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建筑结构概念设计马人乐同济大学土木工程学院教学内容1.1概念设计的定义和范畴1.2概念设计的意义1.3概念设计的方法第一章绪论第二章结构材料选择2.1结构材料基本特性对比2.2结构材料选择2.3结构材料承载能力优化2.4结构材料的组合优化第三章结构荷载的选择和调整3.1恒载的选择和调整3.2活载的选择3.3一般动力荷载与作用的选择和调整3.4疲劳动力荷载的选择和调整教学内容4.1结构设计发展史4.2制约结构形式的相关因素4.3结构形式的优化第四章结构形式的设计和优化第五章结构计算的概念和判断5.1结构计算模式的选择5.2计算结果的判断第六章节点概念设计6.1节点设计的一般概念6.2节点设计的目标6.3节点与结构体系的对立统一教学内容6.4节点受力的不同阶段及对应的状态6.5节点内力导引设计第七章地基基础概念设计7.1地基基础设计的特点7.2地基变形及其对策7.3地基基础特殊抗力的对策7.4地基基础设计中的优化第八章工业化建筑结构体系概念设计8.1工业化建筑结构体系的概念8.2工业化建筑结构体系的基本构成8.3工业化建筑结构体系的管理8.4工业化建筑结构体系的制造8.5工业化建筑结构体系的安装教学内容第九章建筑结构抗震概念设计9.1抗震设防的目标9.2结构体系的评价和控制要求9.3结构构件设计要求9.4连接设计要求9.5非结构构件设计要求教学方法1.讲课2.讨论3.思考、总结评分方法每人交一篇小论文，不超过2000字内容：对“概念设计”的理解、思考、质疑、畅想要求：1.独立思考独立完成2.结合结构工程设计的实际3.用新的观点思考，提出问题，解决问题4.在课程结束后一周内上交第一章绪论建筑结构概念设计1.1概念设计的定义和范畴1）定义工程结构概念设计是在结构工程设计中利用概念进行判断、推理、创新和决策的方法和过程；2）范畴概念设计包含对材料、荷载、结构方案形体、节点、构造的选择；也包含对计算方法、计算参数和结果的判断、选择和调整。还包括对结构工程制造、安装过程的策划等。3)局限概念设计是工程界提出的新理念，缺乏专门研究。还要在工程实践中不断应用、研究、总结和发展。建筑结构概念设计1.2概念设计的意义1）对传统教学方法的补充传统教学方法：老师出设计题目，定设计参数，学生计算、绘图，按计算正确性评分；结果：①学生掌握了结构设计中许多确定、归一的知识和技能---执行力很强。②忽略了对学生主动探索、选择、创新、决策能力的培养---探索、创新、决策能力不足。目标：除了掌握精确的计算方法，还要灵活运用概念设计思想。建筑结构概念设计1.2概念设计的意义2）对一般设计经验的总结和升华常规设计：一般工程概念设计凭经验重点工程概念设计总工程师定结果：①一般设计人员未自觉进行概念设计②经验较难升华为理论目标：每个设计者都自觉地进行概念设计。探索新的设计思想和方法，成为工程界的思想家。建筑结构概念设计1.2概念设计的意义3）节约造价，节约资源①结构设计的安全性和准确性，计算和概念设计的重要性，各占70%和30%②结构设计的经济性，计算和概念设计的作用各占30%和70%③几乎所有不经济的方案，仍能达到最终的安全④概念设计确定后，设计方案的优劣就定型了建筑结构概念设计1.2概念设计的意义4）推动设计会的进步，传统发展模式的弊病①粗放型发展的社会主要追求发展的速度，忽略质量，只追求工程量（GDP），不注重降低单位产值的资源耗用量。所以概念设计不受重视。比如国企兼并以GDP为衡量指标决定其生存。而对民企，若效率低则生存难。②设计费的费率国家统一定，费率乘工程造价即设计费。所以概念设计水平越高，同样使用功能的建筑造价越低，设计费也越少。所以概念设计目前仍然是一种“少赚钱的方法”。③巨大的人口总量以粗放的方式超速地发展，造成长期资源的重大缺口和环境问题。客观形成对国际社会威胁。