建筑结构设计之我见

刘辉锋

摘要：建筑结构设计是工程建设的灵魂，也是科学技术转化为生产力的纽带。本文作者结合多年工作经验，主要就建筑结构设计方面浅谈几点看法，希望对相关从业人员有所助益。

关键词：建筑结构设计；常见问题；途径

中图分类号：TU3 文献标识码：A

引言

建筑结构设计就是建筑结构设计人员对所要施工的建筑的表达。其就实质而言分为两个层面：一方面是建筑设计,另一方面是结构设计。对建筑设计来说，建筑结构设计质量好坏不仅会影响建筑整体施工的质量，也会影响建筑物整体造型。本文作者结合多年工作经验，主要就建筑结构设计的原则、特点以及常见问题等方面进行了简单阐述，仅供同行参考研究。

1建筑结构设计概述

1.1建筑结构设计的原则

一是选择适当的计算简图。

在建筑结构计算当中，选用适当的计算简化结构计算式应当在计算简图的基础上进行，否则计算简图选用不当则会导致结构安全的事故常常发生，所以选择适当的计算简图是保证结构安全的重要条件。计算简图还应有相应的构造措施来保证。实际结构的节点不可能是纯粹的铰结点和刚结点，但与计算简图的误差应在设计允许范围之内。

二是选择合适的基础方案。

基础设计应根据工程地质条件，上部结构类型与载荷分布，相邻建筑物影响及施工条件等多种因素进行综合分析，选择经济合理的基础方案，设计时宜最大限度地发挥地基的潜力，必要时应进行地基变形验算。基础设计应有详尽的地质勘察报告，对一些缺少地质报告的建筑应进行现场查看和参考临近建筑资料。

三是正确分析计算结果。

在结构设计中普遍采用计算机技术，但是由于目前软件种类繁多，不同软件往往会导致不同的计算结果。因此设计师应对程序的适用范围、条件等进行全面了解。在计算机辅助设计时，由于结构实际情况与程序不相符合，或人工输入有误，或软件本身有缺陷均会导致错误的计算结果，因而要求结构工程师在拿到电算结果时应认真分析，慎重校核，做出合理判断。

四是打通关节。

当结构体系中的力量传递不能畅通的时候，就会破坏各个构件之间的静态平衡，要想使得结构体系永远的保持原始的静态或者在需要的范围内保持，打通关节是我们不得不遵守的基础性原则，其它的原则必须依赖于打通关节。而在建筑的结构体系中关节是无处不在的，结构工程师眼中的理想的结构体系，在理论上应该是一个整体，浑然天成的，不存在关节，依赖于这样的理想的结构体系，任何外力的传递和消减可以是十分迅速的。

1.2建筑结构设计的特点

一是科学性。

建筑结构设计是一种工程技术，工程技术是科学理论在改造物质世界中的具体应用。

二是应用性。

建筑结构设计必须讲究经济效益，一个成功的建筑结构设计，技术上先进合理，经济上效益显著。

三是实践性。

建筑结构设计是一种工程实践活动，没有一个工程师是直接从大学毕业生马上变成一个成熟的工程师，而是必须经过一个较长时间的工程设计锻炼，少则两三年，多则五六年甚至更长时间，那种梦想一毕业就成为工程师的想法是不切实际的。

四是复杂性。

建筑结构设计的复杂性首先表现在设计中各种因素的不确定性，例如方案设计阶段建筑的反复修改，荷载的不确定等等。其复杂性另一个表现就是结构方案的多元性，同一栋建筑可以有不同的结构方案，甚至在构件设计阶段同一构件也可以有不同的配筋。

五是创新性。

建筑结构设计作为一种技术服务行业，在设计市场竞争激烈形势下，要想获得开发商的项目，必须提供比别人更加合理经济的结构方案，这就需要工程师的创新能力。从一个角度看，要使建筑结构设计有所发展和进步，也要求其具有创新性。部分工程师认为建筑结构设计就是“规范+PKPM+CAD绘图”，这是不正确的。其实建筑结构设计中最重要的是设计理念，一个好的设计理念将会使得一个结构方案更加完善。

2建筑结构设计常见问题

2.1构造柱提前受力问题。

在当前结构设计中，构造柱经常被作为承重柱使用，构造柱作为承重柱使用后，使得构造柱提前受力，有可能会降低构造柱对砌体的拉结和约束作用，而且结构一旦遭遇地震作用时，在构造柱位置必然形成应力集中，首先破坏。这样构造柱不但起不到其应有的作用，反而成为房屋结构中的一个薄弱的部位。另外构造柱一般生根于地圈梁中，没有另设基础，构造柱兼作承重柱使用后，柱底基础的抗冲切、以及局部承压强度必然不能满足要求。柱底基础一旦发生冲切或局部承压被出现裂缝。本文建议承重大梁下的柱子应按承重柱设计。若梁上荷载和跨度都比较小时，构造柱也可布置于梁下，但此时必须按不考虑构造柱作用来验算下墙体的局部承压和抗弯强度。经验算满足，方可在梁下布置构造柱。

