民用建筑結構設計思路及注意事項研究

單洪翥，馬金曄

（1.山東省建筑設計研究院有限公司，山東 濟南 250000；2.山東建勘集團有限公司，山東 濟南 250000）

0 引言

通過整理現階段有關民用建筑結構設計思路相關的文獻可以發現研究這個領域的文獻較少，劉靜（2018）分析了民用建筑結構設計中的抗震設計，提出在設計建筑空間布局設計的時候要注意空間結構的均衡性、規則性以及整體性[1]。邵長軍（2019）則分析了工業與民用建筑混凝土結構設計的辦法研究，分析了結構要求、平面要求以及豎向布置[2]。此外，學者還分析了結構扭轉、受力問題以及嵌固端的問題。但是從總體分析，民用建筑設計思路和民用建筑設計中關于注意事項的文獻較少。基于此，論文將著重分析民用建筑設計思路和民用建筑設計中的注意事項。

1 民用建筑結構設計思路

1.1 合理選擇計算模型

建筑結構設計的各個數值可借助計算模型求得，針對不同類型的建筑所需要選用的計算模型也不同，具體需要選擇的計算模型需要依據實際情況來選定。例如，若民用建筑的地理位置處于多地震地帶，如四川地區，那么最好選擇正型分解的計算模型來對民用建筑的樓板進行數值計算，如圖1 所示。運用計算構造方法，將構造節點連接起來，讓節點之間保持在水平狀態之下，相互制約和約束，這樣也可以讓彼此的連接更加真實可靠。

圖1 常見民用建筑構造

1.2 整體運算

以民用建筑中常見的錯層結構為例來分析，在錯層結構中，抗震設計時建議不要簡單將錯開的樓層單獨歸為一個樓板，要在進行實地考察并對實際情況進行詳細的分析之后，將分析模型對所處反應錯層對樓面的影響考慮進去再進行設計。其中，在進行錯層分析影響計算的過程中，也要嚴格按照《高層房屋建筑混凝土結構技術章程》中有關錯層結構相關的規定來進行分析。在實際考察過程中，還應當將樓板剛度的消減問題考慮進去，樓板剛度對整個平面樓板所造成的影響應當在對結構進行整體計算的過程中，依據實際的情況來得出，通過運用合理的計算推論來建立計算模型，再將樓板的類型情況考慮其中，運用“膜”和“彈性板”的制定來設計模型的假設，通過分析樓層構造中空間狀態的情況來進行模擬，進而確定定位，進而避免后期實際施工過程中可能會出現的意外情況，并準確找到結構應力薄弱的地方，以此來改變其后期可能出現突變的位置[3]。

1.3 手工校正

在進行民用建筑樓層結構設計時需要用到許多數據。首先，在四川地區需要考慮到雙向地震的作用，在后期增加正形豎直時應當將其考慮進去得出計算結果。其次，在增加正形豎直的過程中，要結合實際的情況，保障錯層結構的質量系數不能小于0.9。最后，還需要結合當下的實際情況來選擇合適的選曲強和高度，比如所選擇的曾經的剛度應當比以前的位移所承受的剪力可以避免計算帶來的失誤。因此，在使用這些數值進行計算的過程中不能只是機械地使用數據，還應當依據實際情況來進行分析。將計算出來的數據進行人為的校正，避免所選用計算方法帶來的系統上的計算失誤[4]。需要注意的是在隨著時代的發展，很多人會選用人工智能軟件來進行測量計算，可是實際上，使用人工智能測算也是會出現問題的，所以在計算之后需要進行檢查和手工的校正。

1.4 結構計算軟件的運用

在民用建筑當中，結構計算屬于一項復雜的工作。在進行民用建筑中最為常見的錯層結構計算的過程中，設計師一般會使用各類的軟件來進行計算。例如，運用SATWE 軟件來計算地震下的彈性系數問題，具體針對不同類型的民用建筑結構，也需要采取不同的程序軟件來進行計算，比如很多建筑師會使用EPDA 程序來進行結構數值的計算[5]。通過這些方法不僅可以有效節省能力成本，還可以提高正確率，并且通過對比不同程序下所計算出來的結果，也可以幫助更好找到不同算法彼此之間的關系。進一步了解民用建筑的相關數據之后也可以幫助設計者對結構的相關數據以及所需要的參數有更深刻的認識和了解。

