浅谈建筑结构设计中的问题

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  摘要:建筑类型很多,各类建筑使用性质和组成类型也不相同,建筑设计反映着人类对自然的认知和人类社会的发展的形态。建筑结构设计是一项比较系统的工作,在设计的过程中存在的问题是多种多样的,需要具备灵活的思维及其严肃的工作态度。本文通过几方面简单谈一下,建筑结构设计需要注意的问题。
  关键词:建筑结构;设计;问题
  结构是建筑物赖以存在的物质基础,在一定意义上,结构支配着建筑,这是因为,任何建筑物都要耗用大量的劳力和材料来建造,建筑物首先必须抵抗或承受各种外界的作用如风力、重力、地震等,合理的选择结构材料和结构型式,即可满足建筑物的美学原则,又可以带来经济效益。
  作为一名设计者,只有对基本的结构知识有较深刻的了解,建筑师才能胜任自己的工作,处理好建筑和结构的关系。反之,不是结构妨碍建筑,就是建筑给给结构带来困难。
  一、建筑结构设计原则
  1.多道防线
  安全的结构体系是需要层层设防的,所有的抵抗外力的结构是需要通力合作的。在这一情况下,假如将所有的希望都寄托在某一个构件上,这是非常危险的做法。一般来讲,多肢墙比单片墙要好,这就体现了多道防线的设计思路。
  2.满足使用功能要求
  由于建筑物所处的环境和使用性质不同,除满足空间尺寸要求外,还要满足某些建筑物的特殊要求,如保温、通风、隔热、吸声等,在构造设计时要综合相关专业的技术知识,优化设计,选择经济合理的构造措施,满足建筑使用功能要求。
  3.刚柔并济
  科学的建筑结构体系需要是刚柔相济的。假如建筑结构太刚则变形的能力较差,在收到强大的破坏力时,很容易造成局部受到损坏而最终全部毁坏;而太柔的建筑结构虽然能够很好的消减外力,但是很容易造成变形过于大而无法使用。建筑结构到底应该刚一定还是柔一点,到目前来看还没有一个统一的定论,但是最终专家们认同一点:刚柔相济是设计者的追求。
  二、建筑结构的基本要求
  新型建筑材料的生产、施工技术的进步、结构分析方法的发展,都给建筑设计带来了灵活性和更广阔的空间。但是,这种灵活性并不排除现代建筑结构需要满足的基本要求。其要求包括以下方面:
  1.稳定。整体结构或结构的一部分作为刚体不允许发生危险的运动,这种危险可能来自结构自身,也可能来自地基的不均匀沉陷或基土的滑移,例如意大利的比萨斜塔由于地基不均匀沉降引起的倾斜。
  2.平衡。平衡的基本要求就是保证结构和结构的任何一部分都不发生运动,力的平衡条件总能得到满足,从宏观上来看,建筑物总是静止的。平衡的要求是结构与“机构”即几何可变体系的根本区别,因此建筑结构的任何部分都应当是几何不变的。
  3.经济。现代建筑的结构部分造价通常不超过建筑总造价的30%,因此,结构的采用应当是使建筑的总造价最经济。结构的经济性并不是指单纯的造价,而是体现在多个方面,而且结构的造价受材料和劳动力价格比值的影响,还受施工方法、施工速度以及结构的维护费用的影响。
  4.美观。美学对结构的要求有时甚至超过承载能力的要求和经济要求,尤其是象征性建筑和纪念性建筑更是如此,应当懂得,纯粹质朴和真实的结构会增加美的效果,不正确的结构将明显的损害建筑物的美观。
  5.优化。应在建筑方案设计的基础上,在满足结构安全的前提下,充分优化结构设计,必要时应委托专业的设计公司进行结构设计和结构的优化设计,降低建筑物的自身荷载,减少主要材料的消耗,通过工程概算及其主要技术经济指标分析结构设计的优化程度。
