淺談建筑結構設計中的若干問題

【摘 要】一項優秀的建筑結構設計是集安全、適用、經濟、美觀、且便于施工于一體的結合物，這也正是建筑結構設計的基本原則。而結構設計就是用結構語言來表達建筑師及其它專業工程師所要表達的東西。結構語言就是結構師從建筑及其它專業圖紙中所提煉簡化出來的結構元素。然后用這些結構元素來構成建筑物或構筑物的結構體系，并把各種情況產生的荷載以最簡潔的方式傳遞至基礎，最后用結構語言把結構計算的結果表達在圖紙上。

【關鍵詞】建筑結構設計；概念設計

一、建筑結構設計的總述及概念

一項優秀的建筑結構設計是集安全、適用、經濟、美觀、且便于施工于一體的結合物，這也正是建筑結構設計的基本原則。結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。

結構設計簡而言之就是用結構語言來表達建筑師及其它專業工程師所要表達的東西。而結構語言就是結構師從建筑及其它專業圖紙中所提煉簡化出來的結構元素，包括基礎，墻，柱，梁，板，樓梯，大樣細部等等。然后用這些結構元素來構成建筑物或構筑物的結構體系，包括豎向和水平的承重及抗力體系，并把各種情況產生的荷載以最簡潔的方式傳遞至基礎，最后用結構語言把結構計算的結果表達在圖紙上。

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。但一項標志性建筑物建成后，往往建筑師便成為了人們心目中的建造者，為了實現該建筑設計而付出辛勤勞動一絲不茍的結構師并不為人們所知。但無論如何，設計一個安全、適用、經濟、美觀、且便于施工的結構設計方案是結構設計人員應當履行的責任。

二、結構設計的內容

根據我對建筑結構的理解，建筑結構設計可分為整體設計和部件設計兩部分。整體設計一般分基礎和主體兩部分進行。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。設計人員根據建筑物的性質、高度、重要程度、當地的抗震設防列度、風力情況等條件來選擇合適的結構體系。是采用磚混結構、框架結構、框剪結構、框支結構、筒體，還是臣型框架……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。

三、結構設計的階段

結構設計的階段大體可以分為三個階段：結構方案階段、結構計算階段和施工圖設計階段。

結構方案階段的內容為：根據建筑的重要性，建筑所在地的抗震設防烈度，工程地質勘查報告，建筑場地的類別及建筑的高度和層數來確定建筑的結構形式。確定了結構的形式之后就要根據不同結構形式的特點和要求來布置結構的承重體系和受力構件。

結構計算階段的內容為：1：荷載的計算：荷載包括外部荷載和內部荷載上述荷載的計算要根據荷載規范的要求和規定采用不同的組合值系數和準永久值系數等來進行不同工況下的組合計算。2、構件的試算：根據計算出的荷載值，構造措施要求，使用要求及各種計算手冊上推薦的試算方法來初步確定構件的截面。3、內力的計算：根據確定的構件截面和荷載值來進行內力的計算，包括彎矩，剪力，扭矩，軸心壓力及拉力等等。4、構件的計算：根據計算出的結構內力及規范對構件的要求和限制來復核結構試算的構件是否符合規范規定和要求。如不滿足要求則要調整構件的截面或布置直到滿足要求為止。在進行主體結構內力計算后，主體結構底截面的內力成了基礎選型和計算的重要依據。

內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，以策安全。

施工圖設計階段的內容為：根據上述計算結果，來最終確定構件布置和構件配筋以及根據規范的要求來確定結構構件的構造措施。

四、各設計階段的基本方法

根據方案階段的主要內容，其基本方法就是根據各種結構形式的適用范圍和特點來確定結構應該使用的最佳結構形式，這要看規范中對于各種結構形式的界定和工程的具體情況而定，關鍵是清楚各種結構形式的極限適用范圍，還要考慮合理性和經濟性。

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S必須小于等于結構抗力R，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分布時，往往是把利用彈性模型計算所得的內力乘以一個調整系數。

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，利用經驗值和查用圖表。但隨著高層、超高層建筑的日益增多，結構越來越復雜，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。要充分發揮計算機的優勢，進行合理的結構內力計算，需要優秀的結構計算程序。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。一個優秀的結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，充分發揮設計者的主觀能動性和創造力。

在結構計算階段，就是根據方案階段確定的結構形式和體系，依據規范上規定的具體的計算方法來進行詳細的結構計算，規范上的方法有多種，關鍵是結合工程的實際情況來選擇合適的計算方法，以樓板為例，就有彈性計算法，塑性計算法及彈塑性計算法。所以選擇符合工程實際的計算方法是合理的結構設計的前提，是十分重要的。

在施工圖設計階段，就是根據結構計算的結果來用結構語言表達在圖紙上。首先表達的東西要符合結構計算的要求，同時還要符合規范中的構造要求，最后還要考慮施工的可操作性。這就要求結構設計人員對規范要很好的理解和把握。另外還要對施工的工藝和流程有一定的了解，這樣設計出的結構，才會是合理的結構。

5、結構設計中概念設計的發展趨勢

結構計算理論經歷了經驗估算、容許應力法、破損階段計算、極限狀態計算，到目前普遍采用的概率極限狀態理論等階段。

概率極限狀態設計法更科學、更合理。依個人觀點來看，今后結構設計中概念設計將會發揮越來越大的作用。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合理抗震，避免不必要的繁瑣計算，同時為抗震計算創造有利條件，使計算分析結果更能反映地震時結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，塑性內力分析，由加載到破壞的全過程受力分析、時程分析、最優化設計、方案優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。

以后的設計中除了提高結構抗力，還應考慮盡可能的降低作用效應。因為降低作用效應，對增加結構安全性，降低造價，節約國家投資具有重大意義。使用具有高強、輕質、環保等特點的新型建材。建筑物的自重在結構計算中占很大的比重，使用輕質、高強的建材，將使建筑結構設計發生革命性的變化。

總之，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，深刻理解規范和規程的含義，并密切配合其它專業來進行設計。在工作中應善于反思和總結工作中的經驗和教訓。