1.5 及時規避數值異常情況

通過對比分析，如果發現不符合實際的情況，則錯層之中的無樓板的豎向構件要通過計算剛度和樓板的豎向構件來解決和處理。如果通過對比計算出來的結果不一致，即實際計算出來的結果很有可能會與實際情況不符[6]。面對這種情況，需要后期人為的校正操作和處理，如果后期手動校正之后，結果依舊不符合的話，那么需要對計算和測量的過程進行再三的確認和調整。一直調整和確認到出現準確的貼近實際的數值之后才可以通過。對于數值異常的情況要及時處理，直到解決數值異常的情況或者舍棄計算結果，不可以粗略跳過，會對后續一系列步驟產生惡劣影響。

1.6 構建判斷

用民用建筑設計中最常見的錯層結構為例來進行說明。在錯層結構中，矮墻和短柱非常常見，但在實際計算這些數值的過程中，這些構造的識別難度很大，除此之外，因為這些構造遇到地震時是建筑中最容易受損的部分，整體的抗震能力較差，這也對設計者在設計矮墻和短柱時提出了更高的要求，要求設計者在設計之前需要進行實地勘察，對矮墻和短柱進行科學且合理的判斷之后再進行設計。而對于民用建筑的具體構建問題的話，則需要進行嚴格的構建，并且在構建之后加強措施，以此來保障其整體的安全和穩定性。

2 民用建筑結構設計注意事項

2.1 截面尺寸的選擇

在設計民用建筑結構的過程中，梁和柱的界面的尺寸選擇和設計是框架結構設計的前提所在。對于框架結構的設計應當要滿足相關規范的取值要求，還需要注意對于柱的線剛度和梁的線剛度兩者選取的比值應當要大于1，這樣所選擇出來的截面尺寸不僅符合要求，還可以更好避免地震給其所帶來的影響。針對界面尺寸的設計，需要謹記規范的要求“強柱弱梁強節點”的要求。所設計出來的截面尺寸應當符合這個要求。

2.2 框架計算簡圖不合理

在民用建筑結構設計的過程中，基礎埋線比較淺的時候會容易出現現澆的框架梁柱，而針對這個問題則可以通過設計簡圖的方式來確定其底層柱的長度。在無地下室的混鋼筋泥土的多層框架之中，針對獨立基礎埋線比較深的地方，建議最好是在0.05m 左右的地方設置基礎拉梁，并且按照層的方式來進行輸入。以學校的宿舍樓為例來進行講解，宿舍樓暫定為需要修建三層的鋼筋混凝土的結構框架，暫定為丙類的建筑，建筑的場地劃分成為Ⅱ類，且樓層的高度暫定為3.3m，而基礎埋深則為4.0m，基礎高度則為0.8m，室內外的高度差定為0.45m。但是依據《抗震規范》中的相關規范，在八度地震區域內，該工程的框架結構應當定義為二級。所以設計者在設計的過程中，依據三層的框架來設計結構的話，那么首層結構的高度則應該選為3.35m，也就是假定框架房屋鑲嵌在0.05 米處的基礎拉梁的頂面斷面以及配筋按構造來進行設計[7]。

基礎則按照中心受壓來進行計算。但是，這樣的計算簡圖的方式并不是很妥當。原因有如下幾點：首先，如果依據構造來進行設計，那么拉梁無法解決柱腳彎矩平衡的問題；其次，依據《混泥土結構設計規范》要求的相關規定，框架結構底柱的高度應當選取基礎頂面乃至首層樓蓋頂面的高度。而且依據工程設計的經驗也可以知道，此類的框架結構的設計應當直接依據四成的高度來進行整體的分析和設計工作。即計算首層層高剪力的時候結果則為H1-4-0.8-0.05=3.15m。兩層的高度為3.35m，而三層和四層的高度則為3.3m[8]。總的來說，因為受到各類因素的影響，在實際框架計算的過程會出現簡圖不合理情況，而針對此類現象需要將環境因素考慮進去。在設計拉梁層的時候，還需要比較底層柱的界面控制問題，并將地基的約束作用考慮進去，然后再計算簡圖，并且將電算程序的相關信息都輸入其中，將地下室層填寫為1，并在后期進行復算，然后按照兩計算的結構將框架結構都包含在內。

2.3 框架柱配筋的調整

一般來說，民用建筑結構框架柱的配筋率都偏低，導致絕大多數點算出來的結構都適應于常見配筋，即使是按柱的構造配筋率也以0.8%居多，但是這也只相當于定額指標的三分之一到三分之二。對于有經驗的設計者而言，使用這種方法的不多。并且，設計民用建筑時大多要將地震因素考慮進去，尤其是對于大開間和角柱以及大進深的邊柱類的民用建筑，這類建筑屬于雙向偏心的平面框架，因為受到雙向偏心壓力的影響，電算程序會對其平面框架的配筋帶來影響，也就會讓原本的配筋率出現不足。而針對框架柱配筋調整的問題則可以從如下幾點入手：

