结构设计的新思路

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　　摘 要：结构设计简而言之就是用结构语言来表达建筑师及其它专业工程师所要表达的东西。结构语言就是结构师从建筑及其它专业图纸中所提炼简化出来的结构元素，然后用这些结构元素来构成建筑物或构筑物的结构体系，包括竖向和水平的承重及抗力体系。把各种情况产生的荷载以最简洁的方式传递至基础。结构设计的内容由上可知为：基础的设计、上部结构的设计和细部设计。其中概念设计贯穿整体。关键词：结构设计 设计阶段 基本方法 高层建筑设计 框架结构
　　 一、结构设计的概念及内容结构设计简而言之就是用结构语言表达建筑师及其它专业工程师所要表达的东西。结构语言就是结构师从建筑及其它专业图纸中所提炼简化出来的结构元素，包括基础、墙、柱、梁、板、楼梯、大样细部等。然后用这些结构元素来构成建筑物或构筑物的结构体系，包括竖向和水平的承重及抗力体系，把各种情况产生的荷载以最简洁的方式传递至基础。结构设计的内容由上可知为:基础的设计、上部结构设计和细部设计。
　　 概念设计的宗旨是在特定的空间形式、功能和地理条件下，以结构工程师自身确定的理想承载力、刚度和延性为主导目标，用整体构思来设计各部分有机相连的结构总体系，并能有意识地利用和发挥结构总体系和主要分体系、以及分体系与构件之间的最佳受力特征与协调关系。 二、结构设计阶段结构设计的阶段大体可以分为三个阶段：结构方案阶段、结构计算阶段和施工图设计阶段。1、方案阶段的内容根据建筑的重要性，建筑所在地的抗震设防烈度，工程地质勘查报告，建筑场地的类别，以及建筑的高度和层数来确定建筑的结构形式(例如砖混结构、框架结构、框剪结构、剪力墙结构、筒体结构、混合结构等)。确定了结构的形式之后就要根据不同结构形式的特点和要求来布置结构的承重体系和受力构件。2、结构计算阶段的内容(1)荷载的计算。荷载包括外部荷载(例如风荷载、雪荷载、施工荷载、地下水的荷载、地震荷载、人防荷载等)和内部荷载(例如结构的自重荷载、使用荷载、装修荷载等)。上述荷载的计算要根据荷载规范的要求和规定采用不同的组合值系数和准永久值系数等来进行不同工况下的组合计算。(2)构件的试算。根据计算出的荷载值，构造措施要求，使用要求及各种计算手册上推荐的试算方法来初步确定构件的截面。(3)内力的计算。根据确定的构件截面和荷载值来进行内力的计算，包括弯矩、剪力、扭矩、轴心压力及拉力等。(4)构件的计算。根据计算出的结构内力及规范对构件的要求和限制(比如轴压比、剪跨比、跨高比、裂缝和挠度等)来复核结构试算的构件是否符合规范规定和要求。如不满足要求,则要调整构件的截面或布置直到满足要求为止。3、施工图设计阶段的内容根据上述计算结果，来最终确定构件布置和构件配筋，以及根据规范的要求来确定结构构件的构造措施。三、各设计阶段的基本方法目前国内结构设计所用的设计方法是概率极限状态设计法，作用效应必须小于等于结构抗力，结构要满足强度条件和位移条件。内力计算采用的力学模型一般是弹性模型 ,要考虑塑性变形内力重新分布时 ,往往是利用弹性模型计算所得的内力乘以一个调整系数。
　　 手算与计算机算所采用的计算方法、理论、计算模型是有差别的。结构计算的工作量是很大的，采用手算时要在工作量和计算精度之间折中。手算时为减少工作量，受力体系应尽量简化为平面力系，计算中作一些假设，要利用经验值和图表，用计算机进行合理的结构内力计算，需要优秀的结构计算程序。作为结构设计人员应学习计算机所用的计算理论，并要知其所以然。结构设计程序的出现并没有降低对设计人员的要求，相反，它要求设计人员学习更先进的计算理论。目前许多结构计算程序都有一个弊端:即计算过程的屏蔽，使用者只管输入数据和看结果，对计算过程一无所知，不知道计算过程建立的基础及其适用范围 ，这是潜在的危险。一个优秀的结构计算程序应该提供程序所采用的计算理论的详细说明，说明其采用的计算模型、计算假设、适用范围等。