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结构工程师如何做好工程设计（转载）人们一谈起结构设计，往往会产生第一个反应：“结构设计是否安全”，可见“安全”在结构设计中是处于何等重要地位。需要明确的是，保证结构安全确实是结构设计的首要任务，但并非是结构设计的唯一任务。必须强调的是，保证结构安全是对结构设计的最基本、最起码要求，对于一项工程的结构设计来说，除“保证安全”这一最低要求外，还有其他许多内涵丰富的要求，也即通常所说的，结构设计做到安全只是初级阶段的“行”，只有同时能满足其他方面的要求，才算达到较高境界的“好”。“行”与“好”是两个不同层次的概念。下图中最上及左右共三个圆圈内的标注即是对结构设计全面要求的概括。这是结构设计必须优化和优化目标的最精练图解示意。为了使结构设计做到尽善尽美，满足结构设计的全面要求，结构设计优化途径的核心内容通常包括三方面：体系选型与结构布置要合理、结构计算与内力分析要正确、细部设计与构造措施要周密。三方面的工作互为呼应，缺一不行。图中的内圈简明扼要地列出结构设计的优化途径。一、结构设计技术条件要点1.方案设计阶段(应用于超高层建筑、复杂结构)目标——确定建筑物的整体结构可行性，柱、墙分布及楼面梁的支承条件的合理性，以便建筑专业在此基础上进一步深化，形成一个各专业都可行，且大体合理的建筑方案。工作内容：*1)、结构选型：体系及结构材料的确定。思考的范围除混凝土结构几大体系（框架、框—剪、剪力墙、筒体—框架、筒中筒）之外，还有混合结构和钢结构以及个别构件采用组合形式。2)、结构分缝。如为建筑群或体型复杂的单体建筑，则需要考虑是否分缝，确定防震缝的宽度。3)、结构布置：柱墙布置及楼面梁板布置。主要确定构件支承和传力关系的可行和合理性。4)、结构试算：①计算程序的选择；②结构各部位的抗震等级；③计算大参数选择（场地类别、砼强度等级、钢材类别、砼密度、周期折减系数、剪力调整系数、地震调整系数，梁端弯矩调整系数、梁跨中弯矩放大系数、基本风压、梁刚度放大系数、梁扭矩折减系数、连梁刚度折减系数、地震作用方向、振型组合、偶然偏心等）；④砼强度等级和钢材类别；⑤荷载取值(包括间隔墙的密度和厚度)；⑥振型数的取值（平扭耦连时取≥15，大底盘多塔楼时取≥9n）；⑦结构嵌固端的选择，此阶段一般以首层为嵌固端；⑧连梁刚度折减系数取值（抗震控制时取0.5，抗风控制时取0.7）；⑨梁铰支端的指定；⑩梁柱（墙）节点的处理。*5)、结构计算结果的判断：①地面以上结构的单位面积重度（kN/m2）是否在正常数值范围内，数值太小则可能是漏了荷载或荷载取值偏小，数值太大则可能是荷载取值过大，或活载该折减的没折减，计算时建筑面积务必准确。②竖向构件（柱、墙）轴压比是否满足规范要求。轴压比过大固然不行，过小则无必要，此阶段必须严加控制。③楼层最大层间位移角是否满足规范要求。理想结果是层间位移角略小于规范值，且两向侧向位移值相近。④周期及周期比。第一周期应为平动周期且在正常范围内，扭转周期应在第二周期之后，且Tt/T1≤0.9（A级一般结构），Tt/T1≤0.85（A级复杂结构）。⑤扭转位移比必须控制在1.5之内，愈接近1.2愈理想。⑥有转换层时，必须验算转换层上下刚度比及上下剪切承载力比。*6)、超限判别：确定超限项目（高度超限、平面不规则、竖向不连续、扭转不规则、复杂结构等）和超限程度是否需要进行抗震超限审查。2)初步设计阶段目标——在方案设计阶段的基础上调整、细化，以确定结构布置和构件截面的合理性和经济性，以此作为施工图实施依据。■工作内容1、结构详细计算。考虑柱、墙构件截面收级，结构嵌固端最后的选择，构件配筋超限或配筋率过高时的结构布置调整和构件截面调整。