對建筑結構設計的分析

殷　翔

摘要：建筑結構設計簡而言之就是用結構語言來表達建筑師所要表達的東西。建筑結構語言就是結構師從建筑及其他專業圖紙中所提煉簡化出來的結構元素。就建筑結構設計的原則、內容、設計步驟、計算理論等提出了一些觀點和要注意的問題來指導建筑結構設計。

關鍵詞：建筑結構設計；結構平面圖；整體參數

中圖分類號：TV360文獻標識碼：A

文章編號：1674-1145（2009）12-0144-02

一、建筑結構設計的原則

建筑結構設計的原則是適用、安全、經濟、美觀，同時要便于施工。這5個方面各有所重，又互為矛盾，最優建筑結構設計是這5個方面的最佳結合。結構設計一般在建筑設計之后。結構設計不能破壞建筑設計，建筑設計不能超出結構設計的能力范圍。結構設計決定建筑設計能否實現，在這個意義上，結構設計顯得更為重要。建筑結構設計可分為整體設計和部件設計兩部分。整體設計包括結構體系的選擇、柱網的布置、梁的布置、剪力墻的分布、基礎的選型等。整體設計一般分主體和基礎兩部分進行。設計人員根據建筑物的性質、高度、重要程度、當地的抗震設防烈度、風力情況等條件來選擇合適的結構體系。選定結構體系后，就要具體決定柱、梁、墻(剪力墻)的分布和尺寸等。

在進行主體結構內力計算后，主體結構底截面的內力就是基礎選型和計算的重要依據。進行整體設計后，就要進行部件設計。部件設計是指柱、梁、板、墻(剪力墻)和塊體這5部分的內力和配筋計算。梁和柱一般可看作細長桿件，內力情況與計算體系相符合。

單向板可簡化為單位寬度的梁來計算，雙向板的計算理論也較成熟，異型板的計算較為復雜，應盡量避免。對于單片的剪力墻，一般把它視為薄壁柱作近似計算，有時要考慮翼緣的作用；對于簡體結構中的剪力墻則要用空間力學的方法來計算。塊體不同于梁、柱、板墻，它在空間3個方向的尺寸都比較大，難以視作細長桿件或簡化為平面體系來計算。如單獨基礎、柱的承臺、深梁都是塊體，受力情況很復雜，難以精確分析，所以在計算中往往加大安全系數，以保安全。

目前國內結構設計所用的設計方法是概率極限狀態設計法，作用效應必須小于等于結構抗力，結構要滿足強度條件和位移條件。內力計算采用的力學模型一般是彈性模型，要考慮塑性變形內力重新分布時，往往是利用彈性模型計算所得的內力乘以一個調整系數。手算與計算機算所采用的計算方法、理論、計算模型是有差別的。結構計算的工作量是很大的，采用手算時要在工作量和計算精度之間折中。手算時為減少工作量，受力體系應盡量簡化為平面力系，計算中作一些假設，要利用經驗值和圖表，用計算機進行合理的結構內力計算，需要優秀的結構計算程序。作為結構設計人員應學習計算機所用的計算理論，并要知其所以然。

一個優秀的結構計算程序應該提供程序所采用的計算理論的詳細說明，說明其采用的計算模型、計算假設、適用范圍等。另外，應允許使用者干預計算過程，充分發揮設計者的主觀能動性和創造力。

二、結構設計的基本方法

（一）結構平面圖

當建筑地處抗震設防烈度為6度區時（建造于Ⅳ類場地上較高的高層建筑除外），根據建筑抗震設計規范，是可以不用進行截面抗震驗算但應符合有關的抗震措施要求。那么對于砌體結構來講如果時間不是很充足的話應該可以不用在軟件中建模的，直接設計即可，但要注意受壓和局部受壓的問題。必要時進行人工復核。對于局部受壓的防御措施是要按規定對梁下設梁墊以及設置構造柱等措施。如果時間不是很緊張的話建議還是輸入建模較好，有一個便利就是可以利用軟件來進行荷載導算。另外當建筑地處抗震設防烈度為7度及以上時我的觀點是必須要輸入軟件建模計算的，繪制結構平面圖時如果沒有建模的話就可以直接在建筑的條件圖上來繪制結構圖了，這一步必不可少的是刪除建筑圖中對結構來講沒有用的部分，簡單快捷的方法是利用軟件的圖層功能，直接凍結相關的層。然后再建立新的結構圖層：圈梁層，構造柱層，梁層，文字層，板鋼筋層等等。這樣做的目的是提高繪圖效率，方便在不同結構平面圖間的拷貝移動和刪除。

（二）屋頂結構圖

當建筑是坡屋面時，結構的處理方式有兩種：梁板式及折板式。梁板式適用于建筑平面不規整，板跨度較大，屋面坡度及屋脊線轉折復雜的坡屋面反之，則適用折板式。兩種形式的板均為偏心受拉構件。板配筋時應有部分或全部的板負筋拉通以抵抗拉力。板厚基于構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有大樣示意圖。至于坡屋面板的平面畫法，建議采用剖面示意圖加大樣詳圖的表示方法。

（三）大樣詳圖

大樣詳圖的繪制可以在建筑詳圖的基礎上直接繪制，前提是建筑詳圖要準確無誤。也可以在以前做過的詳圖的基礎上來局部改進繪制。要注意的是在保持建筑外形的前提下盡量地使結構受力和理和施工方便。在標高和外形尺寸上一定要和建筑專業協調一致。需要提醒的是建筑標高和結構標高的關系要搞清楚該減的減，不該減的就不要減。

（四）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一。局部不合適處可以采用折板樓梯。折板樓梯鋼筋在內折角處要斷開分別錨固防止局部的應力集中。閣樓層處的樓梯由于有分戶墻的存在要設置抬墻梁。注意梁下的凈空要求，并要注意梯板寬度的問題。首段梯板的基礎應注意基礎的沉降問題，必要時應設梯梁。