另外，应允许使用者干预计算过程，充分发挥设计者的主观能动性和创造力。根据方案阶段的主要内容，其基本方法就是根据各种结构形式的适用范围和特点来确定结构应该使用的最佳结构形式，这要看规范中对于各种结构形式的界定和工程的具体情况而定，关键是清楚各种结构形式的极限适用范围，还要考虑合理性和经济性。1、结构计算阶段根据方案阶段确定的结构形式和体系，依据规范上规定的具体的计算方法来进行详细的结构计算。规范上的方法有多种，关键是结合工程的实际情况来选择合适的计算方法，以楼板为例，就有弹性计算法、塑性计算法及弹塑性计算法。所以选择符合工程实际的计算方法是合理的结构设计的前提，是十分重要的。2、在施工图设计阶段根据结构计算的结果来用结构语言表达在图纸上。首先表达的东西要符合结构计算的要求，同时还要符合规范中的构造要求，最后还要考虑施工的可操作性。这就要求结构设计人员对规范要很好地理解和把握。另外还要对施工的工艺和流程有一定的了解。这样设计出的结构，才会是合理的结构。
　　
　　四.建筑结构设计的步骤和流程
　　设计人员应根据工程的实际情况，按照“适用性、准确性、规范性、完备性”的原则，选择适合本工程的相应计算软件。
　　 1.正确设置软件的相关参数
　　 在相关计算工作开始之前，应该要根据软件手册和规范的具体要求中对相关参数的描述、结合本工程项目实际，正确设置软件的相关参数以及特殊构件的相关参数。主要注意的的是，结构基本周期、最大地震力作用方向、振型组合数等类似的参数，如果不经过试算很难对其进行较为准确地估算。
　　 （1）结构基本周期。作为计算建筑风荷载的重要参数，合理试算结构基本周期具有非常重要的作用。假如在事先不能够获取它的准确值，则可以利用软件的默认值，经过计算之后从计算书中读取其值，并将其软件选项中的“结构基本周期”，进行重新计算便可。
　　 （2）最大地震力作用方向。该参数主要是指地震具有不同方向的作用力，建筑结构本身对地震的反应情况也存在差异，因此，建筑结构对地震反应值最大的最不利地震作用方向就是最大地震力作用方向。设计软件能够自动求出最大地震力作用方向，同时在计算书中输出；假若该角度的绝对值＞15°，则要把该数值回填到软件选项中的“水平力与整体坐标夹角”，同时进行重新计算，借此体现最大地震作用方向对建筑结构的相关影响。
　　 （3）振型组合数。该数值是软件计算建筑结构抗震能力时考虑振型的数量。进行抗震计算是，要综合考量平扭藕联计算结构的扭转效应，保证振型数≥15。总体说来，建筑的结构自由度、结构层数均密切关联着振型数的多少，例如，在建筑结构层刚度突变较大或者在建筑结构层数较多的时候，应该适当增加振型数的取值。
　　 真确判断计算结果的准确性，不盲目信赖和依靠一体化计算机结构计算程序。
　　
　　 2.设计参数的合理性
　　 相关设计规范均明确要求建筑结构应该确保建筑结构的科学合理性，充分利用计算程序的输出参数与实际工程对比、分析并调整模型，最终确定可用于工程设计的计算结果。其中用来有效控制结构合理性的指标主要有：层间受剪承载力之比、刚重比、刚度比、剪重比、（层间）位移比以及周期比等。
　　 （1）层间受剪承载力之比。该指标是结构竖向不规则进行有效控制的重要指标之一。其限值可以参考《建筑抗震设计规范》以及《高层民用建筑混凝土结构技术规程》。

　　 （2）刚重比。该指标是重力荷载与结构刚度的比值。刚重比在控制结构整体稳定性方面发挥着重要作用，同时也是对重力二阶效产生重要影响的参数之一。如果该数值不能够满足相关要求，则非常可能导致结构的失稳倒塌。
　　 （3）刚度比。该指标是对结构竖向不规则进行有效控制的重要指标。软件提供了3种不同的刚度比计算途径，即地震力与相应层间的位移比、剪弯刚度以及剪切刚度。
　　 （4）剪重比。该指标在抗震设计中非常重要。基于安全的角度，有关规范对各楼层水平地震力的最小值进行明确地规定。如果剪重比不符合标准，就表明结构存在着明显的薄弱位置，必须进行必要的调整。
