結(jié)構(gòu)方案與概念設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)方案與概念設(shè)計(jì)理念、知識(shí)、方法整體是由部分所組成，但決不是部分簡(jiǎn)單的疊加只有知其所以然，才能真正地知其然基本內(nèi)容結(jié)構(gòu)總體方案與概念設(shè)計(jì)的意義建筑形體和結(jié)構(gòu)總體布置樓蓋體系的方案選擇與設(shè)計(jì)

1結(jié)構(gòu)總體方案與概念設(shè)計(jì)的意義

1.1引言傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)體制使得結(jié)構(gòu)師基本不參與建筑設(shè)計(jì)的方案階段；傳統(tǒng)的專業(yè)教育使得結(jié)構(gòu)師習(xí)慣于從細(xì)節(jié)上考慮問(wèn)題，對(duì)總體方案缺乏興趣；傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)習(xí)慣將會(huì)導(dǎo)致建筑空間形式和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念之間的不協(xié)調(diào)，給設(shè)計(jì)埋下后患；部分結(jié)構(gòu)師會(huì)認(rèn)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是“規(guī)范＋計(jì)算”，喪失了一個(gè)工程師基本的判斷力與創(chuàng)造力。1.2幫助建筑師開(kāi)拓空間形式與功能

——?jiǎng)?chuàng)造力和創(chuàng)新是結(jié)構(gòu)師對(duì)設(shè)計(jì)的貢獻(xiàn)真正的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅是一門(mén)專業(yè)技術(shù)，更是一門(mén)藝術(shù)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沒(méi)有唯一解，只有通過(guò)不斷探索，優(yōu)化的相對(duì)最優(yōu)。結(jié)構(gòu)師的首要任務(wù)就是以自身?yè)碛械慕Y(jié)構(gòu)體系功能及其受力、變形特性的整體概念和判斷力，幫助建筑師開(kāi)拓或?qū)崿F(xiàn)已初步構(gòu)思的空間形式及其使用、構(gòu)造和形象功能。結(jié)構(gòu)師應(yīng)與建筑師一起構(gòu)思總結(jié)構(gòu)體系，并能明確結(jié)構(gòu)總體系和主要分體系之間的最佳受力特征要求；建筑師的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想無(wú)法代替結(jié)構(gòu)師的工程設(shè)計(jì)理念、經(jīng)驗(yàn)和判斷力；結(jié)構(gòu)師必須從整體概念來(lái)構(gòu)思總體方案，創(chuàng)造性地去探索總體系、分體系和構(gòu)件設(shè)計(jì)的關(guān)系，并不斷地反饋、優(yōu)化。習(xí)慣于概念設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)師總是能在不斷比較、反饋和優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中感受到樂(lè)趣。1.3承載力、剛度、延性為主導(dǎo)的概念設(shè)計(jì)

——土木工程師不僅是可靠的應(yīng)力計(jì)算者，更應(yīng)該是一個(gè)有魄力、足智多謀、能正確判斷事物的設(shè)計(jì)者。概念設(shè)計(jì)是在特定條件下，以結(jié)構(gòu)師確定的理想承載力、剛度和延性為主導(dǎo)目標(biāo)，用整體構(gòu)思來(lái)設(shè)計(jì)各部分有機(jī)相連的結(jié)構(gòu)總體系，并有意識(shí)地利用和發(fā)揮結(jié)構(gòu)總體系和主要分體系、以及分體系與構(gòu)件之間的最佳受力特征與協(xié)調(diào)關(guān)系。利用概念性的近似計(jì)算，迅速有效地對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行構(gòu)思、比較與選擇，估算出主要分體系及其構(gòu)件的基本尺寸，提供基本的結(jié)構(gòu)模型和原始數(shù)據(jù)。

結(jié)構(gòu)中的風(fēng)荷載與地震作用

