淺談建筑物結(jié)構(gòu)體系的概念設(shè)計(jì)

司道林

(濟(jì)南工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工程管理學(xué)院，山東 濟(jì)南 250200)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國的中高層建筑也向著高而復(fù)雜的趨勢(shì)發(fā)展，從而產(chǎn)生了越來越多的高層、超高層及一些體型不規(guī)則的高層建筑物。這種發(fā)展趨勢(shì)造成了建筑師更加追求建筑物的外部體型，從而忽略了建筑物結(jié)構(gòu)體系的概念，使建筑師和結(jié)構(gòu)師在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)造方面產(chǎn)生了極大的矛盾和沖突。多次地震災(zāi)害中房屋的破壞情況均表明：多數(shù)建筑物倒塌的主要原因并不是施工的原因[1]，而是由于設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)體系的概念不清楚，設(shè)計(jì)不合理，從而導(dǎo)致建筑物在地震的作用下產(chǎn)生嚴(yán)重破壞。

1 結(jié)構(gòu)體系概念設(shè)計(jì)的重要性

土建類專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行建筑物結(jié)構(gòu)體系概念設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)，能夠使他們弄懂建筑物受力特征和力學(xué)的傳遞特性，使其能夠從整體上把握建筑物結(jié)構(gòu)體系的受力特性，對(duì)后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和應(yīng)用有著至關(guān)重要的作用。

對(duì)于剛剛從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工程技術(shù)人員來說，進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)體系概念設(shè)計(jì)的分析，能使其在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)合理的選擇建筑物的結(jié)構(gòu)體系形式，正確的運(yùn)用力學(xué)概念分析建筑物各結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接的合理性，明確各結(jié)構(gòu)構(gòu)件和建筑物主體結(jié)構(gòu)的關(guān)系，為下一步進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備。

2 結(jié)構(gòu)體系概念設(shè)計(jì)的整體性

在進(jìn)行建筑物結(jié)構(gòu)體系的概念設(shè)計(jì)分析的過程中，要從整體性的角度對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面考慮，其中主要涉及建筑物整體結(jié)構(gòu)形式、局部結(jié)構(gòu)構(gòu)件和兩者的相互關(guān)聯(lián)，著重考慮建筑物結(jié)構(gòu)體系形式的選擇對(duì)結(jié)構(gòu)整體和關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力變形的影響。

如何理解和把握建筑物結(jié)構(gòu)體系的整體性呢？可以把建筑物看成一個(gè)整體，看成為一個(gè)總的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。以現(xiàn)在常見的高層建筑為例，可以把高層建筑看作為一個(gè)支撐在地面上的豎向懸臂梁[2]。

2.1 受力平衡的角度

從受力平衡的角度分析，高層建筑物在自重、豎向荷載和水平荷載的合力作用下，可以使建筑物自身達(dá)到受力平衡。但是，隨著水平荷載作用的增大或者變化，例如，地震作用、風(fēng)荷載等，必定會(huì)導(dǎo)致建筑物產(chǎn)生整體傾覆轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)大量數(shù)據(jù)表明：只要控制建筑物偏心距不超過某一特定數(shù)值，建筑物的自重就能夠保證它的整體傾覆穩(wěn)定性。因此，我們?cè)谶M(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮這一因素，合理控制建筑物的偏心距。

圖1 建筑物整體受力簡(jiǎn)圖

對(duì)于非規(guī)則性的建筑物，由于其結(jié)構(gòu)體系的非對(duì)稱性，在抵抗水平荷載作用下的建筑物就比較容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。因此，在進(jìn)行建筑外觀設(shè)計(jì)時(shí)，我們應(yīng)該遵循均勻、規(guī)則、對(duì)稱的原則，從結(jié)構(gòu)體系的整體概念上減少建筑物發(fā)生扭轉(zhuǎn)傾覆的概率。

2.2 力的傳遞角度

從力的傳遞角度分析，我們可以把建筑物看成一個(gè)整體的空間受力結(jié)構(gòu)，建筑物的內(nèi)外墻、梁柱、樓蓋、屋蓋等構(gòu)件不僅是建筑物空間的分隔構(gòu)件，又是建筑物的結(jié)構(gòu)體系的一部分，從而保證整個(gè)結(jié)構(gòu)能夠有效的承擔(dān)水平荷載和豎向荷載并按照明確的路線傳至基礎(chǔ)。

