淺談結構設計的三階段

摘 要 建筑工程的結構設計周期可分為三個階段：結構方案階段、結構計算階段和施工圖設計階段。本文重點介紹了這三個階段所涉及的內容和一些應該注意的問題，為作者在建筑設計院工作近三年的一點心得和體會。

關鍵詞 結構方案；結構計算；施工圖設計

1、概述

結構設計要求設計者有良好的基礎知識，熟悉結構規范、了解結構構造并能用施工圖很好的表達出設計意圖。一個工程的結構設計周期分為三個階段：結構方案階段、結構計算階段和施工圖設計階段。結構方案階段要根據建筑的重要性、抗震設防烈度、建筑的高度來確定結構形式，方案階段強調概念設計，整體把握；結構計算階段要確定計算軟件，選取合理的設計參數，配合其他專業進行結構建模、計算和調整，計算完畢需對計算結果的合理性和可靠性進行分析；施工圖設計階段是將設計內容用圖紙表達出來。本文將針對上述三個階段進行詳細的描述。

2、結構方案階段

在本階段，結構工程師要根據各種結構形式的適用范圍和特點來選擇最佳結構形式，要注意規范中對于各種結構形式的界定，清楚各種結構形式的使用范圍，使結構方案盡量滿足建筑要求，并考慮合理性和經濟性。

2.1 高層建筑結構體系

1）框架結構

框架結構由立柱、梁和樓板一起形成的空間受力體系。優點是建筑平面布置靈活，立面設計方便；缺點是剛度小，水平側移較大。主要適用于非抗震區和層數較小的建筑。

2）剪力墻結構

剪力墻結構是用剪力墻作為承受豎向荷載、抵抗水平荷載的結構體系。剪力墻結構剛度大、空間整體性好，側向變形小，適用于建造較高的高層建筑。

3）框架-剪力墻結構體系

框架-剪力墻結構體系由框架和剪力墻組成。剪力墻主要承受水平力，是抗側力的主體，框架則以承受豎向荷載為主。剪力墻克服了純框架結構抗側剛度低的缺點，框架則彌補了剪力墻結構布置不靈活的不足。框架-剪力墻結構普遍用于較高的賓館和辦公樓等公用建筑中。

4）筒體結構體系

筒體結構體系由一個或多個筒體為主抵抗水平力，筒體是一種空間受力構件，分實腹筒和空腹筒兩種類型。筒體結構具有很大的剛度，抵抗水平荷載能力很強，往往用于大跨度、大空間或超高層建筑。

2.2 結構選型的內容和要求

結構選型主要包括：選擇合適的基礎結構、豎向和水平承重結構。設計者要求對各種結構的受力特點及適用范圍有較好的了解。選定的結構體系應符合以下要求：

（1）建筑場地宜選有利地段，避開不利地段，遠離危險地段，避免土質液化及地基土不均勻沉陷災害；

（2）平面和立面形式簡單、對稱、規則，減小偏心

（3）抗側力構件和質量分布在同層平面內宜基本對稱，相鄰層剛度和質量變化宜緩慢；

（4）地震區的高層建筑應具備多道抗震防線，有足夠的承載力、剛度和延性；

（5）施工簡便可行，經濟合理且與周邊環境和諧。

3.結構計算階段

3.1 結構建模步驟

結構整體建模是結構計算關鍵的一步，要保證結構模型與實際相符，如層高、傳力關系、邊界條件等，除此之外還要注意以下問題：

（1）檢查原始數據是否有誤，是否遺漏荷載；

（2）計算簡圖是否與實際相符，計算程序是否選擇正確；

（3）荷載是否準確，復核輸入的荷載如建筑隔墻、電梯吊鉤、消防水箱和特殊房間荷載等；

（4）計算參數必須逐一復核，使之與實際相符。

3.2 計算結果判斷

建模計算完成后，需要對計算結果進行判斷，看建模和計算分析是否合理。通過計算結果查看陣型曲線是否光滑連續，零點位置是否符合一般規律；位移曲線應上下漸變，位移值滿足規范要求。高層建筑結構主要有如下控制參數：

（1）位移比

《高層規程》3.4.5規定：在考慮偶然偏心影響的地震作用下，A級高度高層建筑的位移比不宜超過1.2，不應超過1.5；B級高度高層建筑的位移比不宜超過1.2，不應超過1.4。