風(fēng)荷載與地震作用是結(jié)構(gòu)兩種主要的水平荷載，其引起的側(cè)移與結(jié)構(gòu)的剛度直接相關(guān)；結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載和地震作用下引起的側(cè)移是截然不同的，結(jié)構(gòu)剛度大對(duì)于抗風(fēng)有利，但會(huì)引起較大的地震作用。結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的總體目標(biāo)，有一個(gè)多道防線、剛?cè)峤Y(jié)合的理想剛度目標(biāo)。抗震設(shè)計(jì)中的“三水準(zhǔn)、二階段”方法？結(jié)構(gòu)物應(yīng)具有一定大的剛度和承載力來(lái)抵御風(fēng)荷載和小震，保證結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)；第一道防線有意屈服后，再結(jié)構(gòu)變?nèi)岬耐瑫r(shí)仍具有足夠的彈塑性變形能力和延性耗能能力來(lái)抵御可能出現(xiàn)的罕遇地震；多道防線、剛?cè)峤Y(jié)合作為理想目標(biāo)，通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)和構(gòu)造措施滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。罕遇地震強(qiáng)度無(wú)法預(yù)估，盲目加大結(jié)構(gòu)整體剛度是不可行的。值得重視的幾條基本原則應(yīng)將復(fù)雜的變成簡(jiǎn)單。結(jié)構(gòu)的受力與傳力途徑越簡(jiǎn)單、直接和明確越好。避免出現(xiàn)以抗扭為主導(dǎo)的關(guān)鍵性傳力構(gòu)件。應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)平面布置的正交抗側(cè)力剛度中心與荷載作用中心或質(zhì)心靠近，重合，以避免或減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng)及其相應(yīng)的破壞。豎向抗側(cè)力構(gòu)件的剛度最好設(shè)計(jì)成均勻、連續(xù)，避免軟弱層和層間位移角、內(nèi)力及傳力途徑的突變。應(yīng)重視上部結(jié)結(jié)構(gòu)與其支承承結(jié)構(gòu)整體共共同作用的機(jī)機(jī)理，即傳力力者與受力者者共同抗力的的概念。建筑筑物是整體的的三維空間結(jié)結(jié)構(gòu)，所有的的構(gòu)件都是以以相當(dāng)復(fù)雜的的方式在共同同協(xié)調(diào)工作，，而不是脫離離總結(jié)構(gòu)體系系的孤立構(gòu)件件。應(yīng)遵循能有效效增大結(jié)構(gòu)抵抵抗側(cè)向力和和側(cè)移能力，，而無(wú)需增加加更多成本的的基本理念：：1）盡可能加加大抗測(cè)構(gòu)件件的抗傾覆力力臂；2）設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)構(gòu)分體系，應(yīng)應(yīng)使其構(gòu)件能能以有效方式式共同作用；；3）絕大部分分荷載應(yīng)有抗抗傾覆構(gòu)件直直接承擔(dān)；4）在抗測(cè)體體系中應(yīng)合理理布置剪力墻墻或柱間支撐撐；5）每層樓蓋蓋都應(yīng)起到水水平隔板的作作用，以保證證各豎向構(gòu)件件能共同協(xié)調(diào)調(diào)工作。1.4結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計(jì)沒(méi)有唯唯一解——結(jié)構(gòu)工工程師應(yīng)不斷斷探求應(yīng)用自自然法則，而而不是盲從規(guī)規(guī)范實(shí)際的建筑結(jié)結(jié)構(gòu)是整體的的三維空間結(jié)結(jié)構(gòu)，所有的的構(gòu)件都是以以相當(dāng)復(fù)雜的的方式在共同同協(xié)調(diào)工作，，而不是脫離離總結(jié)構(gòu)體系系的孤立構(gòu)件件。建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范范只是提供建建筑物所應(yīng)具具有的“最低低”要求的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，隨著工工程技術(shù)的發(fā)發(fā)展，規(guī)范條條文永遠(yuǎn)是滯滯后的。