建筑結(jié)構設計之我見

張富祥

摘 要：適用、安全、經(jīng)濟、美觀、便于施工是進行建筑結(jié)構設計的原則。這五個方面各有所重，又互為矛盾，一個優(yōu)秀的建筑結(jié)構設計往往是這五個方面的最佳結(jié)合。本文將對此做些探討。

關鍵詞：建筑；結(jié)構；設計

往往設計人員注意到適用、安全、經(jīng)濟、美觀，而忽略了便于施工。 有時設計人員為圖方便，用偏于安全的簡化方法計算，雖然既省事又保證安全，卻增加了造價。

結(jié)構設計一般在建筑設計之后，“受制”于建筑設計，但又“反制”建筑設計。結(jié)構設計不能破壞建筑設計，建筑設計不能超出結(jié)構設計的能力范圍。結(jié)構設計決定建筑設計能否實現(xiàn)，在這個意義上，結(jié)構設計顯得更為重要。但一幢標志性建筑建成后，往往建筑師便成為了人們心目中的建造者，為了實現(xiàn)該建筑設計而付出辛勤勞動一絲不茍的結(jié)構師并不為人們所知。但無論如何，設計一個適用、安全、經(jīng)濟、美觀、便于施工的結(jié)構設計方案是結(jié)構設計人員的責任。

根據(jù)我對建筑結(jié)構的理解，建筑結(jié)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(jié)構體系的選擇，柱網(wǎng)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(jù)建筑物的性質(zhì)、高度、重要程度、當?shù)氐目拐鹪O防列度、風力情況等條件來選擇合適的結(jié)構體系。是采用磚混結(jié)構、框架結(jié)構、框剪結(jié)構、框支結(jié)構、筒體，還是巨型框架……選定結(jié)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(jié)構內(nèi)力計算后，主體結(jié)構底截面的內(nèi)力成了基礎選型和計算的重要依據(jù)。內(nèi)力計算一般盡量簡化為平面體系來計算，但有時必須采用空間受力體系來計算。無論怎樣，內(nèi)力計算最終是對柱、梁、板、墻（剪力墻）和塊體這五種部件的計算。也就是說，進行整體設計后，就要進行部件設計。梁和柱一般可看作細長桿件，內(nèi)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，異型板的計算就較為復雜，應盡量避免。對于單片的剪力墻，一般把它視作薄壁柱來近似計算，有時要考慮翼緣的作用；對于筒體結(jié)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，它在空間三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，樁的承臺，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(shù)，以策安全。

目前國內(nèi)結(jié)構設計所用的設計方法是概率極限狀態(tài)設計法，作用效應S必須小于等于結(jié)構抗力R，結(jié)構要滿足強度條件和位移條件。內(nèi)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(nèi)力重分布時，往往是把利用彈性模型計算所得的內(nèi)力乘以一個調(diào)整系數(shù)。

手算和計算機算所采用的計算方法、理論、計算模型是有差別的。結(jié)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衷。手算為降低工作量，受力體系盡量簡化為平面力系，計算中作一些假設，利用經(jīng)驗值和查用圖表。但隨著高層、超高層建筑的日益增多，結(jié)構越來越復雜，抗震要求越來越高，手算的工作量和計算精度難以滿足要求，計算機已被大量利用到結(jié)構計算中來。計算機的工作量和速度非人所及，機算采用更科學、精度更高的計算方法，機算的能力遠遠超出了手算。要充分發(fā)揮計算機的優(yōu)勢，進行合理的結(jié)構內(nèi)力計算，需要優(yōu)秀的結(jié)構計算程序。這些程序一般以空間力系作計算模型，以有限元的方法計算。例如著名的TBSA的計算模型是空間桿件體系。要編寫優(yōu)秀的結(jié)構計算程序，開發(fā)人員除了必須具備編程技巧外，還要掌握科學的先進的結(jié)構計算方法。作為結(jié)構設計人員也應學習計算機所用的計算理論，不應只停留在會用結(jié)構計算程序，而不知所以然。結(jié)構設計程序的出現(xiàn)并沒有降低對設計人員的要求，相反，它要求設計人員學習更先進的計算理論。目前結(jié)構計算程序有一個弊端：就是計算過程的屏蔽。使用者只管輸入數(shù)據(jù)和會看結(jié)果，對計算過程一無所知，不知道計算是建立在什么基礎上，不知道適用范圍，這是潛在的危險。一個優(yōu)秀的結(jié)構計算程序還應該提供程序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(fā)揮設計者的主觀能動性和創(chuàng)造力。

結(jié)構計算理論經(jīng)歷了經(jīng)驗估算，容許應力法，破損階段計算，極限狀態(tài)計算，到目前普遍采用的概率極限狀態(tài)理論等階段。

概率極限狀態(tài)設計法更科學、更合理。作用效應S小于等于結(jié)構抗力R是結(jié)構計算的普遍適用公式。目前結(jié)構計算理論的研究和結(jié)構設計似乎只關注如何提高結(jié)構抗力R，以至混凝土的等級越用越高，配筋量越來越大，造價越來越高。我把提高抗力R的設計方法稱之為被動設計法。以抗震設計為例，一般是根據(jù)初定的尺寸、砼等級算出結(jié)構的剛度，再由結(jié)構剛度算出地震力，然后算配筋。但是大家知道，結(jié)構剛度越大，地震作用效應越大，配筋越多，剛度越大，地震力就越強。這樣便會出現(xiàn)為抵御地震而配的鋼筋，因為增加了結(jié)構的剛度反而使地震作用效應增強的情況。其實，為什么不考慮降低作用效應S呢？我把降低作用效應S的設計方法稱之為主動設計法。國外在抗震設計中，已有在基礎與主體之間設一彈性層，以降低地震作用效應的設計；有的在建筑物頂部裝一個“反擺”，地震時它的位移方向與建筑物頂部的位移相反，從而對建筑物的振動產(chǎn)生阻尼作用，減少建筑物的位移，降低地震作用效應。國內(nèi)的設計以被動設計為主，當然也有主動設計，如設置“塑性鉸” ，我認為結(jié)構設計應該被動設計與主動設計相結(jié)合，但要實現(xiàn)主動設計需要先進理論和高科技的支持。隨著社會的需求，計算理論的發(fā)展，計算機的應用，新型建材的研究與應用，建筑結(jié)構設計將面臨前所未有的機遇。

最后，我想大膽的預測今后結(jié)構設計的方向——概念設計將發(fā)揮越來越大的作用。

概念設計是指正確的解決總體方案、材料使用和細部構造，以達到合理抗震設計的目的。概念設計是根據(jù)抗震設計的復雜性，難以精確計算而提出來的一種從宏觀上實現(xiàn)合理抗震，避免無必要的繁瑣計算，同時為抗震計算創(chuàng)造有利條件，使計算分析結(jié)果更能反映地震時結(jié)構反應的實際情況的設計方法。采用先進的計算理論。空間受力分析，非彈性變形分析，塑性內(nèi)力分析，由加載到破壞的全過程受力分析，時程分析，最優(yōu)化設計，方案優(yōu)化等先進科學的設計方法、設計理論將得到越來越多的應用。

今后的設計除了提高結(jié)構抗力，還應考慮盡可能的降低作用效應。因為降低作用效應，對增加結(jié)構安全性，降低造價，節(jié)約國家投資意義重大。使用具有高強、輕質(zhì)、環(huán)保等特點的新型建材。建筑物的自重在結(jié)構計算中占很大的比重，使用輕質(zhì)、高強的建材，將使建筑結(jié)構設計發(fā)生革命性的變化。