把整個(gè)建筑物分為水平結(jié)構(gòu)體系和豎向結(jié)構(gòu)體系兩個(gè)分結(jié)構(gòu)體系，兩者相互協(xié)同工作。水平結(jié)構(gòu)體系主要有梁構(gòu)件、板構(gòu)件和梁板組合構(gòu)件，主要承受豎向荷載和水平荷載，并把所受荷載傳遞分配到豎向結(jié)構(gòu)體系[3]。除此之外，水平結(jié)構(gòu)體系還起著分隔豎向空間和連接豎向結(jié)構(gòu)的作用。豎向結(jié)構(gòu)體系主要有柱構(gòu)件和墻構(gòu)件，主要承受水平荷載，并把水平結(jié)構(gòu)體系傳來的荷載進(jìn)行分配并最終傳遞到基礎(chǔ)。

3 結(jié)構(gòu)體系的協(xié)同工作

建筑物中的水平結(jié)構(gòu)體系和豎向結(jié)構(gòu)體系是通過相互連接協(xié)同工作的。在現(xiàn)澆鋼筋混凝土建筑中，施工時(shí)把水平結(jié)構(gòu)體系中的梁構(gòu)件和板構(gòu)件一同澆筑，形成了“T形梁”的梁板組合結(jié)構(gòu)共同抵抗彎矩，如圖2所示。水平結(jié)構(gòu)體系中的梁構(gòu)件和豎向結(jié)構(gòu)體系中的柱構(gòu)件剛接形成為框架結(jié)構(gòu)體系，共同抵抗側(cè)向力，如圖3所示。

圖2 梁板結(jié)構(gòu)體系

圖3 框架結(jié)構(gòu)體系

由水平結(jié)構(gòu)體系的梁、板構(gòu)件與豎向結(jié)構(gòu)體系的柱、墻構(gòu)件共同組成框架-剪力墻空間結(jié)構(gòu)體系，可以更好地抵抗兩個(gè)方向的側(cè)向力，如圖4所示。由鋼筋混凝土剪力墻澆筑而成的電梯間、樓梯間及其他豎向的設(shè)備管道，能夠組成剛性的井筒結(jié)構(gòu)，可以承受豎向荷載，同時(shí)更好地抵抗水平荷載。

圖4 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系

總結(jié)構(gòu)體系和水平分結(jié)構(gòu)體系、豎向分結(jié)構(gòu)體系相互關(guān)聯(lián)、相互影響。把建筑物看成一個(gè)總結(jié)構(gòu)體系，提出細(xì)部設(shè)計(jì)要求，選擇合理的結(jié)構(gòu)體系，使水平荷載和豎向荷載通過分結(jié)構(gòu)體系的相互作用傳遞到建筑物的基礎(chǔ)上。分結(jié)構(gòu)體系的合理設(shè)計(jì)和分結(jié)構(gòu)體系之間的合理組合會(huì)使總結(jié)構(gòu)體系受力更加明確合理，各分結(jié)構(gòu)體系的合理布置能夠增大建筑物的整體抵抗側(cè)向力和側(cè)移的能力。例如，將建筑物所有現(xiàn)澆鋼筋混凝土外剪力墻連接起來，就相當(dāng)于在建筑物外側(cè)澆筑了一個(gè)鋼筋混凝土筒體，這樣就增大了建筑物抵抗水平荷載和扭轉(zhuǎn)的能力，如圖5所示。把上述結(jié)構(gòu)體系與建筑物內(nèi)部的電梯間、樓梯間和設(shè)備管道井筒等結(jié)合起來，可以形成筒中筒結(jié)構(gòu)，既能夠使整個(gè)結(jié)構(gòu)有效的抵抗彎矩，也有足夠的抗剪剛度，如圖6所示。

圖5 筒體結(jié)構(gòu)體系

圖6 筒中筒結(jié)構(gòu)體系

對(duì)于高層或超高層建筑來說，應(yīng)該每隔十幾層設(shè)置一個(gè)設(shè)備層[4]，用于安放管道或其他設(shè)備。進(jìn)行概念設(shè)計(jì)時(shí)，我們應(yīng)該把這些設(shè)備層考慮設(shè)計(jì)成為主要承載的水平結(jié)構(gòu)體系，與豎向井筒相連，形成巨型框架結(jié)構(gòu)，使建筑物的整體性更強(qiáng)，如圖7所示。

圖7 巨型框架結(jié)構(gòu)體系

4 結(jié) 語

建筑物結(jié)構(gòu)體系的概念設(shè)計(jì)對(duì)于高等學(xué)校土建類專業(yè)教師的教學(xué)和建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程技術(shù)人員都是至關(guān)重要的，也是在實(shí)際中最容易被忽視的，我們要系統(tǒng)的理解和掌握建筑物結(jié)構(gòu)體系的整體概念[5]，重視結(jié)構(gòu)體系的概念設(shè)計(jì)，使建筑物的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加合理可靠。