首先，選擇最不利方向的框架來進行計算，也可以選擇兩個方向都進行計算之后對比各柱的配筋，并選擇其中比較大的值和采用對稱的配筋。

其次，則是要調整柱單邊的鋼筋的最小根數，比如對于柱寬小于等于450mm 的則為三根，而對于柱寬在450mm 和750mm 之間的則為4 根，在750mm 和900mm 之間的則為5 根。

然后，井框架柱的配筋系數方法1.2 到1.6 倍左右，并且腳柱則放大不小于1.4 倍，邊柱則次之，中柱放大小倍數為1.2倍。

再者，考慮到多層結構在進行電算操作的過程中，沒有考慮到溫度應力以及基礎不均勻沉降的問題，所以多層框架水平尺寸以及垂直尺寸會偏大，而為了解決這個問題，則可以適當放大框架柱的配筋，但具體要放大多少就需要依據實際的情況來判斷。

最后，則是框架柱箍筋形式的選取，最好是選擇井字形或者是菱形，這樣可以更好增強箍筋對混凝土所造成的約束力量。而對于柱箍筋的直徑則建議增加2mm。

2.4 框架梁、柱截面尺寸的調整以及斜截面配筋調整問題

框架梁、柱截面尺寸的調整要求具體為如下：

2.4.1 梁、柱截面尺寸的調整

設計人員應當依據相關書籍和規范的要求來選擇梁和柱截面尺寸范圍的選值，并結合自身的經驗來確定相應構件的大小，如圖2 所示。在確定構件大小的過程中需要盡可能將線剛度和梁線剛度的值考慮進去，考慮到了地震作用所帶來的影響，這兩者的數值要大于1。

圖2 梁、柱截面尺寸的調整

2.4.2 梁端斜截面的配筋調整

在民用建筑的框架結構設計過程中，結構的應力設計應當考慮地震對框架架梁所帶來的影響。一般情況下，為了保障民用建筑結構的安全性，民用建筑結構所設計框架的梁端的斜截面所能承受的承載力應當要高于其正截面所能承受的承載力，這也是人們俗語里經常提到的“強剪弱彎”[8]。在實際設計和調整梁端斜截面配筋的過程中，可以嘗試通過如下四個途徑來入手：（1）適當縮小梁端的負彎矩鋼筋；（2）將梁跨中手拉鋼筋系數適當放大，放大系數比建議在1.1 到1.3；（3）增加梁端箍筋的直徑，增加長度大約在2mm 左右；（4）針對跨度大于6m 的民用建筑的結構建議設置鋼筋。

2.4.3 在電算中準確且合理運用彎矩的調幅

在相關規范的要求之內，只有豎向力作用之下的梁端的彎矩是可以調整的，而水平力作用之下的梁端彎矩則是不允許直接調幅的。所以在計算的過程中，需要先將豎向荷載作用下的梁端的彎矩進行調幅，然后再將水平方向的荷載所產生的梁端彎矩進行疊加操作處理。并且在這種情況下，可以采取的方法為調解梁端固定的彎矩之后再進行力矩的分配；還有一種方法是將有力矩分配法所計算得到的梁端的負彎矩直接乘以調幅的系數來進行計算[9]。

2.5 其他注意事項

考慮到實際建筑的需要，結構框架需要進行梁外挑的設計，而且梁下還需要設置鋼筋混凝土柱。針對柱的內力以及配筋的計算，設計人員需要綜合考慮各類因素的影響，而對于受力的概念混淆，導致后續配筋的計算不到位，進而可能會導致水平荷載作用下承載力的不足，從而對民用建筑帶來安全隱患。所以在實際結構整體計算過程中，設計人員的選擇也是很重要的因素之一[10]。

3 結論

隨著我國建筑行業的飛速發展，鋼筋混凝土的使用變得越來越普遍，而且由這類材料所建筑的民用建筑結構整體的傳力明確、整體性強、結構靈活且抗震能力強，在民用建筑結構中非常常見，被廣泛應用。這類的建筑結構在形式上看上去比較簡單，實際上，如果在設計的過程中考慮不周，會對建筑工程的建設造成不良影響。在進行民用建筑結構設計時需要注意截面尺寸的選擇、框架計算簡圖不合理、框架柱配筋的調整和框架梁、柱截面尺寸的調整以及斜截面配筋調整問題。