2.2承重柱截面高度设计过小。

一些结构设计者误认为六度设防就是不设防，图受力分析方便，他们故意把柱子的截面高度设计得过小，使梁柱的线刚度比加大。把梁简化为铰支梁，柱按轴心受压计算。这种情况多发生于六度抗震设防区。这种做法虽然易于进行结构受力分析，但却给房屋结构埋下了隐患。因为这样做往往会忽略了梁柱间的刚结作用，加之以柱截面的配筋都较小，结构一旦受力后，柱顶抗弯强度必然不足，从而柱子与梁底附近将会出现一条或多条水平裂缝，形成塑性饺。严重的是，这样的结构一旦遭遇地震作用，即会倒塌。

2.3悬挑梁梁高设计选用不合理。

一般设计者仅是注意到对梁的倾覆以及强度展开验算，忽视梁挠度的进一步验算。若选用的梁高高度过小，会导致梁截面受压区的应力太高，造成在正常应用情况下，梁截面的受压区出现非线性徐变，随着时间的不断推移，梁挠度会日益加大。除此之外，挑梁截面太窄也不利于建筑结构的抗震。一般悬挑结构对竖向地震最为敏感。若梁高太小，截面受压区的高度大时，梁延性则会减小，由于受竖向地震的影响，容易出现脆性破坏，最后失去结构的承载力，故必须确保悬挑梁的截面设计合宜。

3 提高建筑结构设计的途径

3.1重视概念设计

人们在实践的基础上,由感性认识上升到理性认识,从而形成概念,它反映了客观事物的本质特征。概念设计是结构工程师一项不可或缺的基本功,正确的概念设计好比是选择了一条正确的道路,是结构设计合理、安全、经济的前提,它贯穿于工程设计的全过程。概念设计必须通过深厚的基础理论、对结构原理和力学性质的深刻理解和长期而丰富的工程经验积淀而成。结构工程师只有具备高水平的概念设计,才能完成高水平的设计成果。

3.2做好与相关专业人员的沟通

结构设计工作不能孤立独行,需要与其他专业多沟通,多配合。因此要提高结构设计水平,不但要具备本专业的扎实的基本功,还要对相关专业有基本的了解并取得相关专业的支持和配合。涉及其他专业的技术问题,结构工程师要积极组织和参加各专业的协调会议,统一标准,达成共识,最终确定设计原则,做到透彻把握建筑意图、充分了解设备专业的功能和需要,避免在出图后因各专业不协调而导致的变更和返工。

3.3正确运用计算机辅助设计

当前,计算机辅助设计系统在建筑设计领域被广泛应用,工程师在计算机上进行结构分析工作,用计算机辅助完成大部分的图纸设计,因此了解计算机程序的功能、正确使用设计软件直接影响到结构设计的水平。中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部开发的PKPM系列微机建筑工程CAD系统、广东省建筑设计研究院和深圳市广厦科技有限公司联合开发的广厦建筑结构CAD等等都是比较优秀的建筑设计软件,涉及的内容比较全面,与AUTOCAD兼容,可操作性强。需要指出的是设计软件都是根据国家现行规范的要求结合不同的结构体系的受力特点加以模拟简化得来,因而设计软件都有一个有效使用期限和合理适用范围。随着建筑业的发展,建筑物规模越来越大,形式也日趋复杂,使得建筑结构设计的内容增多,难度增大,这就要求设计人员了解所使用软件的特点和适用范围,熟悉和掌握各项参数的选取条件,真正做到计算机为人服务,为工程设计服务。

3.4综合考虑优化结构设计

在结构设计中要考虑优化设计,综合考虑各方面因素,尽量采用最为经济和合理的方案。全面考虑各个受力构件的可能承受的各种荷载,竖向承重构件把竖向荷载传递到基础上,还承受风和地震等水平荷载,以及温度应力，这些都要考虑到,布置时要把承重构件放在有利于承受水平荷载和温度应力的位置。要限制剪力墙的间距,确定楼板刚度满足整体工作的要求。水平承重构件的布置,也要综合考虑多方面因素,力争做到传力路径简短,以最快的方式将楼面上的荷载传递到主梁上,再由柱和剪力墙传递到基础和地基。在设计地基基础时,要根据基本理论知识,结合丰富的实际经验,预见可能出现的各种问题,并分析出合理的解决方案。计算过程要牢记“强柱弱粱、强剪弱弯、强压弱拉”的原则,不可随意加大配筋量,要考虑构件的延性性能,对薄弱部位注意加强。对于钢筋的锚固长度尤其是直线段锚固长度,要注意温度应力的影响。平面和立面的布置,要按照均匀、对称和规整原则进行,考虑多道防线,力争避免出现薄弱层。结构的选型和布置及计算的整个设计过程,要综合考虑各方面因素,并进行极限状态的验算,以保证结构设计的方案安全合理。

4结束语

建筑结构设计是楼层建设的重要组成部分，是一项系统、全面的工作，牵扯的知识面较广，需要扎实的理论基础、灵活的创新思维和严肃认真的工作态度，更需要我们具有理论联系实际的能力。这就要求设计师在遵循设计规范的条件下，对结构设计方案进行有效地创新和完善，从而设计出高质量的建筑作品。