建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的問題與解決對策分析

劉紀伍

（恒泰工程咨詢集團有限公司，安徽 合肥 230000）

前言：

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作開展期間，需要嚴格遵循適用性、安全性、經(jīng)濟性、美觀性、環(huán)保性原則。確保選擇的建筑結(jié)構(gòu)體系能夠切實符合業(yè)主的要求，保障建筑工程建設(shè)期間的綜合效益。建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計工作需要遵循建筑設(shè)計原理，但不可完全受制于建筑設(shè)計。結(jié)構(gòu)設(shè)計需要在不破壞建筑設(shè)計的基礎(chǔ)上滿足各類建筑工程建設(shè)要求，也不可超出安全、經(jīng)濟與合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計標準。

一、建筑結(jié)構(gòu)體系

（一）框架結(jié)構(gòu)

建筑工程框架結(jié)構(gòu)內(nèi)部包括梁、柱、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，是一種平面框架體系?？蚣芙Y(jié)構(gòu)需要與承重結(jié)構(gòu)、其他平面框架結(jié)構(gòu)連接在一起，形成空間結(jié)構(gòu)體系。在框架結(jié)構(gòu)應(yīng)用過程中，可對建筑平面布置進行靈活控制。如在外墻中使用非承重構(gòu)件，使建筑立面設(shè)計的可變性更強，可切實滿足建筑工程立面要求與功能要求。

在鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中，梁及柱可借助節(jié)點形成承載結(jié)構(gòu)，施工流程較為便捷。但在建筑層高不斷增長的情況下，水平荷載作用的影響會使框架梁柱構(gòu)件的彎矩值及剪力值增大，導(dǎo)致后續(xù)建筑平面及空間設(shè)計更為復(fù)雜，因此該種結(jié)構(gòu)形式被主要應(yīng)用在非抗震區(qū)域及普通建筑工程中。

（二）剪力墻結(jié)構(gòu)

剪力墻結(jié)構(gòu)主要就是將建筑墻體作為承受豎向荷載、抵抗水平荷載的重要結(jié)構(gòu)體系。墻體也可作為建筑工程內(nèi)部空間規(guī)劃的部件，對建筑工程后期空間規(guī)劃具有直接影響。

通常情況下，建筑工程剪力墻結(jié)構(gòu)的間距一般為3～8 米。在剪力墻結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土材料的情況下，墻體整體性能更好、剛度大、在水平荷載作用下的側(cè)向變形較小，現(xiàn)被廣泛應(yīng)用在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中。

剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能更為顯著，鋼材用量較少，結(jié)構(gòu)頂點水平及層間位移量均能夠被控制在合理范圍之內(nèi)。同時，剪力墻結(jié)構(gòu)還有一定的延性，能夠?qū)⒄駝雍奢d力均勻傳給建筑整體結(jié)構(gòu)，是現(xiàn)階段應(yīng)用較為廣泛的建筑工程結(jié)構(gòu)形式。

（三）框架-剪力墻結(jié)構(gòu)

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)是框架結(jié)構(gòu)與剪力墻結(jié)構(gòu)的結(jié)合體，可充分發(fā)揮出兩結(jié)構(gòu)的應(yīng)用優(yōu)勢，切實保障建筑工程。在該結(jié)構(gòu)中，剪力墻主要肩負起承受水平荷載力的重要職責，框架結(jié)構(gòu)需協(xié)同剪力墻結(jié)構(gòu)，形成更加穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)體系。因剪力墻結(jié)構(gòu)的高度較大，可以承受大部分水平力與側(cè)移變形量，可以從根本上提升結(jié)構(gòu)整體的側(cè)向剛度?？蚣苄璩惺芙ㄖQ向荷載，節(jié)約工程結(jié)構(gòu)應(yīng)用空間。

通過將框架結(jié)構(gòu)與剪力墻結(jié)構(gòu)配合使用，能夠在保障建筑結(jié)構(gòu)抗震能力、承載力的基礎(chǔ)上，提升結(jié)構(gòu)空間規(guī)劃期間的合理性，保障建筑工程整體建設(shè)效果。

（四）簡體結(jié)構(gòu)

建筑中的簡體結(jié)構(gòu)主要有一個和多個簡體組成，用于幫助結(jié)構(gòu)抵抗水平荷載力。簡體結(jié)構(gòu)具備空間受力性質(zhì)，可分為實腹筒與空腹筒兩種形式。其中，實腹筒主要由平面或曲面墻圍成，是三面豎向結(jié)構(gòu)單體。空腹墻則主要由密排樁、窗裙梁以及鋼筋混凝土外墻結(jié)構(gòu)組成，是一種空間受力構(gòu)件。

