建筑設計中的建筑結構選型要點分析

文躍茗　陸薇

摘 要：文章簡潔的敘述了各種常見結構體系設計的基本理論以及原理，簡單介紹了建筑結構的形式，對結構選型分別介紹結構組成、受力特點、布置方式、適用范圍、構造要點等。

關鍵詞：建筑結構；選型；組合；分析

在建筑設計的時候，無論是空間組合，還是建筑風格，都需要搭配最佳的結構規劃，也就是進行結構選擇。結構選型的原則：性能，建筑風格，完全展現優點，顧慮材料與施工的條件，顧慮經濟情況，規劃理念和方式。

1 結構選型分類

梁柱的樣式、承受力和變形性能：（樣式）根據材料包含了石材、木材、鋼材、鋼筋混凝土、組合材料；根據截面包含了T型、矩形、工型、箱型、花籃型等；根據支座的制約條件包含了超靜定與靜定兩種。（變形性能）梁通常重點承擔垂直梁直線方向的力，內力包含了剪力與彎矩，部分時候還會有軸力與扭矩。梁關鍵的變形性能是撓曲，承受力和變形重點跟梁本身的制約條件相關。簡支梁的兩頭制約能力較小，但變形撓度與內力都較大，固端梁兩頭制約能力較大，但變形與內力都較小，連續梁完全將材料中的力學性能發揮出來，內力較小，剛度卻很大，能起到很好的抗震作用，對支座的變形很敏感，容易引發附加的內力，懸臂梁唯有一頭制約對固端有更高的要求，承受力不強，容易變形。

2 常見結構的形式與特點

2.1 鋼架結構的形式與特點

特點：約束力對結構產生的內力方面的影響，約束力越強，就會導致內力越分散，內力分散之后就難以變形，也就是剛度增加；門式鋼架的大跨度對結構內力方面的影響。樣式：根據支座的約束力分成了無鉸、兩鉸和三鉸三種鋼架；根據結構的材料分成膠合木結構、鋼結構與混凝土結構；根據截面可以分成空腹結構、實腹結構、截面與半截面結構；根據建筑的外形可以分成坡頂、平頂、拱頂、多跨與單跨；根據施工的技術要求可以分成預應力與非預應力兩種結構。

2.2 屋架結構的構造要求及適用范圍

構造要求：剛開始的高度一定要適度，必須按照屋架要求的結構來選擇，通常是選擇跨度的五分之一到十分之一；確定屋架的上弦坡度的時候要適應屋面防水的結構，選取瓦的八分之一到十二分之一；屋架的節間長度跟結構類型、選取材料及承載能力相關，通常上弦承受力的節間長度更短，下弦承受力的節間長度更長，然而這長度也不能過大，通常是一米半到四米。

適用范圍：根據結構的承受能力觀察，梯形的屋架力學上的性能較強，上弦與下弦都呈現直線狀，施工較簡單，多用在跨度大的建筑上；三角形和矩形的屋架在力學性能上相對較差，所以一般用來做托架。屋面的防水材料是粘土瓦、水泥瓦、機制平瓦的時候利用三角形的屋架與陡坡的梯形屋架，應該利用防水的金屬薄板，在防水的時候，要選取拱形、折形的屋架與緩坡的梯形屋架。根據材料防水的能力與實地使用情況，木材和鋼才通常不會用在那些潮濕且不易通風的地方，也不會用于物品容易發生腐蝕的工房，一般選取預應力更強的混凝土屋架。根據跨度大小，在十八米以下的選取鋼筋混凝土的結構，而在十八米到三十六米的選取預應力更強的混凝土結構，大于三十六米就會選取承載力更強的鋼結構。

2.3 拱結構的合理軸線

拱軸線在豎直方向上的坐標和同樣跨度大小并且承載力同樣的簡支梁在彎矩上是呈現正比的，也就是說能夠讓拱截面只有軸力卻不形成彎矩，這樣才能被稱為是合理的拱軸線，當承載能力相同時，線條形狀是拋物線，而支座的制約條件或承載力不一樣，線條的形式也會隨之改變。

2.4 網架結構的形式和適用范圍及造型特點

形式：我們將交叉桁架的網架結構分成了兩個方向正交正放與斜放、兩個方向斜交斜放、三個方向交叉、一個方向折線等多種形式。適用范圍：這種設計更加活潑、更加富有美感，也可以適用于跨度不一樣平面形狀不一樣承載條件不一樣的多種建筑，尤其是跨度較大的結構里面，網架結構更有優勢，許多都運用在體育設施建設、公共設施建設與工業設施建設中。造型特點：富有新意，小巧玲瓏。