所以：概念设计的问题是生存的问题，收入的问题，战争与和平的问题建筑结构概念设计1.2概念设计的意义4）推动设计会的进步，改变社会发展模式①由主要追求速度和数量为主要追求效率（性价比，性能资源比）和质量；②以设计的进步带动工程建设的进步，进而带动全社会的进步---这是概念设计的意义所在。建筑结构概念设计1.3概念设计的方法1）实践理论实践的方法从工程实践中发现问题，在理论指导下分析问题，找出解决问题的方法，然后通过工程实践的改进加以验证。最终总结出新的理论和设计方法，指导工程设计。----实践论2）概念设计的范例①概念设计要善于总结中国宋代设计师兼工匠俞皓所著《营造法式》，根据当时工程实践经验，总结出“模数化”的设计和建造方法。其中有些木结构历经千年留存至今建筑结构概念设计2）概念设计的范例①概念设计要善于联想芭蕉树叶，覆盖面积大，抗风能力强，为什么？折板结构有什么用途？建筑结构概念设计2）概念设计的范例轻钢厂房中国人把芭蕉树叶锁边，当扇子用，发明了芭蕉扇。凉风习习，悠然自得，但没想别的用途。美国人仿照芭蕉树叶把薄壁钢板折成“压型钢板”，作屋面板，重量是钢筋混凝土屋面板的1/10。还把钢板压成轻钢檩条。把压型钢板加保温层墙面，发明了“门式刚架轻钢厂房”，又轻又省钱。建筑结构概念设计2）概念设计的范例对此，中国的审图公司提出：这种结构不符合我们“建筑结构百年大计”的口号。美国人回答说：你看到哪一个工厂会坚持用一套工艺流程生产同一种产品一百年呢？中国开发区的业主都不理睬审图公司。③概念设计要求实事求是，兼顾均衡在严酷的条件下，设计方法和理念也是“适者生存”。在我们还不了解自然，对自己的能力过分夸张之时，我们的口号是“征服自然”。至今仍有人夸耀自己发明的建筑结构全部是“9度抗震设防”。但经过“唐山大地震”之后，中国的地震专家提出了“三级设防”的抗震设计思想：“小震不坏，中震可修，大震不倒”。按此规定设计的建筑基本经受住汶川地震的考验。也使抗震安全与造价这一对矛盾的两个方面达到了阶段性的统一。④概念设计要去粗取精，去伪存真汶川地震大量预制板坠落造成人员伤亡。许多地方政府明令不准使用预制板，全部改现浇。但现浇板模板贵，损耗大，施工周期长，现场劳动力耗用量大。建筑结构概念设计2）概念设计的范例建筑工业化还要不要？预制楼板可行吗？答：预制楼板的薄弱环节在于没有防坠落措施，墙上“座灰”放置，墙体变形后错动，坠落。只要有好的“防坠落”措施，即可推广预制板，促进建筑工业化。⑤预应力结构抗疲劳（优化应力性质的概念设计法）⑥内力导引法设计节点（化被动验算为内力导引的节点概念设计法）1预制板花篮梁预埋连接件螺杆泡沫塑料塞螺母预埋连接件螺母螺杆微膨胀混凝土预制板泡沫塑料塞BB图碗钉法详图图钢梁混凝土预制板碗钉法防坠落第二章结构材料选择建筑结构概念设计2.1结构材料基本特性的对比表2.1结构材料性能对比表材料性能钢木砌体钢筋混凝土预应力混凝土强度抗拉高顺纹较高横纹低低低较高抗压高（受稳定限制）顺纹较高横纹低高高高抗剪高顺纹低横纹较高压力大则高压力低则低较高较高韧性好较差差较差较好各向同性小较大较小较小较小对稳定敏感性强较弱较弱较弱较弱弹性模量高低较高较高较高强质比高中低较低较低环保性较好好粘土砖差再生砖好较差较差现场施工便利性好好较差较差较差耐久性中等较差较好较好较好耐火性较差差好好较好材料单价高较低低较低中等建筑结构概念设计2.1结构材料基本特性的对比注：①表中每一种材料本身有不同的强度和质量等级；②表中复合材料（如钢筋混凝土）中不同材料的比率（配筋率）对材料性能有重要影响；③同一类材料根据其取材和制造方式的区别，环保性差异很大；④在某些条件下，“承载能力和重量之比”比“强质比”更有实际意义。例：钢的强质比比木高3倍左右，但用钢板做楼板因形状限制太薄，抗弯模量太小，而同样重量的木材比钢板厚10倍，抗弯量大100倍，惯性矩大1000倍，所以尽管木材的强度仅为钢材的1/30,但木材的抗弯能力（承载力和刚度）是同重钢板的3倍。