相較于其他結(jié)構(gòu)體系而言，簡體結(jié)構(gòu)的空間受力性能更為顯著。其內(nèi)部的高度及強度較大，抗風力、抗震性能良好，被主要應(yīng)用在大跨度、超高層建筑工程設(shè)計過程中。

二、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計重要內(nèi)容

現(xiàn)在建筑結(jié)構(gòu)形式種類較多，實際設(shè)計工作更為復(fù)雜。結(jié)構(gòu)設(shè)計重要內(nèi)容主要體現(xiàn)在以下幾方面：

（一）上部結(jié)構(gòu)設(shè)計

上部結(jié)構(gòu)設(shè)計是建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計重要內(nèi)容，需要設(shè)計人員結(jié)合建筑平面設(shè)計方案確定結(jié)構(gòu)體系、明確結(jié)構(gòu)材料、結(jié)構(gòu)平面布置。結(jié)合自身經(jīng)驗確定各構(gòu)件截面尺寸。做好上部結(jié)構(gòu)荷載力計算工作，選擇適宜的荷載效應(yīng)組合形式。

（二）基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計人員應(yīng)當結(jié)合建筑工程地質(zhì)勘查報告及所選擇的上部結(jié)構(gòu)類型、上部結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng)，確定建筑基礎(chǔ)為復(fù)合地基、樁基礎(chǔ)以及獨立基礎(chǔ)形式。為從根本上保障建筑結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性與安全性，還應(yīng)當做好建筑基礎(chǔ)底面積與承載力驗算工作，選擇適宜的基礎(chǔ)內(nèi)力以及配筋方式。

（三）建筑結(jié)構(gòu)布局設(shè)計

在建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計期間，結(jié)構(gòu)布局的科學性與合理性也可直接影響到建筑整體性能，如建筑結(jié)構(gòu)布局平面，豎直面規(guī)則度、剛性等設(shè)置水平會使建筑工程整體承載力及力學性能發(fā)生變化。為從根本上保障建筑工程結(jié)構(gòu)整體設(shè)計效果，建筑結(jié)構(gòu)布局中的各構(gòu)件分布應(yīng)當保障規(guī)則且對稱，要求建筑中心及剛度中心始終處于重合狀態(tài)。豎直建筑結(jié)構(gòu)布局需采用合理方式降低建筑重點，避免建筑工程出現(xiàn)錯落問題，對工程后續(xù)抗震性能造成嚴重不利影響；建筑結(jié)構(gòu)墻體、支撐柱等強度及剛度需要滿足實際設(shè)計標準，確保此關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的抗震等級符合現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范；做好抗震等級設(shè)定工作，確保建筑工程能夠在不同地震情況下就能夠保障完整安全。與地質(zhì)勘查部門進行密切溝通，結(jié)合地區(qū)歷史地震發(fā)生資料，確定建筑結(jié)構(gòu)抗震等級。

三、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計存在問題

（一）參數(shù)設(shè)計不合理

現(xiàn)代建筑工程建筑結(jié)構(gòu)體系較為復(fù)雜，為從根本上保障結(jié)構(gòu)設(shè)計水平，還需要在具體設(shè)計工作開展期間做好參數(shù)設(shè)置工作。由于部分設(shè)計人員在開展建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計期間對參數(shù)設(shè)置不熟練，導(dǎo)致后期施工質(zhì)量及安全，無法得到根本上保障。例如，在開展高層建筑樓板設(shè)計工作時，由于在設(shè)計板厚過程中存在較大偏差問題，沒有細致考慮彎矩荷載，也沒有結(jié)合建設(shè)工程整體情況對樓板參數(shù)性能進行測算分析，導(dǎo)致樓板結(jié)構(gòu)性能參數(shù)不合理，在后續(xù)施工期間檢查會出現(xiàn)變更問題。

（二）結(jié)構(gòu)選型不適宜

在建筑設(shè)計工作開展期間，結(jié)構(gòu)設(shè)計工作可直接影響到建筑工程綜合建設(shè)效益。但就目前來看，建筑結(jié)構(gòu)選擇不合理，地基及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)承載力與穩(wěn)定性無法從根本上保障，在建筑工程建設(shè)與運營期間極易出現(xiàn)以及沉降不均勻或者基礎(chǔ)側(cè)向位移等問題，嚴重影響到建筑工程全壽命運營周期。

