建筑結構設計全過程解析

劉 瀏

（南京金宸建筑設計有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引言

在建筑設計院的設計工作中，結構設計是主要的專業設計之一。結構工程師究竟是做什么的，結構設計的主要工作內容有哪些呢。本文從結構設計工作實踐出發，對結構設計的主要工作內容進行一次梳理、解析和總結。一般結構設計分為三大步驟，建筑方案設計、初步設計和施工圖設計。

1 結構設計準備

結構工程師首先通過建筑方案圖，對項目有個初步了解，包括項目的地理位置、建筑規模、建筑類型等；具體到單體建筑的平、立、剖面圖等。這個階段需要就建筑結構方面配合建筑師進行方案設計。其次熟悉工程的地質勘察報告，勘察報告上要注意的關鍵內容和信息包括：

（1）地勘報告中關于場地的地形地貌、地質構造與環境地質條件，場地土層分布規律及土層工程特性。

（2）場地水文地質條件，場地地下水類型、透水性評價，地下水對建筑材料的腐蝕性評價。

（3）巖土層承載力及變形參數情況，以此確定基礎形式。估算建筑柱底荷載或剪力墻荷載，再根據地基承載力，確定基礎形式，如天然地基獨立基礎、條形基礎、筏板基礎、樁基礎、樁筏基礎、復合地基等；也可以參考報告中建議的基礎形式及承載力計算值。

（4）關注場地有無不良地質作用以及對工程的危害性；關注場地穩定性與適宜性評價、場地的地震效應評價，特別注意抗震烈度、設計地震分組等參數。

（5）需要判斷地下室是否需要抗浮設計，應關注抗浮設計水位的取值。

（6）對于深基坑基礎，應關注基坑開挖與支護的相關情況，對地質條件可能造成的工程風險要有預判及應對的措施。

2 結構初步設計

在建筑方案設計之后，要做初步設計。初步設計是對結構整體及各部分方案進行初步確定、布置和計算，判斷結構計算指標是否滿足規范的要求。如果是高層建筑，還要判斷結構是否超限，如果結構超限，需做超限專項審查，協調配合甲方，組織專家進行審查。

在結構方案的確定過程中，結構工程師需要面對的關鍵問題就是確定建筑的結構類型和結構體系。常見的結構類型包括混凝土結構、鋼結構、砌體結構、木結構等。在各類建筑物中應用最廣泛的混凝土結構，它的結構體系分為：框架結構、剪力墻結構、部分框支剪力墻結構、框架—剪力墻結構、框架-核心筒結構、筒中筒結構以及板柱-剪力墻結構等。鋼筋混凝土的不同結構體系有如下應用：

（1）對于常見的民用類建筑，諸如辦公樓、學校、醫院、商場、圖書館等需要較大的開間的建筑，當房屋高度不超過按抗震烈度要求的限值時（如7度區60m，按規范確定），一般采用框架結構；當房屋高度較高時，可選擇框架-剪力墻結構。

（2）對于高層公寓、住宅、辦公、酒店等民用建筑，開間要求較小，一般選擇剪力墻結構。有些高層建筑的底部樓層因布置諸如商業、大門廳等功能區域，需要大空間，一般采用部分框架—剪力墻結構。

（3）對于高度較高甚至超高的高層建筑，一般采用框架-核心筒結構或筒中筒結構，這類結構體系抗側剛度較強，適應超高層建筑抗震、抗風的需要。

在結構類型和結構體系確定之后，結構工程師應布置結構的柱網和確定結構樓蓋的形式。結構合理布置柱網應注意以下幾點：

（1）柱網布置應結合建筑平面布置及建筑功能的需要，盡可能規則布置，柱網距離宜平均，柱網從上到下宜對應，避免不必要的轉換。

（2）多層框架結構不宜采用單跨框架，宜避免布置少墻框架結構、短肢墻結構，多層建筑可考慮異形柱框架結構，諸如別墅、花園洋房之類的建筑。

（3）合理控制柱網間距，常規的柱網8m～9m，大跨柱網（一般超過12m）可考慮采用鋼梁、鋼骨混凝土梁、鋼骨混凝土柱等。

結構樓蓋形式的確定注意以下幾點：

（1）布置主梁而不布置次梁的樓蓋，主要用于地下室頂板作為上部結構崁固端的情況下，樓蓋面內剛度較大，利于傳遞水平剪力，也能夠滿足崁固端的剛度比要求。

（2）布置主梁而且布置次梁的樓蓋，通常有單向主次梁，單向雙次梁、井字梁、十字梁等形式。這種樓蓋形式最常見，適用于大多數條件下的平面樓層，從經濟性的角度來看，單向板板跨宜為3m左右，雙向板板跨宜為4m左右。

