè)計(jì)水平方向剪力中要遵照對(duì)稱原則，確保該墻體剛度、重量核心都能滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，防止出現(xiàn)扭矩，還能有效強(qiáng)化墻體的抗震性能。（3）設(shè)計(jì)時(shí)確保該墻體側(cè)向剛度符合標(biāo)準(zhǔn)，確保充分發(fā)揮出性能。

4.2.3 住宅基礎(chǔ)頂面構(gòu)造邊緣構(gòu)件配筋優(yōu)化

該項(xiàng)目中多棟樓都涉及基礎(chǔ)頂面構(gòu)造邊緣構(gòu)件的配筋偏大，施工過(guò)程中縱筋規(guī)格太多，容易混亂。根據(jù)該問(wèn)題，按照高規(guī)表7.2.16 進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)無(wú)特殊要求縱筋及箍筋（拉筋）進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)外圈箍筋代替剪力墻的水平筋進(jìn)行單獨(dú)表示。以該項(xiàng)目中某號(hào)樓為例，如圖3 所示。

圖3 優(yōu)化前后對(duì)比

4.3 常見(jiàn)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施

4.3.1 建筑結(jié)構(gòu)模型的優(yōu)化

在具體設(shè)計(jì)模型的過(guò)程中，要落實(shí)以下幾點(diǎn)：（1）選擇設(shè)計(jì)變量，整理出主要影響參數(shù)并進(jìn)行預(yù)定計(jì)算，以減少設(shè)計(jì)時(shí)的工作壓力。（2）確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的可靠性，從應(yīng)力、構(gòu)建單位、尺寸、結(jié)構(gòu)體系等諸多方面進(jìn)行約束，設(shè)計(jì)者針對(duì)上述目標(biāo)進(jìn)行約束時(shí)要詳細(xì)參考民用建筑的相關(guān)參數(shù)，確保約束目標(biāo)條件與之要求契合。

4.3.2 優(yōu)化地基基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

進(jìn)行民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，地基基礎(chǔ)的選擇也尤為重要。雖然地基工程屬于較隱蔽的內(nèi)容，但其重要性突出，對(duì)民用建筑整體的高度、安全性都有最為直接的影響。要優(yōu)化地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，選擇科學(xué)設(shè)計(jì)方案。例如在選擇樁基礎(chǔ)時(shí)，要聯(lián)合民用建筑施工場(chǎng)地的地質(zhì)等要素，最終確定最佳樁基類型，以節(jié)約造價(jià)。

4.3.3 合理選擇鋼結(jié)構(gòu)

現(xiàn)階段中鋼結(jié)構(gòu)運(yùn)用廣泛，和傳統(tǒng)鋼筋混凝土相比，它強(qiáng)度高、工期短、質(zhì)量輕，優(yōu)勢(shì)諸多。鋼結(jié)構(gòu)大空間布置能提升建筑控制靈活性，為施工單位、業(yè)主的裝修及設(shè)計(jì)提供方便。此外，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能減少對(duì)水泥、砂石材料的使用，能在降低成本同時(shí)減少環(huán)境污染，提升民用建筑社會(huì)效益。

5 結(jié)論

綜上所述，當(dāng)前民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題較多，如整體設(shè)計(jì)有缺陷、部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、受力性能、基礎(chǔ)選型不合理等。為此，要落實(shí)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，可從以下六點(diǎn)實(shí)施，分別為加強(qiáng)建筑的抗震性設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)節(jié)能型建筑結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)建筑剪力墻的設(shè)計(jì)、民用建筑結(jié)構(gòu)模型的優(yōu)化、優(yōu)化地基基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、重視概念設(shè)計(jì)問(wèn)題。相信在合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)的雙重措施下，可有效滿足人們需求，確保民用建筑的穩(wěn)定及舒適性，還能降低建設(shè)成本提升效益，推動(dòng)建筑行業(yè)蓬勃發(fā)展。