（三）設(shè)計管理力度有待提升

在開展建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中，設(shè)計人員專業(yè)水平及職業(yè)素養(yǎng)也可直接影響到建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計水平。部分建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計人員存在專業(yè)技能與職業(yè)素養(yǎng)不達標問題，難以從根本上保障實際設(shè)計效果。隨著科技技術(shù)發(fā)展加快，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計階段涌現(xiàn)出了諸多功能完善的設(shè)計軟件，在保障建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計效率的基礎(chǔ)上，還能夠切實減輕設(shè)計人員工作量。但由于部分設(shè)計人員無法正確操作設(shè)計軟件，導(dǎo)致工程整體設(shè)計水平始終處于有待提升階段。

四、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

（一）加強抗震設(shè)計管控力度

建筑工程體系為多種延性分體系，不同分體系需要使用有效的延性連接方式，以從根本上保障結(jié)構(gòu)整體抗震效果。以建筑工程中的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)為例，該結(jié)構(gòu)主要就是將框架與剪力墻結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起。在地震等級較大的情況下，如單一分體系受到破壞，其他分體系依然可以保障建筑結(jié)構(gòu)整體完整性，形成多道抗震防線。建筑結(jié)構(gòu)可借助設(shè)置多道抗震防線來抵御地震破壞力，避免建筑在較強地震作用下出現(xiàn)倒塌問題。通過將多個分體系連接在一起，如使用剪力墻連梁結(jié)構(gòu)，降低地震破壞作用下的建筑物整體塑性變形度，從根本上保障建筑主體結(jié)構(gòu)的完整性。構(gòu)優(yōu)化工作，有效控制柱體結(jié)構(gòu)截面積，滿足建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部空間使用需求。

（二）合理設(shè)置建筑結(jié)構(gòu)高度

建筑工程中，鋼梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍較廣，經(jīng)常會面對對比分析鋼骨混凝土柱、混凝土梁與鋼管混凝土柱應(yīng)用性能的情況。通過使用鋼梁組合樓蓋結(jié)構(gòu)，能夠切實控制量數(shù)截面，滿足建筑結(jié)構(gòu)凈高度使用要求。通過在結(jié)構(gòu)中庭洞口中交錯布置鋼梁，也可切實提升施工效率，有效控制建筑標準層室內(nèi)梁高，室內(nèi)部凈高度可高出150～200 毫米。現(xiàn)階段鋼梁構(gòu)件多數(shù)由工廠預(yù)制加工、現(xiàn)場統(tǒng)一拼裝即可，能夠有效控制工程施工期間的垃圾產(chǎn)出量，進一步縮短工程施工周期。

（三）做好建筑荷載計算工作

建筑工程建設(shè)成本巨大，在結(jié)構(gòu)設(shè)計期間需重點關(guān)注建設(shè)期間的綜合效益。要求在建筑地下室設(shè)計期間，應(yīng)當切實滿足功能性、安全性要求，著重分析人防等荷載力，進行合理的平面布置工作。通過對比分析各類設(shè)計方案，發(fā)現(xiàn)在常規(guī)柱網(wǎng)為8.5 米×8.5 米的情況下，建筑荷載增大。使用大板結(jié)構(gòu)時，建筑物的含鋼量最低、經(jīng)濟效益最好。

為切實保障建筑建設(shè)及后期運營水平，還應(yīng)當配合使用先進的設(shè)計軟件，對建筑工程結(jié)構(gòu)荷載力進行模擬計算分析。發(fā)現(xiàn)存在于建筑結(jié)構(gòu)建設(shè)過程中的危險因素，選擇適宜的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，從根本上提升結(jié)構(gòu)荷載力承受水平，確保建筑工程可實現(xiàn)安全可靠運營目標，抗震性能與經(jīng)濟性能符合實際設(shè)計要求。

（四）選擇適宜建筑結(jié)構(gòu)體系

如建筑工程以混凝土材質(zhì)為主，工程結(jié)構(gòu)不僅為受力體系，也為荷載傳遞體系，與建筑工程實際運營期間的安全性及可靠性關(guān)聯(lián)密切。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作開展時，還需要著重分析建筑物施工材料性能、建筑整體功能、建筑施工場地及環(huán)境要素。由于建筑工程抗震性能會受各類因素影響，因此需要在設(shè)計工作開展期間選擇適宜的建筑結(jié)構(gòu)體系。