（3）既不布置主梁也不布置次梁的樓蓋，這種樓蓋板一般是空心樓板，厚度較大，但是又比布置主梁的高度小，有利于滿足樓層凈高的使用需要，但是計算方法較復雜，對設計的要求較高，特別是板柱節點設計是關鍵，需要設置柱帽、暗梁等加強構件。這種樓蓋一般常用于地下車庫，大空間的商業建筑等[1-3]。

在結構的初步方案確定后，就可以建模進行結構計算。計算時，要按照規范要求以及地勘報告提供的相關參數，選擇合理的控制指標，對計算結果進行分析判斷，需要重點關注的計算結果包括：結構的平動周期、扭轉周期、結構周期比、結構層間位移角、層間位移比、樓層受剪承載力、剛度比、豎向構件的軸壓比、主要構件的配筋率等。通過對這些指標分析，來判斷結構方案是否合理、是否滿足規范的相關要求，進而對結構方案再做進一步優化。

當結構方案確定之后，初步設計要形成文本，內容包括初步設計說明、結構基礎布置圖、豎向構件（框架柱、剪力墻）布置圖、各層樓面布置圖、結構初步計算書等。

3 結構施工圖設計

施工圖設計是結構設計的關鍵階段和主要成果，是現場施工的依據，工作量最大，也是設計工期最長的部分。施工圖設計過程中，結構工程師要與建筑、人防、電氣、給排水、暖通等各專業的工程師進行密切配合，要滿足各專業的相關條件，因為涉及結構的整體以及局部安全、建筑功能使用的適用性和建設成本的經濟性，設計過程中要嚴謹，認真，精益求精。

一個工程項目完整的施工圖應包括施工總說明、基礎部分、地下室部分、豎向構件、各樓層平面、樓梯、坡道大樣等幾個主要部分。需要二次設計部分，圖紙上應注明位置以及相關要求。各分部分的主要內容即是模板圖和配筋圖。在這幾個部分之間，基礎部分往往需要最先完成。這是因為施工圖設計往往需要一定的周期，特別是對大體量的建筑綜合體，或者分期建設的項目，設計周期較長，為了節省工期，流水作業，結構基礎設計可以提前，甚至基礎圖紙可以提前報審查，基礎審查通過后，現場可以先施工結構基礎，特別是對于樁基礎而言，試樁，打樁都需要一定的工期，這種情況下，在建筑方案基本確定的情況下，完全可以考慮樁基礎設計提前完成，然后現場先進行打樁施工。結構總說明也是結構施工圖的一部分，而且是首要部分，對施工圖具有總領作用，對現場施工具有總指導性的作用。它應該包含的內容有：

（1）工程概況：包括工程場地位置，建筑使用功能，地下、地上層數，總高度，各單體的抗震等級，結構體系崁固端位置等；

（2）設計依據：主要是指采用的現行主要規范和規程、地質勘察報告等；

（3）結構設計正常使用年限、結構安全等級、抗震烈度、風荷載取值、雪荷載取值等；

（4）地基基礎設計等級，基礎設計類型，場地條件、持力層情況及地下水情況等；

（5）材料選用：包括砌體材料、混凝土強度等級、鋼筋和鋼材強度等級、地下防水等級要求；

（6）混凝土構件構造要求：鋼筋搭接、錨固長度、接頭率、接頭方式，各構件混凝土保護層厚度要求，混凝土耐久性要求，防火要求，防雷接地做法等；砌體施工要求；

（7）后澆帶設計要求、沉降觀測要求；預埋構件預留孔洞設計要求；地下室設計相關要求；

（8）人防設計相關要求；

（9）綠建設計專篇；

（10）危險性較大的分部分項工程設計專篇等。

4 結構計算書

本質上講，結構計算書也屬于施工圖的一部分，因為結構計算書是結構設計的依據，它也是施工圖審查的重要內容。結構計算的正確性、合理性、合規性缺一不可，因此重視結構計算以及結構計算書的整理，對提高整個設計質量和準確性，以及滿足審查要求，具有關鍵作用。

整理、匯總結構計算書時，需要注意的問題是：

（1）計算書不要漏項，計算書應整理目錄，把各項內容與設計圖紙一一對應；包括電算文本信息（設計總信息、周期、位移）、電算圖形文件（平面簡圖、荷載輸入簡圖、梁，板，柱配筋簡圖）、基礎計算參數、樁設計、抗浮錨桿設計、底板設計（反力、配筋、沖切、局壓驗算）、抗浮驗算、沉降驗算、地下室外墻計算、樓梯計算等。

（2）明確構件配筋的控制原則，比如地下室外墻、地下室頂板等構件，須同時滿足強度控制、裂縫控制或人防控制等條件，應同時提供幾種控制條件下的計算文件。

（3）結構構件計算模型或原理應準確合理，比如地下室外墻應按壓彎構件計算，穿層柱、夾層柱應按實際長度確定計算長度系數，梁與剪力墻平面外連接應設鉸支座、墻內設置暗柱等。