應(yīng)用規(guī)范進(jìn)行行設(shè)計(jì)時(shí)必須須謹(jǐn)記“小心心”二字。一個(gè)結(jié)構(gòu)工程程師一方面必必須熟悉、了了解和吃透規(guī)規(guī)范條文的真真實(shí)含義，另另一方面也只只能把規(guī)范作作為一種指導(dǎo)導(dǎo)、依據(jù)，而而不是當(dāng)作圣圣旨。1.5運(yùn)用用正確的判斷斷力把握設(shè)計(jì)計(jì)即使在電子計(jì)計(jì)算機(jī)時(shí)代，，設(shè)計(jì)者仍應(yīng)應(yīng)運(yùn)用自身的的結(jié)構(gòu)概念、、經(jīng)驗(yàn)、判斷斷力和最新觀觀念來(lái)主導(dǎo)設(shè)設(shè)計(jì)。概念設(shè)計(jì)雖有有一定誤差，，但概念清楚楚、定性準(zhǔn)確確、簡(jiǎn)單快捷捷，能很快選選出最佳方案案和估算出構(gòu)構(gòu)件的基本尺尺寸，也是判判斷計(jì)算機(jī)軟軟件輸出數(shù)據(jù)據(jù)是否可靠的的依據(jù)。任何計(jì)算分析析程序都有其其基本假定、、應(yīng)用范圍和和限制條件。。手算雖有一定定誤差，但難難出大錯(cuò)；計(jì)計(jì)算機(jī)固然先先進(jìn)，但其計(jì)計(jì)算結(jié)果必須須要用正確的的判斷力來(lái)把把握，決不可可完全被程序序計(jì)算結(jié)果左左右。作為一一個(gè)設(shè)計(jì)者，，這是不可動(dòng)動(dòng)搖的原則。。一個(gè)好的設(shè)計(jì)計(jì)主要靠設(shè)計(jì)計(jì)人員自身的的概念、經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)、悟性、判判斷力和創(chuàng)造造力，這是結(jié)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析析程序所無(wú)法法取代的。1.6寄語(yǔ)語(yǔ)珍惜每一次的的設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)，，無(wú)論大小，，都是一個(gè)完完整的有機(jī)結(jié)結(jié)構(gòu)，都應(yīng)激激發(fā)自我的挑挑戰(zhàn)感、創(chuàng)造造感和樂(lè)趣感感。概念、悟性、、判斷力和創(chuàng)創(chuàng)造力不會(huì)憑憑空而來(lái)，都都是在每一各各工程的概念念設(shè)計(jì)中，通通過(guò)自身不斷斷的反饋、比比較、總結(jié)才才能逐漸積累累和充實(shí)。2建筑形體和結(jié)結(jié)構(gòu)總體布置2.1結(jié)構(gòu)總體體布置原則結(jié)構(gòu)師根據(jù)承受豎豎向荷載、抗風(fēng)、、抗震的要求，布布置結(jié)構(gòu)構(gòu)件。結(jié)構(gòu)總體布置與建建筑體形密切相關(guān)關(guān)。抗震房屋的建筑體體形和結(jié)構(gòu)總體布布置原則：1）采用對(duì)抗震有有利的平面、立面面和結(jié)構(gòu)布置，即即采用規(guī)則結(jié)構(gòu)，，不應(yīng)采用嚴(yán)重不不規(guī)則結(jié)構(gòu)。2）具有明確的計(jì)計(jì)算簡(jiǎn)圖。3）具有合理的、、直接的傳力途徑徑。4）具有整體的牢牢固性和盡量多的的結(jié)構(gòu)贅余度。5）構(gòu)件與構(gòu)件之之間，結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)構(gòu)之間應(yīng)有明確的的連接方式。6）設(shè)置多道抗震震防線。2.2對(duì)抗震有有利和不利的建筑筑平面和和結(jié)構(gòu)布置抗震有利平面：簡(jiǎn)簡(jiǎn)單、規(guī)則、對(duì)稱稱、長(zhǎng)寬比較小抗震不利平面：平平面狹長(zhǎng)、突出過(guò)過(guò)多、細(xì)腰型、角角部重疊抗震有利的結(jié)構(gòu)布布置：1）剛心與質(zhì)心盡盡量重合，減小地地震作用下結(jié)構(gòu)扭扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；2）增大結(jié)構(gòu)抗扭扭剛度，減小地震震作用下結(jié)構(gòu)的扭扭轉(zhuǎn)反應(yīng)。