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摘要：近年来,随着我国房地产业的飞速发展,高层建筑越来越多。设计时结构方案选择不合理, 将导致建筑安全隐患、预算与实际花费悬殊等不良后果，所以结构设计方案的选择和优化显得非常重要。结构优化的过程往往是一个反复修改和计算的过程。在结构方案设计阶段,结构设计师能够初步确定一个合理的结构设计方案,对其进行结构计算分析后进行优化,使结构的受力更加合理、建筑材料得到最高效的利用,对工程结构的设计具有重要的实际意义。
关键词：结构方案、结构设计、结构施工图、优化
一、建筑结构设计概述
建筑结构设计与建筑设计、电气设计、给排水设计、采暖与通风设计等专业共同构成建筑物设计的主要内容,是整个建筑设计的重要组成部分。结构设计贯穿项目方案设计、初步设计与施工图设计等整个设计过程,具体内容包括结构选型、结构分析、构件设计以及施工图设计等,其基本目的是要科学地解决建筑物的安全可靠与经济适用之间的矛盾,力求通过最经济合理的结构方案,以适当的可靠度满足各项预定功能的要求。
建筑结构从空间上可分为上部结构和地基基础两部分,受技术水平限制,目前我国大部分高层建筑釆用“分离式”的结构设计方法,即把上部结构与地基基础分开分别进行计算分析和设计。其中地基基础部分的设计内容主要是基于上部结构的基底力和地质条件进行地基处理、沉降验算、基础选型布置以及承载力验算。普通钢筋混凝土结构上部结构的设计内容主要是进行墙、柱、梁、板等结构构件布置以及对结构在重力荷载、风荷载、地震作用等建筑结构在使用周期内可能遇到的各种荷载工况及其相互组合的效应进行承载力验算。在我国绝大部分地区,结构抗震设计在建筑结构设计的过程尤其重要。
我国结构抗震设计釆用“三水准、两阶段”的设计方法,三水准是指结构在遭遇不同强度的地震时应具备不同的抗震能力,即“小震不坏,中震可修,大震不倒”,其具体的设防要求为:当遭遇低于设防烈度的地震时,建筑物不受损坏或不需要修理仍可继续使用;当遭遇相当于设防烈度的地震时,建筑物允许有一定的损坏,但不造成生命和财产的损害,经一般修理或不修理仍可继续使用；当遭遇高于设防烈度的地震时,建筑物不发生倒塌或危及生命的严重破坏。三水准的抗震设防目标是通过两阶段的设计来实现。第一阶段是基于多遇地震的承载力验算,是以满足规范规定的各项抗震性能指标限值作为设计目标,结合相关的结构构造措施基本能保证“小震不坏”和“中震可修”的设计要求。第二阶段是基于罕遇地震的弹塑性变形验算,是对结构薄弱部位的深入分析和重点设计,是保证结构“大震不倒”的有效途径。
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二、结构设计过程及优化要点
(1)结构方案设计
方案设计阶段,结构专业的主要任务是根据建筑使用功能、结构高度以及抗风抗震等要求,运用概念设计的手段,初步确定结构体系和结构类型,从大方向保证建筑方案在结构上的可行性。具体内容包括结构方案选型、结构布置、结构初步计算。分析建筑方案、根据建筑方案选取较优的结构体系是进行结构设计的首要工作。结构体系基本决定了80%以上的结构造价。对于不同的建筑结构,合理选取结构体系对建筑结构造价至关重要,也是进行结构优化设计最重要的环节。目前,常用的高层钢筋混凝土结构体系有框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构、框架核心筒结构、筒中筒结构等。近年来,国内的高层住宅展现出蓬勃发展的势头,建筑高度主要集中在60m～150m范围。对于该高度范围的高层住宅,由于剪力墙结构具有较好的力学性能以及相对较低的工程造价等优势,得到广大工程师以及开发商的青睞。
建筑设计过程必然是建筑专业主导,结构专业应尽量协调,避免喧宾夺主。故进行结构布置时应遵循建筑设计的指导思想,尽可能满足建筑设计的各项使用功能要求以及建筑效果。从结构的力学性能角度出发,结构的主要受力构件应均匀布置,结构平面内两个方向的刚度相近、质量中心与刚度中心尽可能重合,结构楼层刚度避免有较大突变等。方案设计阶段,结构布置可忽略次要构件,大方向整体把握结构布置的合理性。方案设计阶段进行结构布置后应进行结构计算以及方案调整,确定一个相对较优的结构方案。这个过程中,应根据工程概况以及施工条件等具体情况初步确定混凝土、钢筋等材料的强度以及相应的计算参数。由于结构计算是基于众多的假定条件,涉及较多的计算参数,在方案调整过程因注重计算参数的调整,这也是结构优化设计中较为重要的内容。方案设计阶段结构专业应尽早介入,避免建筑方案被釆纳而结构上不可行或存在不合理的被动局面。
(2)结构初步设计
在初步设计之前,方案设计主要实现结构的可行性,使得结构的强度和刚度等计算结果满足规范相关要求,初步设计就是在可行的基础上进行优化。初步设计阶段是建筑方案不断修改调整的过程,也是结构方案不断优化的过程。结构设计在该过程的主要任务是优化结构布置、进行构件承载力验算,如果是超限结构还应进行超限审查分析。其目标是在方案设计的基础上调整、优化,使结构布置和构件截面合理、经济,并作为施工图设计的重要依据。
进行结构布置优化调整以及构件截面尺寸优选时,重点在于确定对结构整体力学性能及结构造价敏感的构件和计算参数。该优化过程,可确立相关具体指标范围作为结构优化指引。从大的方面可根据同类建筑的技术指导措施，确定相对合理的力学性能指标、结构单位面积重量以及钢筋、混凝土等材料用量范围；小的方面可根据主要构件的承载力与荷载效应的比值、构件的配筋率、材料用量的分布情况等角度分析结构的优化方向。
(3)结构施工图设计
施工图设计是整个建筑设计的最后阶段,也是出设计成果的阶段。在此阶段,结构设计的任务是进行结构详细计算,绘制结构施工图。与相对粗放的方案设计以及初步设计不同,施工图设计要求各项工作都做到精细化,这也是节材设计的关键环节。
施工图设计要求进行详细以及精细的结构计算,确定各项相对较优的计算参数和构件截面尺寸,保证结构不存在隐患,控制好所有构件的计算配筋率。该过程进行优化设计的要点是在满足计算配筋以及构造要求的基础上注重钢筋直径以及数量的选取,做到不少筋、不违背有关规范规程的相关规定。
此外,结构施工图作为结构设计的最终产物用于指导现场施工,既要保证施工图的完整性,又要保证其科学性。
三、总结
建筑结构设计是建筑设计中极其重要的一个环节，它不同于其它专业设计，它的设计质量将直接影响工程建设和成本控制，是一个工程中重要的生命线。结构设计优化能够在保证工程质量的同时降低成本，达到最小的投入产出比，实现建筑的坚固、适用、美观、经济相统一。
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论文作者:李承祖,李星,徐巧玲,陈晓飞
论文发表刊物:《基层建设》2016年6期
论文发表时间:2016/7/8
标签：结构论文; 建筑论文; 结构设计论文; 施工图论文; 构件论文; 方案设计论文; 过程论文; 《基层建设》2016年6期论文;