（2）周期比

《高層規程》3.4.5規定：A級高度高層建筑的周期比不應大于0.9，B級高度高層建筑的周期比不應大于0.85。

（3）剛度比

《高層規程》3.5.2規定：

1）對于框架結構，樓層與相鄰上層的側向剛度比不宜小于0.7，與相鄰上部三層剛度的平均值的比值不宜小于0.8。

2）對于框架剪力墻結構，剪力墻結構、筒體結構，樓層與相鄰上層的側向剛度比（考慮層高修正）不宜小于0.9；當本層層高大于相鄰上層層高的1.5倍時，側向剛度比不宜小于1.1；對于結構底部嵌固層，側向剛度比不宜小于1.5。

（4）層間受剪承載力之比

《高層規程》3.5.3規定：A級高度高層建筑的樓層抗側力結構的層間受剪承載力不宜小于相鄰上一層受剪承載力的80%，不應小于相鄰上一層受剪承載力的65%；B級高度高層建筑的樓層抗側力結構的層間受剪承載力不應小于相鄰上一層受剪承載力的75%。

（5）剪重比

剪重比在某種程度上反應了結構的剛柔程度，剪重比太小，說明結構整體剛度偏柔，在地震力下的位移過大；剪重比太大，說明結構整體剛度偏剛，會引起很大的地震內力，不經濟。《高層規程》4.3.12規定了結構各樓層的最小地震剪力。

（7）層間位移角

限制高層建筑的層間位移角主要目的有兩點：一是保證主體結構基本處于彈性受力狀態；二是保證填充墻和各種管線等非結構構件完好，避免產生明顯的損傷。

4、施工圖設計階段

結構施工圖的基本要求是：圖面清楚整潔、標注齊全、構造合理、符合國家制圖標準及行業規范，能很好的表達設計意圖，并與計算書一致。結構施工圖的內容主要包括：圖紙目錄、結構設計總說明、基礎結構布置圖、各樓層結構配筋圖、豎向構件定位以及配筋圖及結構大樣等。結構施工圖應該注意如下問題：

4.1 結構設計總說明

結構設計總說明是結構施工圖紙非常重要的一部分，它反映了一個工程的總體情況、說明了一些常用結構構造的做法、介紹了工程的某些特殊情況。撰寫結構設計總說明需要注意的問題有：總說明所列自然條件是否與有關部門提供的設計原始資料一致；所列設計規范是否有遺漏或者過時作廢的；常用荷載超過荷載規范的規定是否有依據；當采用新技術、新材料、新工藝時，應予以補充說明；說明應針對工程的具體情況，內容簡單明了。

4.2 違反規范強制性條文

圖紙中常見的違反“強條”有：受力鋼筋不滿足最小配筋率要求；混凝土結構的抗震等級選擇錯誤；框架梁端截面的底面和頂面縱向鋼筋截面面積的比值，一級抗震小于0.5，二、三級抗震小于0.3；框架梁加密區的箍筋間距大于梁截面高度的1/4；梁端縱向鋼筋配筋率大于2%時，箍筋直徑沒有比規定的構造數值加大一級等等。設計人員應該精讀規范黑體字部分，避免在施工圖中違反強制性條文規定。

4.3 其他圖紙問題

（1）梁上部縱筋的凈距不符合規范，上部縱筋過密會給混凝土的振搗帶來困難；

（2）梁的配筋率不合適，配筋率過大說明梁截面偏小，反之說明梁截面偏大，梁的配筋率控制在1.5%～2.5%；

（3）主梁底標高高于次梁底標高。這種情況往往是由于涉及周期不合理，設計人員頻于趕任務造成，現場一旦按圖施工其實際受力狀態與設計假定不符，造成結構不安全；

（4）次梁跨度較大時，應該驗算其撓度。

5、總結

本文介紹了建筑結構設計的三個階段：結構方案階段、結構計算階段和施工圖設計階段。結構方案階段著重分析了不同結構體系的特點和適用范圍，指出了結構選型的基本要求；結構計算階段介紹了利用軟件進行結構分析的基本過程以及計算結果的判斷；施工圖階段則總結了結構施工圖的繪制要求和容易出現的問題。以上是作者在設計院工作三年的一點心得和體會，希望能對剛接觸結構設計的新人有所幫助。

參考文獻

[1] JGJ3-2002 高層建筑混凝土結構技術規程

[2] 孫海林，手把手教你建筑結構設計，北京：中國建筑工業出版社