建筑结构概念设计2.1结构材料的选择1）建筑类型与结构材料①对城市中的高层建筑或超高层建筑，结构材料的强度、弹性模量、强质比、耐久性是控制性指标。a)强度不足难以承受高层建筑巨大的结构效应；b)弹模不足难以承受非线性变形的累积效应；c)强质比小，恒载引起结构效应大，构件占有效空间大，建筑使用功能下降；d)耐久性差，使用年限下降e)材料经济性受土地价格因素制约退居其次；f)耐火、节能等性能可用其它措施弥补；结论：钢结构和钢筋混凝土结构优先。建筑结构概念设计2.1结构材料的选择1）建筑类型与结构材料②对一般低层或多层民居，材料的经济性（地方性）、环保性、施工便利性特别重要。a)经济性、地方性差则造价高，运输成本高；b)环保性差，能源耗费大，资源耗费大，废弃物多；c)施工便利性差，则建筑工业化难，施工成本高。结论：多层用工业废渣砌体墙，低层用木材或轻钢均可。2）构件所在部位及受力类别与结构材料①柱子受集中力大且不希望截面大，所以最好用钢柱，其次用混凝土柱；②墙体受力集中不如柱，但起分隔及防火作用，所以高层建筑承重墙或剪力墙用混凝土，多层建筑用砌体；非承重墙不属结构构件，用轻质墙体建筑结构概念设计2.1结构材料的选择2）构件所在部位及受力类别与结构材料③楼面和上人屋面板功能复杂且要求高（刚度、强度、防火、防水、防震动、隔热、隔音、设备兼容性、经济性、自重、建筑空间占有率、维修便利性等）目前：多层用混凝土现浇板，高层钢构用压型钢板复合楼板（图A）或钢筋桁架模板复合楼板（图B）图A图B建筑结构概念设计2.1结构材料的选择2）构件所在部位及受力类别与结构材料现有楼板的缺点：a)湿作业多b)自重大c)造价高改进的可能方向：a)复合木楼板上表面加钢筋网水泥砂浆层，下表面加防火涂料的钢木结构预制楼板；（图A）图A建筑结构概念设计2.1结构材料的选择b)带防坠落措施的精制预制预应力多孔板（图B）图BDD预应力钢筋的张拉锚固D-D建筑结构概念设计2.1结构材料的选择2）构件所在部位及受力类别与结构材料实例分析：预制混凝土板，压型钢板复合楼板、复合木楼板之对比类别比较项目防坠落混凝土楼板压型钢板复核楼板复合木楼板强度满足要求满足要求满足要求刚度大大满足要求自重大大为前两者1/2防水加找平砂浆后好最好满足要求现场湿作业表面砂浆层现场全部现场湿作业边缘处理现场湿作业防火最好底部钢板要防火满足要求隔热较差较差好建筑结构概念设计2.1结构材料的选择3）荷载的类别与材料选择①恒载的大小、方向确定：结构受力不会出现拉压变化。只要按确定的受力选择具备对应抗力（拉、压）的材料。②动载大小、方向和作用点三个变化要素，有时构件拉压力可逆，所以材料要既能抗压，也能抗拉。抗拉变抗压要注意稳定问题，抗压变抗拉要注意不能用脆性材料。③疲劳动力荷载是反复作用5次以上的动荷载。且其效应在材料疲劳极限之上。风荷载一般不是疲劳荷载（小风应力不到疲劳极限，大风超过疲劳极限但作用次数少）；机械作用为疲劳荷载（吊车、车辆、风力发电机……）；海浪有疲劳作用（超过疲劳极限的作用次数多）；受疲劳荷载的结构多采用韧性好的钢材或预应力钢筋混凝土；韧性好的钢材防脆断好；预应力钢筋混凝土将受拉区变化为受压区，裂缝不开展。410建筑结构概念设计2.3结构材料承载能力优化2.3.1构件材料的组合优化原理：将不同性质的材料组合在一个构件内，并使各自材料的优异性能充分发挥①钢筋和混凝土的组合：发挥钢筋受拉强和混凝土受压好的优点，克服了混凝土受拉脆弱和钢筋受压稳定性差的缺点；②胶合木板：同种材料，顺纹横纹交叉分层粘合，克服了木材各向异性差别大的缺点；③胶合木梁：同种材料，同向粘合，克服了木材尺寸不够大，缺陷多且不均匀的缺点；④钢纤维混凝土：钢纤维均匀分布，克服混凝土脆性易裂缺点。2.3.2构件材料的应力优化原理：对材料的不同部分适当施加预应力，使其在受特定的内力时克服材料本身的缺点①钢化玻璃：表面淬火迅速冷却而内部缓慢冷却，内部冷却收缩时受已冷却表面的约束而受拉，表层受压。抵消玻璃受弯时表层拉应力（玻璃抗压富余），克服薄弱环节，提高抗弯能力；②预应力混凝土