框架式建筑設計方法與應用

馮時宇，任建紅

（青島工學院 建筑工程學院，山東 青島 266300）

結構設計可以提高建筑結構的空間利用率，保證整體布置的科學性和合理性，使建筑整體的功能滿足使用者的需要。在建筑工程中，框架結構是一種承載構件，其結構形式是梁與柱的剛性聯(lián)結，梁與柱能夠承載水平荷載和縱向荷載，是結構體系中的一個主要構件?？蚣芙Y構的重量更輕，材料更少，空間布局可以達到靈活的要求，同時也保證了人們的個性化需求[1]。隨著我國建筑業(yè)的迅速發(fā)展，對建筑的性能、安全的要求也越來越高，框架結構已成為目前建筑結構設計的一個重要組成部分，它也為建筑節(jié)能等諸多問題的研究開辟了一條嶄新的道路。

1 建筑設計

1.1 建筑平面設計

建筑平面是指在建筑物內各個水平方向上，各個構件之間的協(xié)調關系。同時，也反映了各個建筑空間和它們周圍的垂直構件的聯(lián)系。所以，在整體建筑設計中，必須對其平面結構進行分析，而其平面設計中又涉及使用部門與交通部門。首先要明確柱間距，并按照各房的設計要求，通過外墻間隔、地板跨等因素來決定。然后，將建筑平面加以整合。在交通規(guī)劃設計上，根據建筑消防安全的需要，在建筑中部設置兩級樓梯。

1.2 建筑立面設計

采用符合其功能需求的外在形態(tài)，并運用恰當?shù)慕ㄖ囆g手法，以突出其個性特點，從而使其更加鮮明、突出。建筑外觀設計是一種建筑的外觀造型的表現(xiàn)方式。在平面上，沿著水平方向上的各種尺寸和剖面的垂直尺度，畫出4個不同方向的建筑物立面，并調整、統(tǒng)一、加工平面，使之成為一個美觀的整體。在立面設計中，通常先確定建筑內部空間的平面與剖面的關系，畫出各種立面的基本輪廓，進而對整個立面進行進一步的調整。在設計時，應充分考慮各部分的整體比例，兼顧各立面的一致性，并注意相鄰立面的連接和協(xié)調；其次，著重于建筑外墻的改造；在此基礎上，著重對入口門廊、建筑裝飾等進行細致的設計。

1）功能需求不同的建筑，其內部空間結構的組合特征也各不相同，因此，其外部形象也要與之對應。

2）建筑的內部空間結構和外部形體的構造必須以某種形式和技術的方式來完成，因此，建筑立面的設計必須與所使用的材料、結構和施工工藝相適應。

3）立面的設計應符合建筑形態(tài)與立面結構的規(guī)律性，如比例尺度、完整均衡、變化統(tǒng)一等。

4）按照建筑物的用途、面積，嚴格按照國家有關建筑規(guī)范和相關的經濟指標，以最小的投入，建造簡潔明快、樸素大方的建筑物，同時又能達到一定的使用條件。

1.3 建筑剖面設計

建筑剖面設計通常是依據建筑的功能性、規(guī)模性和周圍的環(huán)境條件來決定建筑的豎向布置、層數(shù)、高度及豎向的空間分布和使用情況，以及建筑剖面中的結構和構造關系[2]。建筑截面的外形與建筑的功能需求密切相關，住宅、宿舍、旅館和辦公樓等建筑的截面形狀以矩形為主。剖面設計以平面設計為依據。在剖面設計時，進一步確定建筑的空間組成，同時，還對建筑的平面進行了進一步的設計，以達到合理的空間布局。在進行截面設計時，應先確定層高，同時考慮到建筑物的縱向交通連接部位，例如：樓梯的形式、臺階和踏步等的高度、電梯的布置及數(shù)目等。