2.3對(duì)抗震有有利和不利的建筑筑立面和和結(jié)構(gòu)布置抗震有利立面：規(guī)規(guī)則、均勻、外形形不變或變化較小小，無(wú)過(guò)大的外挑挑或內(nèi)收結(jié)構(gòu)構(gòu)件沿高度布布置應(yīng)連續(xù)、均勻勻，抗側(cè)剛度及承承載力上下相同或或下大上小，避免免剛度突變。底層或中部應(yīng)避免免形成軟弱層、薄薄弱層，頂部剛度度不易過(guò)小，否則則會(huì)形成鞭梢效應(yīng)應(yīng)。3樓蓋體系的方方案選擇與設(shè)計(jì)3.1概述樓蓋體系作為結(jié)構(gòu)構(gòu)水平分體系，在在垂直方向通過(guò)抗抗彎起支承樓面和和屋面荷載的作用用；在水平方向起起隔板和連接豎向向構(gòu)件的作用，并并作為抗測(cè)體系的的一部分。樓蓋體系方案的選選擇應(yīng)考慮：建筑筑空間功能要求的的開(kāi)間大小及其跨跨度的長(zhǎng)寬比、活活荷載的大小、規(guī)規(guī)劃設(shè)計(jì)所限定的的結(jié)構(gòu)層間允許高高度、所需對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)總體系整體剛度度的貢獻(xiàn)和邊支承承條件。樓蓋的結(jié)構(gòu)高度在在高層建筑中尤為為重要。3.2平板體系系主要形式為支承在在方形柱網(wǎng)上的無(wú)無(wú)梁樓板。無(wú)梁樓板可分為柱柱上板帶和中間板板帶經(jīng)濟(jì)適用跨度：預(yù)應(yīng)力平板：7.2～10.5m，跨高比≤45鋼筋砼平板：4.5～7.2m跨高比30～363.3梁－板體體系3.3.1單向向板－梁體系當(dāng)某一方向的梁承承擔(dān)的板面荷載小小于等于總荷載的的20％時(shí)，為單單向板－梁結(jié)構(gòu)。。均布荷載下構(gòu)件變變形與其承擔(dān)的荷荷載和跨度的四次次方成正比，與彈彈性模量和截面慣慣性矩成反比長(zhǎng)向/短向≥1.5時(shí)可按單向板板－梁體系設(shè)計(jì)3.3.2雙向向板－梁體系當(dāng)長(zhǎng)向/短向≤1.5時(shí)可按單向向板－梁體系設(shè)計(jì)計(jì)由于框架梁截面高高度受限，梁剛度度不可能很大，所所以應(yīng)考慮梁板的的共同作用隨梁板剛度比減小小，邊緣板帶所承承受的彎矩會(huì)快速速加大通常的計(jì)算是以梁梁絕對(duì)剛性為假定定的3.3.3現(xiàn)澆澆梁板共同作用的的設(shè)計(jì)概念現(xiàn)澆梁板共同作用用不僅增加了框架架梁的剛度，還提提高了梁端負(fù)屈服服彎矩的承載力。。兩個(gè)問(wèn)題：1）彈性受力分析析時(shí)框架梁的合理理截面形式2）梁端負(fù)彎矩鋼鋼筋的合理分布3.4主－次梁梁體系主－次梁樓蓋體系系實(shí)質(zhì)上就是對(duì)單單向板－梁樓蓋結(jié)結(jié)構(gòu)的一種改進(jìn)，，用較大跨度的主主梁取代短向密布布的柱子，取得更更為寬敞的無(wú)柱空空間。具有如下優(yōu)優(yōu)點(diǎn)：1）主－次梁樓蓋蓋砼平均折算厚度度很小，重量輕；；2）開(kāi)間大，PC(9～12)××(13.5～18)mRC(6～8.1)×(9～12)m3）承載能力大，，活載可達(dá)10～～20kN/m2,甚至更大；4）對(duì)框架結(jié)構(gòu)整整體剛度的貢獻(xiàn)比比平板和雙向密肋肋要大的多。5）結(jié)構(gòu)受力清楚楚，傳力途徑簡(jiǎn)單單明確。主－次梁樓蓋設(shè)計(jì)計(jì)中應(yīng)如何布置柱柱網(wǎng)間距，以取得得最佳的綜合經(jīng)濟(jì)濟(jì)效益？三個(gè)問(wèn)題：1）究竟選擇短跨跨還是長(zhǎng)跨作為主主梁？2）如何調(diào)整連續(xù)續(xù)框架的端跨才更更有利？3）如何利用邊支支承的優(yōu)勢(shì)來(lái)擴(kuò)大大結(jié)構(gòu)跨度？3.4.1柱網(wǎng)網(wǎng)與主、次梁的合合理布局結(jié)構(gòu)布置一方面要要考慮結(jié)構(gòu)受力的的合理性，另一方方面還要考慮建筑筑的功能要求。例1：連續(xù)大空間間建筑往往要求主主、次梁所占結(jié)構(gòu)構(gòu)空間最小。這就就要求通過(guò)調(diào)整主主、次梁的跨度，，最好做到主、次次梁的截面高度相相同。從結(jié)構(gòu)受力力要求還應(yīng)將主梁梁的變形控制在次次梁的1/2～1/3。柱網(wǎng)亦設(shè)計(jì)成矩形形，短跨與長(zhǎng)跨之之比在0.65～～0.7比較合適適。例2：建筑在某一一方向需要連續(xù)空空間，另一方向有有墻體。3.4.2邊跨跨的合理設(shè)計(jì)在其它條件相同時(shí)時(shí)，等跨框架梁截截面的最大正負(fù)彎彎矩都出現(xiàn)在邊跨跨。有兩種優(yōu)