就目前來看，建筑工程結(jié)構(gòu)體系種類較多，不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點顯著。如在建筑工程中使用剪力墻結(jié)構(gòu)，能夠從根本上提升工程整體承載力及側(cè)向剛度，但由于其體積較大，無法適應(yīng)大空間布置要求?？蚣芙Y(jié)構(gòu)布置靈活性較強，但在應(yīng)用在剪切變形的柔性建筑結(jié)構(gòu)中，抗震效果無法達到理想目標。因此現(xiàn)階段建筑工程抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計工作多采用剪力墻與框架相結(jié)合的方式，通過充分發(fā)揮出此兩種結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，穩(wěn)定提升工程整體抗震水平?？蚣?剪力墻建筑結(jié)構(gòu)體系應(yīng)用時，由于框架及剪力墻結(jié)構(gòu)自身的剛度差異性較大，導(dǎo)致建筑工程在地震作用影響下的結(jié)構(gòu)會呈現(xiàn)出不同大小的位移，因此需要在設(shè)計期間著重關(guān)注兩結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)性。

在建筑工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與選擇方案期間，需要保障結(jié)構(gòu)體系簡單、實用，能夠充分承受來自地震荷載的變形力與沖擊度，使各構(gòu)件相互協(xié)調(diào)配合，保障整體結(jié)構(gòu)共同支撐水平。著重加固處理建筑工程薄弱之處，提升建筑工程布局合理性。舉例說明，在建筑工程為高層的情況下，可使用純剪力墻結(jié)構(gòu)，最大限度增強建筑工程抗震水平。在建筑工程為綜合體的情況下，可使用簡體結(jié)構(gòu)，滿足工程整體使用性能。

（五）加強建筑工程設(shè)計環(huán)節(jié)管控力度

依照現(xiàn)行規(guī)定開展建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計工作，確保設(shè)計方案具有較高的合規(guī)性與適用性，能夠與社會發(fā)展水平保持一致?，F(xiàn)階段建筑工程所呈現(xiàn)出的政策性、綜合性更加顯著，因此需要加強設(shè)計環(huán)節(jié)管控力度。著重考量建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)的經(jīng)濟效益，最大限度提升工程建設(shè)與運營期間的資源利用率，切實保障建筑工程建設(shè)全過程社會效益與環(huán)境效益；采用合理設(shè)計方式提高建筑空間利用率，有效緩解土地資源稀缺問題，有序推動建筑行業(yè)可持續(xù)發(fā)展進程。

在建筑工程設(shè)計期間注重使用可再生能源與清潔性能源。結(jié)合地區(qū)地質(zhì)環(huán)境與氣候條件特征，對建筑施工方案進行進一步優(yōu)化，確保建筑空間合理，通風及采光效果良好。建筑工程師的工作也需要具有一定的安全預(yù)見性。著重關(guān)注建筑防火與抗震設(shè)計工作，在建筑工程內(nèi)配備功能完善的傳感器設(shè)施，及時預(yù)警火災(zāi)問題出現(xiàn)，從根本上保障建筑用戶核心利益。

在建筑工程設(shè)計工作開展過程中，需要著重分析工程施工難易程度、工程運行期間的適用性，確保設(shè)計出的建筑結(jié)構(gòu)能夠更好滿足工程建設(shè)效益最大化目標。具體來說，在設(shè)計方案選擇過程中，應(yīng)當著重分析建筑結(jié)構(gòu)施工材料運輸條件，設(shè)置合理的施工現(xiàn)場材料及機械設(shè)備存放場地。著重關(guān)注建筑工程施工材料設(shè)計工作，要求選擇出的施工材料應(yīng)當具有較強的耐受性、耐久性以及抗磨損性能。注重分析建筑工程建設(shè)期間材料選擇標準，增強建筑工程建設(shè)細節(jié)涉及管控力度。要求在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作開展期間，還需要嚴格控制建筑結(jié)構(gòu)裂縫問題發(fā)生幾率，保障建筑結(jié)構(gòu)受力合理。

進一步加強設(shè)計人員專業(yè)水平與職業(yè)素養(yǎng)，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計人員能夠正確認知到存在于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的各類問題，針對此些問題制定出專項可行的解決方案。做好設(shè)計人員培養(yǎng)工作，不斷更新設(shè)計人員結(jié)構(gòu)設(shè)計體系。

總結(jié)：

總而言之，隨著建筑行業(yè)發(fā)展速度不斷加快，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作難度日漸增長。為從根本上提升建筑工程建設(shè)期間的綜合效益，還需要加強建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)管控力度。細致分析存在于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的各類問題，制定出專項可行解決方案。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作是保障建筑工程建設(shè)質(zhì)量的重要基礎(chǔ)，還需要設(shè)計人員結(jié)合建筑工程具體建設(shè)要求，選擇適宜的建筑結(jié)構(gòu)形式。從根本上提升設(shè)計人員專業(yè)水平，降低結(jié)構(gòu)設(shè)計問題發(fā)生幾率。