建筑结构设计方案研究和计算
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摘要：在今天，建筑结构的多样化和建筑的多功能化无疑增加了建筑设计的困难程度和复杂程度。总结工作经验，简略探讨了建筑结构设计方案，着重分析了建筑结构设计计算的相关问题。
关键词：建筑结构设计；计算；方案研究
今天的建筑规范对建筑结构的可靠性、配筋构造以及设计计算提出了比较高的要求，更加重视建筑结构的整体性和规则性。同时，人们审美理念的变化与提高、生活质量的提高等使得今天的建筑结构趋于多样化、建筑趋于多功能化，这些因素无疑增加了建筑设计的困难程度和复杂程度。在本文中，笔者总结工作经验，对建筑结构设计方案进行了简略的探讨，并对建筑结构设计计算的相关问题进行了重点分析和研究。
1.不能忽视概念设计
1.1概念设计的重要作用
在进行结构设计时，计算机的辅助作用虽然不能够忽视，但是也不能单纯依赖计算机，否则无法设计出既合理又经济的建筑结构。
依照《建筑抗震设计规范》的要求，建筑设计必须满足抗震概念设计的相关准则，禁止使用严重不规则的建筑设计方案。在本质上说，建筑结构的方案设计与概念设计不仅相关协调，而且相互影响。进行建筑结构概念设计的目的就是进行明确初步设计方案之前，根据当地的施工条件、施工材料情况、资金筹措情况等为本工程提供一个整体性方案，确保建筑工程绿色节能、高效经济。同时，为建筑结构体系提供一个科学合理的设计方案也是建筑结构概念设计的重要目标之一。
1.2建筑结构体系的分类
当前，建筑的结构体系可以按以下分类：（1）框架结构体系。因其抗侧刚度较小，多用于中、小高层办公建筑。（2）剪力墙结构体系。由于其通过建筑墙体承担竖向和侧向荷载，抗侧刚度远大于框架结构，故常用于高层住宅和高层公寓。（3）框架-剪力墙结构体系。其抗侧刚度介于二者之间，且具有二者的优点，使用范围极广。（4）框架-剪力桁架结构体系。常见于钢结构高层建筑，主要由后者承担侧向荷载。（5）框架-核芯筒结构体系。由建筑内部剪力墙组成的核芯筒和外部框架组合而成，外框架承担竖向荷载，核芯筒承担侧向荷载。（6）筒中筒结构体系。由钢筋混凝土内外筒体组成共同承担竖向和侧向荷载。
众多的结构体系可供结构工程师选择，选取一种或几种体系作为备选，是概念设计时应该确定的。在初步设计时，通过精心的结构计算和技术经济比较选定最经济合理的结构体系。
2.建筑结构设计的步骤和流程
2.1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。
2.2明确建筑结构的科学合理性
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，其中用来有效控制建筑结构科学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。
2.3优化设计单构件
（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。
参考文献：
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[4]中华人民共和国行业标准．高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）[S]．北京：中国建筑工业出版社，2002.
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[6]张维斌．多层及高层钢筋混凝土结构释疑及工程实例[M]．北京：中国建筑工业出版社，2005.
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