　　 （5）（层间）位移比。该指标是对结构平面不规则性进行控制的重要指标。（层间）位移比限值在《建筑抗震设计规范》以及《高层民用建筑混凝土结构技术规程》中均有明确规定，此处不赘述。
　　 （6）周期比。该指标是对结构扭转效应进行有效控制的重要指标。周期比的目的更加合理更加有效地进行抗侧力构件的平面布置，保证结构不出现太大的扭转。《高层民用建筑混凝土结构技术规程》中对以结构扭转为主的第一自振周期Tt与以平动为主的第一自振周期T1之比的要求给出了规定。假如周期比不符合规范的标准，则表示该结构的扭转效应显著，应该降低建筑结构中间构件的刚度，同时提高建筑结构周边构件的刚度，最终增强建筑结构的整体抗扭刚度。
　　 3.优化设计单构件
　　 结构计算完毕，除对整体分析结构进行判断和调整外，还应对构件的配筋的合理性进行分析判断。
　　 （1）梁和柱。《抗震规范》要求梁端纵向受拉钢筋的最大配筋率2.5%，当大于此值时，提示超筋；混凝土梁斜截面计算要满足最小截面的要求，如不满足则提示超筋。
　　 （2）剪力墙暗柱超筋：软件给出的暗柱最大配筋率是按照4%控制的，而各规范均要求剪力墙主筋的配筋面积以边缘构件方式给出，没有最大配筋率。所以程序给出的剪力墙超筋是警告信息，可以酌情考虑。
　　 （3）柱轴压比计算。软件在计算柱轴压比时，当工程考虑地震作用，程序仅取地震作用组合下的的柱轴力设计值计算；当该工程不考虑地震作用时，程序才取非地震作用组合下的柱轴力设计值计算。
　　 （4）剪力墙轴压比计算：软件在按《抗震规范》计算剪力墙轴压比时，是按单向计算的，这与《高规》中规定的短肢剪力墙轴压比按双向计算有所不同，设计人员可以酌情考虑。
　　 必要时 应进一步分析，包括手算（导荷载及内力计算）以及采用其他程序进行复核。通过整体调整、局部调整和构件调整完成结构设计。
　　 五、结构设计的未来发展方向
　　 1、概念设计将发挥越来越大的作用。概念设计是指正确地解决总体方案、 材料使用和细部构造的问题 ,以达到合理抗震设计的目的。它是根据抗震设计的复杂性、难以精确计算而提出来的一种从宏观上实现合理抗震，避免不必要的繁琐计算，同时为抗震设计创造有利条件，使计算分析结果更能反映地震时结构反应的实际情况的设计方法。
　　 2、采用先进的计算理论。空间受力分析，非弹性变形分析，塑性内力分析 ，由加载到破坏全过程的受力分析，时程分析，最优化设计，方案优化等先进科学的设计方法及理论将得到更广泛的应用。
　　 3、采用主动设计，使设计更合理、更经济今后的设计除了提高结构抗力外 ，还应考虑尽可能地降低作用效应。因为降低作用效应对增加结构安全性，降低造价，节约投资意义重大。
　　 4、使用具有高强、轻质、环保等特点的新型建材建造物的自重在结构设计中占有很大的比重，使用轻质、高强的建材，将使建筑结构设计发生革命性的变化。
　　 结语：建筑结构设计是建筑施工的前期规划，直接影响到建筑的质量和成本，因此，我们广大工程设计人员要深刻领会各种规范中的实质性内容，在设计的过程中除了要严格按照规范规定作业外，还要多动脑筋，根据实际情况灵活运用，善于总结经验，对一些规范中规定不是很明确的问题，要多进行调查研究，绝对不能闭门造车。千里之行，始于足下，设计人员要从一个个基本的构件算起，做到知其所以然，深刻理解规范和规程的含义，并密切配合其它专业来进行设计。在工作中应事无巨细，善于反思和总结工作中的经验和教训。
　　 参考文献（1）林同炎，S・D・思多台斯伯利 著《结构概念和体系》（建筑工业出版）。（2）戴国莹，李德虎著《建筑结构抗震鉴定及加固的若干》（建筑结构，1999（4））（3）高立人，王跃著《结构设计的新思路――概念设计》（建筑 ，1999（1））
　　（4）李国胜著《建筑结构裂缝及加层加固疑难问题的处理――附实例》（北京：中国建筑工业出版社, 2006）

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