1.4 裝飾

外墻是建筑外觀的重要組成部分，其對建筑的視覺效果有很大的影響。所以，外墻的裝修一般要根據建筑自身的使用需求和周邊環(huán)境來選擇，一般采用耐老化、耐光照、耐風化、防水、防腐和抗空氣污染的外墻面飾。

1.5 抗震設計

在抗震設防等級、烈度、結構類型和建筑高度等方面，需要采取不同的設防標準，以實現(xiàn)其抗震目的[3]。以抗震設防的強度作為地震設防依據。通常，抗震設防的基礎是抗震設防的強度。防震設施的強度根據政府批準或公布的區(qū)域防震設施標準的文件確定?？拐鹪O計是建筑設計原理重中之重，其工作原理受地質環(huán)境條件的影響很大。地震工作原理與地質、環(huán)境等因素密切相關。在建筑施工中，由于混凝土柱的受力比較大，尤其是在某些壓力作用下，難以形成恒定性和延性，從而產生實際的變形。為保證承壓構件的可塑性，在進行結構設計時，應采取“強極弱”的設計策略[4]。另外，在設計時，應盡量合理確定轉彎區(qū)域的高度與頂梁和底梁的比值，并通過調整不同內力的密切程度，從而達到改善混凝土的效果。

2 結構設計

2.1 框架結構布置

框架結構的平面布局是指在結構平面圖中確定柱子的位置和承載力的方法?？蚣芙Y構的柱-網布局要考慮到建筑物的功能需求，考慮到力的合理性，便于施工和經濟上的合理性。在不一致的情況下，梁柱核心部位的受力和結構會產生不良的影響，梁柱的偏心距離不能超過柱寬度的1/4。對于具有復雜平面形態(tài)的抗震裂縫，宜將其分為規(guī)則簡單的單元，伸縮縫、沉降縫等均滿足抗震設計的要求[5]。

在垂直方向上，框架結構的垂直布置要盡量做到均一、盡量減少變動，這樣才能保證結構的剛性在垂直方向上保持一致。在垂直方向有不同要求的情況下，應盡可能地保證其變化的均勻性，以防止因豎向剛度的突變而引起的應力集中。在抗震設計中，梁、柱應盡量保證結構的整體高度，而不應采用抽柱、抽梁等措施，以改變傳遞路徑；不能在同一樓層內改變柱的橫斷面；在同一結構單元時，要注意由錯層引起的短柱；屋頂部分伸出的塔樓不應位于房屋的最后面。在水平方向上，框架結構的平面柱網應具有同樣的尺寸，當柱子截面發(fā)生改變時，應盡量保持其軸線不變，或者只有極小的偏心。在框架結構的抗震設計中，不能采用局部砌塊墻體的混合結構?？蚣芙Y構的填充墻及隔斷應選擇輕型墻體，如采用砌塊填充墻，應遵循下列原則：避免引起上部、下部剛性的過度改變；減少因橫向剛度偏移而產生的扭轉。

2.2 框架內力計算分析

目前，人們在計算建筑框架結構時，通常使用PKPM、CAD等計算機軟件。在豎向荷載影響下，不考慮對結構的側向位移的影響，采用了分層法和二次分配法。在水平荷載下，常使用人工計算，一般使用D值法計算。分層法是以每一級的下梁上柱作為基礎的計算單位，末端部均按固端來計價。首先，估算了梁端在豎直載荷作用下的最大梁端的固端彎矩，各單位中的一次最大彎矩僅在該單位中進行，而上下單元之間是沒有發(fā)生位移的。在彎矩分布完畢后，將梁的平衡彎矩視為梁端的彎矩，并根據相鄰單元的彎矩和進行計算[6]。

彎矩二次分布方法假設，在節(jié)點上的非平衡彎矩僅對節(jié)點上的各個桿的末端產生作用，而對剩余的部分則沒有影響。然后，通過對各個節(jié)點的不均衡彎矩進行初次分配，將其傳遞到遠端（傳遞系數(shù)為1/2），然后通過傳遞彎矩引起的新的不平衡彎矩進行二次分布，以達到均衡的目的。通過對每根柱端彎矩、分配彎矩和傳遞彎矩進行分析，得到了各桿端彎矩、分配彎矩和傳遞彎矩的大小。

