淺談建筑物結構體系的概念設計

司道林

(濟南工程職業技術學院 工程管理學院，山東 濟南 250200)

隨著經濟的發展，我國的中高層建筑也向著高而復雜的趨勢發展，從而產生了越來越多的高層、超高層及一些體型不規則的高層建筑物。這種發展趨勢造成了建筑師更加追求建筑物的外部體型，從而忽略了建筑物結構體系的概念，使建筑師和結構師在建筑結構設計創造方面產生了極大的矛盾和沖突。多次地震災害中房屋的破壞情況均表明：多數建筑物倒塌的主要原因并不是施工的原因[1]，而是由于設計師在設計時對建筑物的結構體系的概念不清楚，設計不合理，從而導致建筑物在地震的作用下產生嚴重破壞。

1 結構體系概念設計的重要性

土建類專業的學生進行建筑物結構體系概念設計的學習，能夠使他們弄懂建筑物受力特征和力學的傳遞特性，使其能夠從整體上把握建筑物結構體系的受力特性，對后續專業課程的學習和應用有著至關重要的作用。

對于剛剛從事建筑結構設計的工程技術人員來說，進行合理的結構體系概念設計的分析，能使其在進行工程設計時合理的選擇建筑物的結構體系形式，正確的運用力學概念分析建筑物各結構構件連接的合理性，明確各結構構件和建筑物主體結構的關系，為下一步進行結構設計做好準備。

2 結構體系概念設計的整體性

在進行建筑物結構體系的概念設計分析的過程中，要從整體性的角度對建筑結構進行全面考慮，其中主要涉及建筑物整體結構形式、局部結構構件和兩者的相互關聯，著重考慮建筑物結構體系形式的選擇對結構整體和關鍵部位結構構件受力變形的影響。

如何理解和把握建筑物結構體系的整體性呢？可以把建筑物看成一個整體，看成為一個總的結構構件。以現在常見的高層建筑為例，可以把高層建筑看作為一個支撐在地面上的豎向懸臂梁[2]。

2.1 受力平衡的角度

從受力平衡的角度分析，高層建筑物在自重、豎向荷載和水平荷載的合力作用下，可以使建筑物自身達到受力平衡。但是，隨著水平荷載作用的增大或者變化，例如，地震作用、風荷載等，必定會導致建筑物產生整體傾覆轉動。根據大量數據表明：只要控制建筑物偏心距不超過某一特定數值，建筑物的自重就能夠保證它的整體傾覆穩定性。因此，我們在進行建筑結構方案設計時就要考慮這一因素，合理控制建筑物的偏心距。

圖1 建筑物整體受力簡圖

對于非規則性的建筑物，由于其結構體系的非對稱性，在抵抗水平荷載作用下的建筑物就比較容易發生扭轉現象。因此，在進行建筑外觀設計時，我們應該遵循均勻、規則、對稱的原則，從結構體系的整體概念上減少建筑物發生扭轉傾覆的概率。

2.2 力的傳遞角度

從力的傳遞角度分析，我們可以把建筑物看成一個整體的空間受力結構，建筑物的內外墻、梁柱、樓蓋、屋蓋等構件不僅是建筑物空間的分隔構件，又是建筑物的結構體系的一部分，從而保證整個結構能夠有效的承擔水平荷載和豎向荷載并按照明確的路線傳至基礎。

把整個建筑物分為水平結構體系和豎向結構體系兩個分結構體系，兩者相互協同工作。水平結構體系主要有梁構件、板構件和梁板組合構件，主要承受豎向荷載和水平荷載，并把所受荷載傳遞分配到豎向結構體系[3]。除此之外，水平結構體系還起著分隔豎向空間和連接豎向結構的作用。豎向結構體系主要有柱構件和墻構件，主要承受水平荷載，并把水平結構體系傳來的荷載進行分配并最終傳遞到基礎。

3 結構體系的協同工作

建筑物中的水平結構體系和豎向結構體系是通過相互連接協同工作的。在現澆鋼筋混凝土建筑中，施工時把水平結構體系中的梁構件和板構件一同澆筑，形成了“T形梁”的梁板組合結構共同抵抗彎矩，如圖2所示。水平結構體系中的梁構件和豎向結構體系中的柱構件剛接形成為框架結構體系，共同抵抗側向力，如圖3所示。

圖2 梁板結構體系

圖3 框架結構體系

由水平結構體系的梁、板構件與豎向結構體系的柱、墻構件共同組成框架-剪力墻空間結構體系，可以更好地抵抗兩個方向的側向力，如圖4所示。由鋼筋混凝土剪力墻澆筑而成的電梯間、樓梯間及其他豎向的設備管道，能夠組成剛性的井筒結構，可以承受豎向荷載，同時更好地抵抗水平荷載。

圖4 框架-剪力墻結構體系

總結構體系和水平分結構體系、豎向分結構體系相互關聯、相互影響。把建筑物看成一個總結構體系，提出細部設計要求，選擇合理的結構體系，使水平荷載和豎向荷載通過分結構體系的相互作用傳遞到建筑物的基礎上。分結構體系的合理設計和分結構體系之間的合理組合會使總結構體系受力更加明確合理，各分結構體系的合理布置能夠增大建筑物的整體抵抗側向力和側移的能力。例如，將建筑物所有現澆鋼筋混凝土外剪力墻連接起來，就相當于在建筑物外側澆筑了一個鋼筋混凝土筒體，這樣就增大了建筑物抵抗水平荷載和扭轉的能力，如圖5所示。把上述結構體系與建筑物內部的電梯間、樓梯間和設備管道井筒等結合起來，可以形成筒中筒結構，既能夠使整個結構有效的抵抗彎矩，也有足夠的抗剪剛度，如圖6所示。

圖5 筒體結構體系

圖6 筒中筒結構體系

對于高層或超高層建筑來說，應該每隔十幾層設置一個設備層[4]，用于安放管道或其他設備。進行概念設計時，我們應該把這些設備層考慮設計成為主要承載的水平結構體系，與豎向井筒相連，形成巨型框架結構，使建筑物的整體性更強，如圖7所示。

圖7 巨型框架結構體系

4 結 語

建筑物結構體系的概念設計對于高等學校土建類專業教師的教學和建筑結構設計工程技術人員都是至關重要的，也是在實際中最容易被忽視的，我們要系統的理解和掌握建筑物結構體系的整體概念[5]，重視結構體系的概念設計，使建筑物的建筑結構設計更加合理可靠。