5 結構施工圖報審

毫無疑問，施工圖報審是結構設計關鍵環節，也是結構工程師的重要工作，通過審查以后，施工圖設計成果才能交付施工。審圖專家將對設計內容進行詳細審查，檢查是否滿足現行的各種國家規范、標準，行業或地區標準等，以及對設計的合理性提出意見等。需要指出的是，施工圖審查是全專業同時進行的，建筑、結構、設備各專業同時報審。

6 施工驗收

施工圖報審合格通過后，在施工過程中，有幾個分部工程需要結構工程師到現場參與驗收。

6.1 鋼筋驗收

鋼筋驗收包括：

（1）鋼筋錨固，主要是檢查鋼筋錨固的長度是否滿足圖紙要求；

（2）鋼筋數量與直徑，要檢查與圖紙是否一致；

（3）鋼筋間距，按梁、板、柱、墻等各構件分別檢查是否滿足圖紙的要求；

（4）鋼筋保護層，按梁、板、柱、墻等各構件分別檢查是否滿足圖紙的要求；

（5）箍筋設置是否與圖紙相符；（6）墻體、樓板內是否按圖紙要求設置拉結筋；

（6）后澆帶位置鋼筋是否按圖紙加強；

（7）梁、柱內鋼筋接頭部位、鋼筋連接方式、鋼筋搭接長度及接頭率是否滿足規范要求；

（8）各批次的鋼筋是否有合格證以及試驗報告。

6.2 驗槽

驗槽是在施工現場基坑開挖完成以后，基礎底板施工之前，需要結構工程師現場驗收的一個步驟。驗槽時需確認基坑土層實際情況是否與地勘報告中土層情況相符，并核實現場地基土層有無軟弱土層、暗塘、溶洞等異常情況；原鉆探孔深度及數量是否需設計需要，是否需要補充勘探，原基礎設計是否需修正。基坑持力層的承載力檢測值是否達到設計時采用的地勘報告提供的取值，持力層是否有差別，現場需會同勘察負責人員共同確認；基坑開挖深度是否與設計深度一致，是否超挖，超挖處理措施是否到位，基坑尺寸是與圖紙一致，軸線定位是否有偏差等；基坑是否有積水，基底土層是否被攪動；基坑降水、基坑支護是否按要求施工到位，有無安全隱患等。

6.3 主體驗收

結構主體驗收，是在結構主體施工完成以后，組織各參與方的對結構各個部分進行總體的、全面的驗收，結構工程師主要注意的內容有以下幾方面：

（1）對結構整體及各構件的施工質量有個總體的判斷，主要從觀感、外觀平整度，美觀度等方面去觀察。各混凝構件尺寸是否達到設計要求，其混凝土澆筑成形質量如何，是否有蜂窩麻面、露筋等現象，是否有修補的痕跡，如有應問清修補的原因，是否有對結構受力，結構耐久性甚至安全有影響。

（2）砌體工程的砂漿是否飽滿，砌體的放樣是否平直，墻面是否平整。砌體中的構造柱是否設槎，框架梁下砌體是否密實，圈梁是否按要求設置。墻面的砂漿找平層厚度是否過厚。墻面是否按要求設置鋼絲網片等。

（3）各專業設備預埋件是否按圖埋設，插筋是否預留；衛生間、廚房間樓板標高是否與圖紙相符，預留洞是否留設，對后封的洞口內板鋼筋是否預留等。

（4）察看施工過程中的結構沉降記錄，是否有過大的沉降差異。每層增加的沉降量，及各觀測點間的沉降差如何。

（5）查看施工記錄，各種材料合格證，試件的強度檢驗報告等。

對于在主體驗收過程中，發現有不滿足圖紙設計要求或達不到設計要求的效果，結構工程師應提出問題以及整改的意見，協同各參與驗收單位，要求施工單位進行整改，直至施工效果滿足設計要求為止。

7 竣工驗收

竣工驗收是工程驗收的最后一關了，是指在工程項目竣工后，由甲方組織，會同建設、設計、施工、設備供應單位及工程質量監督等部門，對該項目是否符合規劃設計要求以及建筑施工和設備安裝質量進行全面檢驗后，總結整個建設過程的經驗，取得竣工合格資料、數據和憑證的過程。

竣工驗收，是全面考核建設工作，檢查是否符合設計要求和工程質量的重要環節，應該指出的是，竣工驗收是建立在分階段驗收的基礎之上，前面已經完成驗收的部分一般在房屋竣工驗收時就不再重新驗收。

8 結束語

以上就是結構工程師的主要工作。當然，一個工程師可能在同一時間接手兩個甚至多個項目，各個項目可能處在不同階段，以上的工作內容可能是交叉進行的，這對一名合格甚或優秀的結構工程師又提出了更高的要求。