框架柱的抗推剛度及側移剛度被稱為D值，通常是在水平方向上，要對其進行水平方向的位移。假定樓板在其平面上的剛度為無窮大，所以，在不考慮扭轉作用的情況下，同一樓層內各柱的水平位移基本相同，即各樓層所受到的側向力與各樓層的D值呈正比關系。各層間的總剪應力V按D值的比例分布于各柱，由此得出各柱所受的剪力。在確定了柱剪應力后，再按平衡條件求出其他的內力。

2.3 框架梁截面確定

確定框架梁的截面大小有很多因素，其中可以通過荷載的大小，抗震設防等級與區(qū)間跨度來確定梁的大小。梁的截面高度h通常按照（1/10～1/18）l確定，l為主梁的計算跨度；但梁凈跨與截面高度之比不宜小于4；框架梁的截面寬度b應小于200 mm，且h/b不宜超過4。在考慮到結構抗震時，梁的跨高比的比例不宜低于5，梁在水平地震作用下，通?？绺叨急容^小，很容易出現(xiàn)剪切破壞，從而使梁的延性下降。因此應按設計規(guī)范進行其承載力校核，并按收到剪切截面的要求進行梁截面的設計。

在設計中軸壓比很重要，對于結構柱的破壞與變形有較大的影響。軸壓比不同時，框架柱會有2種破壞形式，其中一種是大偏心受壓，另一種是受拉鋼筋不屈服的小偏心受壓。

2.4 框架柱截面確定

框架結構由于具有優(yōu)良的力學性能和經濟性，在工程建設中得到了廣泛的應用。為了適應各種結構的需要，通常采用不同的設計方案。比如，一般住宅的層高為2.8 m，辦公大樓或購物中心的層高可以達到4~5 m，廠房類建筑物的層高都在5 m以上，所以柱高的分布廣泛。此外，由于承載能力要求的不同，其截面尺寸也不盡相同。由于其斷面大小、高度的不同，其破壞特點也不盡相同，其破壞特點大致可歸納為：①短柱剪切破壞（長細比小于17.5）；②水平地震下中長柱的彎曲斷裂（長細比為17.5~70）；③細長柱失穩(wěn)破壞（長細比大于70）。在實際工程中，以中長柱為主，以最大限度地發(fā)揮其抗震性能。

柱身截面尺寸的取值主要是由構件的變形和軸壓比來決定的，當鋼筋太大，無法滿足工程的要求時，則應增加大柱子的截面。在大跨度框架結構中，框架梁通常較高，而框架柱相對較小，在這種情況下，由于框架柱的剛度較低，在地震中先發(fā)生破壞。因此，不管結構的設計是否通過，都要使框架柱變得更大，并且框架柱的短邊必須比框架梁高。當然，地下車庫的布局，就不需要考慮了。

在框架結構中，由于受剪力過大，導致其產生的脆性剪切斷裂，從而導致結構的斷裂。因此，在進行結構抗震設計時，必須保證節(jié)點的核心部位具有足夠的彈性和強度，不會發(fā)生框架核心比框架梁、框架柱先屈服的情況。

2.5 模板工程施工技術

在完成墊層施工后，施工方應按照特定的軸線水平進行實際測量，確保平面尺的基礎性。另外，也要進行一次嚴格的檢查。用涂料、粉筆等做適當?shù)臉擞?，并在每個暗柱的拐角處做標志，這樣可以逐步減小模板施工中的偏差。同時，一層要進行回填，對地基進行加固，避免雨水的浸漬。在這種條件下，地基模板的安裝將更加的安全和穩(wěn)定。模板強度越大，其承載能力也就越大。因此，在建設項目的框架結構施工中，必須重視地基模板的安裝和保證。