（五）基礎

基礎要注意混凝土的標號選擇應符合結構耐久性的要求。（通常情況下可采用C25）基礎的配筋應滿足最小配筋率的要求（施工圖審查中心重點審查部位）。條基交接部位的鋼筋設置應有詳圖或選用標準圖。條基交叉處的基底面積不可重復利用，應注意調整基礎寬度。局部墻體中有局部的較大荷載時也要調整基礎的寬度（因軟件計算的是墻下的平均軸力）。基礎圖中的構造柱，當定位不明確時應給與準確定位。

三、建筑結構設計步驟

如何正確運用設計軟件進行結構設計計算，以滿足新規范的要求，是每個設計人員都非常關心的問題。以SATWE軟件為例，進行結構設計計算步驟的討論，對一個典型工程而言，使用結構軟件進行結構計算分四步較為科學。

（一）完成整體參數的正確設定

計算開始以前，設計人員首先要根據新規范的具體規定和軟件手冊對參數意義的描述，以及工程的實際情況，對軟件初始參數和特殊構件進行正確設置。但有幾個參數是關系到整體計算結果的，必須首先確定其合理取值，才能保證后續計算結果的正確性。這些參數包括振型組合數、最大地震力作用方向和結構基本周期等，在計算前很難估計，需要經過試算才能得到。

1．振型組合數是軟件在做抗震計算時考慮振型的數量。該值取值太小不能正確反映模型應當考慮的振型數量，使計算結果失真；取值太大，不僅浪費時間，還可能使計算結果發生畸變。

2．最大地震力作用方向是指地震沿著不同方向作用，結構地震反映的大小也各不相同，那么必然存在某各角度使得結構地震反應值最大的最不利地震作用方向。設計軟件可以自動計算出最大地震力作用方向并在計算書中輸出，設計人員如發現該角度絕對值大于15度，應將該數值回填到軟件的“水平力與整體坐標夾角”選項里并重新計算，以體現最不利地震作用方向的影響。

3．結構基本周期是計算風荷載的重要指標。設計人員如果不能事先知道其準確值，可以保留軟件的缺省值，待計算后從計算書中讀取其值，填入軟件的“結構基本周期”選項，重新計算即可。

上述的計算目的是將這些對全局有控制作用的整體參數先行計算出來，正確設置，否則其后的計算結果與實際差別很大。

（二）確定整體結構的合理性

整體結構的科學性和合理性是新規范特別強調內容。新規范用于控制結構整體性的主要指標主要有：周期比、位移比、剛度比、層間受剪承載力之比、剛重比、剪重比等。

1．周期比是控制結構扭轉效應的重要指標。它的目的是使抗側力的構件的平面布置更有效更合理，使結構不至出現過大的扭轉。也就是說，周期比不是要求就構件足夠結實，而是要求結構承載布局合理。

2．位移比是控制結構平面不規則性的重要指標。其限值在《建筑抗震設計規范》和《高規》中均有明確的規定，不再贅述。此外，位移比的大小是判斷結構是否規則的重要依據，對選擇偶然偏心，單向地震，雙向地震下的位移比，設計人員應正確選用。

3．剛度比是控制結構豎向不規則的重要指標。根據《抗震規范》和《高規》的要求，軟件提供了三種剛度比的計算方式，分別是剪切剛度、剪彎剛度和地震力與相應的層間位移比。

4．層間受剪承載力之比也是控制結構豎向不規則的重要指標。其限值可參考《抗震規范》和《高規》的有關規定。

5．剛重比是結構剛度與重力荷載之比。它是控制結構整體穩定性的重要因素，也是影響重力二階效的主要參數。該值如果不滿足要求，則可能引起結構失穩倒塌，應當引起設計人員的足夠重視。

五、滿足規范抗震措施的要求

在施工圖設計階段，還必須滿足規范規定的抗震措施要求。《混凝土規范》、《高規》和《抗震規范》對結構的構造提出了非常詳盡的規定，這些措施是很多震害調查和抗震設計經驗的總結，也是保證結構安全的最后一道防線，設計人員不可麻痹大意。

1．設計軟件進行施工圖配筋計算時，要求輸入合理的歸并系數、支座方式、鋼筋選筋庫等，如一次計算結果不滿意，要進行多次試算和調整。

2．生成施工圖以前，要認真輸入出圖參數，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，鋼筋放大系數等，以便生成符合需要的施工圖。軟件可以根據允許裂縫寬度自動選筋，還可以考慮支座寬度對裂縫寬度的影響。

3．施工圖生成以后，設計人員還應仔細驗證各特殊或薄弱部位構件的最小縱筋直徑、最小配筋率、最小配箍率、箍筋加密區長度、鋼筋搭接錨固長度、配筋方式等是否滿足規范規定的抗震措施要求。規范這一部分的要求往往是以黑體字寫出，屬于強制執行條文，萬萬不可以掉以輕心。

4．最后設計人員還應根據工程的實際情況，對計算機生成的配筋結果作合理性審核，如鋼筋排數、直徑、架構等，如不符合工程需要或不便于施工，還要做最后的調整計算。

六、結語

建筑結構設計是個系統的，全面的工作。需要扎實的理論知識功底，靈活創新的思維和嚴肅認真負責的工作態度。千里之行始于足下，設計人員要從一個個基本的構件算起，做到知其所以然，深刻理解規范和設計原則的要求，并密切配合其他專業來進行設計。在工作中應事無巨細，應善于反思和總結工作中的經驗和教訓。這樣才能設計好一份建筑結構設計，才能取得最優的方案和經濟效益。