  结构专业的优化设计,不是以牺牲结构安全度和抗震性能来求得经济效益的,而是以结构理论为基础,以工程经验为前提,以对结构设计规范实质内涵的理解和灵活运用为指导,以先进的结构分析方法为手段,对设计进行深入调整、改善与提高,对成本进行审核和监控,是对结构设计再加工的过程。“优化”工作是以原设计为基础,在充分尊重原设计的基础上,着眼于结构体系和结构布置的合理性和高新技术的应用,同时,“优化”的过程也是发现差错、纠正不足的过程,通过优化降低不安全因素,从而保证项目的技术质量和经济质量。结构设计优化是精益求精的过程,将会带来合理的设计、带来经济技术效益。
  实现上述各项要求,在结构设计中就要贯彻“经济合理、技术先进、安全适用、确保质量”的结构设计原则,保证结构和建筑的和谐统一。
  三、建筑结构选型
  一个好的建筑设计,需要有一个好的结构型式去实现。而结构型式的最佳选择,要考虑到建筑上的使用功能、结构上的安全合理、艺术上的造型美观、造价上的经济,以及施工上的可能条件,进行综合分析比较才能最后确定。
  结构选型主要有上部结构选型和基础结构选型这两种。对结构选型的确定必须要经过方案比较、技术经济分析,加以确定。在结构的选型上,一般要以建筑物的功能要求、国家现行结构设计规范的有关要求、场地土的工程地质条件、施工技术、建设工期和环境要求等作为主要的依据。对于方案的选择,其关键就是要以先进性、科学性、可实施性、经济性这四个要素作为前提。首先,“先进性”就是指所用的材料、技术、工艺和结构都是最新最先进的,具有国际或国内的先进标准;其次,“科学性”就是指传力途径和结构受力都要明确合理;再次,“可实施性”就是指用现有的施工技术建造,因地制宜,因地选材,从实际出发,方便施工建设;最后,“经济性”则是指降低材料的消耗、减少劳动力的使用量以及建筑物的维护费用等,以求最低的成本建筑高质量的工程建筑物,满足施工企业的利润要求。不管采用哪一种结构体系,都要以工程建筑物的用途、施工条件高度和经济指标等作为重要的依据,然后再经过方案比較后讨论确定下来。通常情况下,是按照砌体结构、框架结构、框架—剪力墙结构、剪力墙结构和筒体结构的顺序来考虑结构体系的选择。
  多层和高层房屋结构的主要承重结构体系有:混合结构体系、框架结构体系、剪力墙结构体系等。
  1.混合结构体系
  这是多层民用建筑房屋中最常用的一种结构型式,其墙体、基础等竖向构件采用砌体结构,而楼盖、屋盖等水平构件则采用钢筋混凝土梁板结构。
  2.框架结构体系
  与混合结构类似,框架结构也可分为横向框架承重、纵向框架承重及纵横双向框架共同承重等布质形式。一般房屋框架采用横向框架承重,在房屋纵向设置连系梁与横向框架相连;当楼板为预制板时,楼板顺纵向布置,楼板现浇时,一般设置纵向次梁,形成单向板肋形楼盖体系。当柱网为正方形或接近正方形,或者楼面活荷载较大时,也往往采用纵横双向布置的框架,这时楼面长采用现浇双向板楼盖或井字梁楼盖。
  框架结构体系包括全框架结构、内框架砖房和底部框架上部砖房几种形式。现浇钢筋混凝土框架结构房屋的适用高度分别为60m、55m、45m和25m。现浇框架结构的整体性和抗震性能都较好,建筑平面布置也相当灵活,广泛用于6——15层的多层和高层房屋,如学校的教学楼、实验楼、办公楼、医院等(其经济层数为10层左右、房屋的高宽比以5——7为宜)。在水平荷载作用下,框架的整体变形为剪切型。
  结束语:建筑住宅在国家基本建设投资中占有很大的比例,因此在建筑结构设计中必须正确处理适用、经济、美观等几方面的关系。根据不同类型的建筑,正确的把握好结构的类型,更不能忽略建筑设计的经济性,要在满足使用要求下,用较少的投资建造美观、简洁、大方的建筑,让人们居住的更加舒适、健康。
  参考文献:
  [1]熊丹安,建筑结构,华南理工大学出版社,2009年版
  [2]徐传亮,光军,建筑结构设计优化及实例,中国建筑工业出版社,2012年版
  [3]何益斌 建筑结构,中国建筑工业出版社,2005年版
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