當進行建筑工程的框架結構施工時，應著重考慮立桿的支承作用。在制定專項施工計劃時，組織專家論證并按照計劃進行。在實際使用中，建筑單位應將立桿水平垂直，并在上部模板上進行支架安裝。這樣可以提高支撐能力，確保主體結構承載力更大。如果支撐桿不能承受上面的壓力，就會發(fā)生變形等問題。這就造成了施工項目的效率低下，并且，如果上下模板在同一水平面上，對整個施工的結構也有一定的影響。因此，在建設項目建設中，必須重視相應的工作程序，確保每個工序都能高效完成。只有如此，才能提高施工的質量，提高施工的效率。

一般來講，在建筑工程的框架結構中，模板的拆除是一個很重要的環(huán)節(jié)。在拆模板時要嚴格遵守施工規(guī)程。通常，在拆模板時，應首先拆掉支立模板，然后再拆掉預支的模板。拆掉承重的模板后，還應移除承載力較大的模版。最后，進行全面的拆除。此外，在完成了模板的拆除工作后，建筑公司還要對被拆除的模板進行有效的分類、管理，并將其運送到安全的地方，妥善地保存起來，避免發(fā)生人身傷害等負面后果。

3 混凝土工程技術

3.1 混凝土原材料的有效選擇

建筑工程的框架結構施工是一個非常重要的環(huán)節(jié)。因此，在其施工過程中，混凝土等施工材料的選取是非常關鍵的[7]。施工單位要重視混凝土的具體材料，確保其施工材料的質量，使其達到最佳效果。因此，在進行混凝土原料的選取時，必須從建筑的實際需要出發(fā)，并以其最終目的為出發(fā)點，對鋼筋混凝土模板自身的質量進行研究。從混凝土結構的種類、強度等方面考慮，例如要注意產品的生產日期和保質期。同時，也要對其質量進行嚴格的檢查，建立一套符合標準比例的品質強化體系，重點研究水泥原料的比重。

3.2 配合比的合理控制

在工程施工中，對施工質量進行控制的關鍵是混凝土的配比。為此，建筑企業(yè)應建立較為專業(yè)化的施工隊伍，注重混凝土比例的控制。只有如此，才能確?；炷辆哂休^強的性能，加強施工強度。同時，在實際應用中，混凝土的含水量和體積都會發(fā)生變化，從而給混凝土配比帶來一定的困難。此外，對項目成本管理也有一定的影響。因此，建筑單位應注重混凝土的合理配比，并對其進行有效控制。

3.3 混凝土的澆筑過程

在建筑工程的框架結構中，混凝土的澆注施工必須經過主管部門的嚴格審核，并對其進行嚴格的監(jiān)控。在施工中，混凝土的澆注對結構的影響相對較大。如果出現(xiàn)錯誤，將會給建筑公司帶來一定的經濟損失。所以，在進行混凝土澆注時，應根據生產廠家的需要，對相應的施工方案進行改進。在工程設計中，必須清楚地記錄混凝土的澆注操作要求和相關的技術規(guī)范。然后，重點對施工中出現(xiàn)的問題進行詳細的計劃與分析，并提出相應的對策，以確?；炷翝仓馁|量。同時，加強質量監(jiān)督工作，對鋼筋的垂直度、混凝土斷面尺寸等進行細致的調整。

4 結束語

框架結構體系是當前應用最廣的一類結構體系，在設計前期，必須對其進行合理的布置，以保證水平、豎向載荷與剛度中心或支撐中心相一致；在此基礎上，對梁、柱截面進行初步的選取，并編制計算簡圖，對其進行受力分析。通過合理的計算，對其進行內力分析，并滿足相關技術要求。對框架結構的構造措施應給予足夠的關注，并達到規(guī)范中關于抗震、非抗震、不同抗震級別的框架、梁柱的構造要求；同時，應注重建筑結構的先進技術和工程實踐，以保證結構的安全、經濟、方便的施工。