2.5 各種結構如何處理水平力

拱結構：水平方向上通常都是拉桿來受力的，水平推力通過鋼性水平結構傳遞給總拉桿，水平方向的力是豎向承載的，水平方向的力作用于基礎結構中，利用支座來承載豎直方向上的各種力；圓頂的結構承載的是斜柱與斜拱的力，這種結構只承載框架；圓頂結構落在地上同時在基礎上承載力，這時就好似一個落地的拱形，直接傳遞力。空間網殼結構：筒網殼通過墻垛、拉桿等傳遞力到基礎；球網殼跟圓頂有些類似；扭網殼在兩個鄰近的柱子之間設置了拉桿來借力。懸索結構：單層懸索體系：從單層的方向上說，水平的力利用豎直結構傳遞到基礎部分，拉索的兩頭都固定在抗力強的豎向結構中，拉索的水平力利用拉錨傳遞到基礎部分，拉索的水平力利用剛性水平方向的構件共同承載于外墻；雙曲面的單層拉索結構分為蝶形與傘形兩種，前者是一頭承載了周圍頂梁另一頭承載中間環梁，后者更加通暢，然而中心部分有制約建筑使用的性能。

2.6 薄膜結構的優缺點

它是建筑將結構完美融合的藝術品；具備很強的力學承受力，可以承載較大的力，厚度較小，質量較輕；抗震能力好；制作簡單，施工迅速，造價便宜；保溫能力強；容易磨損。這種結構壽命一般會超過20年，這使得一些人也認為這種結構可用于長期建筑。因為內部張力的持久性，小的破壞也會形成大規模的損害。

2.7 高層結構的種類和受力特點

在框架的結構中，斷面比較狹窄，結構難以抵抗過大的荷載，會形成較大的水平位移；剪力墻結構關鍵在于承載了平行方向上所有的荷載，這讓墻體容易彎曲；框架剪力墻在豎直方向上承載的力一起承載了所有樓層結構帶來的荷載，多數是墻體承載的；筒體的結構在承載水平方向的荷載的同時會被看成是用于固定下方的構件；框架-核心筒在承載能力上可以承擔更多豎直方向上的壓力。

2.8 低層與多層建筑結構選型

磚混：（1）縱向承重體系：荷載傳遞路線為板-梁-縱墻-基礎-地基，特點縱墻重點承受結構橫墻讓房屋的空間具備更大的剛度，滿足整體化的要求，墻體之間的差距能夠利用到更大的空間，讓設計更加靈活，縱墻上門與窗的規模與方位都會受到制約，墻體數量更少，適合空間更加開闊的教學建筑、辦公建筑與實驗建筑等；（2）橫向承重體系：荷載的主要傳遞路線為板-橫墻-基礎-地基，特點橫墻是承重墻縱墻起圍隔作用，對縱墻上開門開窗限制較少空間剛度大整體性好，適用房間開間尺寸較規則的宿舍住宅旅店；（3）內框架承重體系：特點是墻與柱子都負責承載較大的力，這樣就開拓出了更大的空間，空間不具備很強的剛性，容易意外變形，只能用在旅館、廠房等地；（4）框架結構可以建造較大的室內空間，房間分隔靈活便于使用，工藝布置靈活性大便于設備布置，抗震性能優越，具有較好的結構延性，使用不易超過10層。

2.9 大跨度結構選型

平面體系：單層結構會可達76米，這一結構相對簡單，具備一種推力，其結構關鍵的內力承載大約是四十到六十米的跨度，簡支梁的結構更適合十八米以下的屋蓋，屋架的全部桿件只是承擔拉力與壓力，一般用在跨度較大的網架結構上，這樣整體上更加穩定，也具備良好的抗震能力；薄殼結構有更多的類型，形式也是多變的，折板在跨度上會達到27米，相當于筒殼薄型的小空間；用于懸索的材料數量較多，結構相對復雜，施工時間長，價格也相對昂貴。

高層結構設計特點：有較大的跨度，八層以上就是高層建筑物，超過二十四米通常被稱為高層建筑，五十到一百米被稱為較高層建筑，一百到兩百米被稱為超高層建筑；承載更大的力；需要更多的技術。樣式：筒體構架、剪力墻構架、框架剪力墻構架。

2.10 框架-剪力墻體系

建筑：剪力墻與框架一起形成了承載重量的載力結構，解決了框架抗耐力與剛度較小的問題，讓剪力墻的開間更大，一方面讓建筑物的設計更加靈活，另一方面也可以對一般化的建筑準備更大的剛度作用于所有的剪力墻結構中，所有的承載能力都由綜合框架承載，然而外部的荷載，其分配是根據高度的變化而變化的。在結構的頂端，框架承載了更大的力，墻體就會受到相反方向的力，從結構上說，墻體受到的是外在的力，框架承擔的力與外在荷載是反方向的。

結構：結構設計最重要的就是剪力墻的多少與具體方位，根據建筑設計的基本原則，剪力墻的多少會影響到建筑的設計是否靈活，根據結構角度原則，剪力墻通常承載著更多的外在力，會對抗側剛度產生很大的影響，所以剪力墻的數量不會太少。

受力特點：水平方向的力利用樓板傳遞到剪力墻和框架中，這種力在底端關鍵由剪力墻全部承載，由于剪力墻在水平方向的力縮小的時候底部會縮小，然而到了頂部的時候，力就會主要由框架來承載。

參考文獻

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作者簡介：文躍茗（1992- ），男，河南開封人，大學本科在讀，河南大學土木建筑學院建筑學專業學生。