结构计算中是否需要考虑地震的斜向作用，多程序进行验证，弹塑性分析，转换结构的应力分析。2、结构各部位抗震等级及加强部位的详细划分。3、基础选型。如果是天然地基基础，需说明基础持力层名称、地基承载力特征值、基础型式、基础埋深；如果是桩基础，需确定桩型、桩径、桩长、竖向承载力特征值。4、地下水设防水位的确定。*5、基础平面布置图。*6、绘制楼层结构布置图和竖向构件定位及截面尺寸（包括地下室侧壁厚度）。7、结构特殊处理：超长结构、基础抗拔、塔楼与裙房的连接及施工要求等。8、结构、构件或节点是否需要作试验。超高层或对风敏感的大跨度结构,应确定是否作风洞试验或专项的抗风分析计算。9、如需超限审查，则需按超限审查规定准备文本，其重点是对超限项目的对应措施。3)施工图设计阶段■目标——现场施工实施技术文件，要保证设计图纸的质量（完整性、科学性、深度要求）。■工作内容1、结构计算。建筑及设备专业在初步设计基础上往往有些修改，结构专业在该修改的基础上再计算，最后确定各构件的截面尺寸。计算前的准备数据、计算中如何调整、计算结果的判断——计算过程与初步设计阶段相同。*2、图纸目录编排。应按图纸内容的主次关系、结构部位施工先后关系，有系统有规律地排列，排在前面的应是结构设计（或施工）总说明及构件配筋构造通用图，继而是基础（平面及大样），竖向构件（定位及配筋图），楼层结构（模板、梁配筋、板配筋），最后才是楼梯、水池及其他。如有地下室，地下室以下部分的图纸可独立编排，以应付分期施工或方便不同施工单位分别施工。因故无法同时出图，迟出图或后出图的，均应在图纸目录中列出并在备注栏中加以说明，以示一项工程结构设计图纸的完整性。3、图幅控制及布图技巧。图纸目录的编排与图幅控制有关，图幅控制又与布图技巧有关，三者都必须具有逻辑性、科学性。施工图最理想、最方便使用的图幅为1#（840×594）和2#（594×420），应尽量避免使用0#、3#图及加长图。如1#图容纳不了，可通过缩小画图比例（由1：100改为1：150甚至1：200）或分块绘制（分块绘制时需在图纸右下角以小比例图示出分块在总平面上的位置），使图幅控制在理想图幅之内。整项工程的图纸图幅应控制在3种之内。布图技巧，一张图的内容应布置得疏密有序，布图不能过于饱满，也不能太空旷。如建筑平面狭长，宜将同一楼层的“模板及梁配筋图”与“楼板配筋图”在同一图幅的上、下或左、右位置画出；如建筑平面较小（如别墅之类），则可将若干楼层平面同处一张图中。4、文字说明。包括整项工程的结构设计总说明、构件配筋通用说明及每张图纸的特殊说明。结构设计总说明采用打勾及局部填写形式，打勾时要注意中肯，局部填写时要准确；具体图纸中的说明是特别说明，内容应简短，文字文法要简洁、准确、清晰，要特别注意其包容性。文字叙述的内容应是该图中极少数的特殊情况或者是具有代表性的大量情况。5、构件配筋要求。通过初步设计阶段及施工图进行前的结构计算，具体工程的各构件的截面尺寸都已确定，此阶段的构件配筋要求必须具体化，不能泛泛而谈，更不是设计规范某些条文的重述，而是针对特定工程已初步确定了的有限种类构件具体配筋的框定，以供设计人具体掌握，并保证整项工程的设计处于同一标准中。对于混凝土结构，各构件的用钢类别、钢筋直径、间距或配筋率控制都必须明确列出，对于组合构件或钢结构，必须列出型钢规格及其含钢率。楼板——优先采用冷轧带肋焊接网,手工绑扎时钢筋间距优先采用@200，其次是@150，@100，特别注意板面通长钢筋与支座短筋的合理搭配。梁——d≥12的应采用HRB400级钢筋，除大跨度梁及转换梁外，一般梁宜控制d≤25，配筋率控制：底筋ρ≤1.0%，支座负筋ρ≤1.5%，箍筋肢数需明确规定。柱——从控制成本出发，主筋及箍筋宜用HRB335级钢筋，钢筋直径控制在d≤25，同一段柱的主筋直径不应超过两种，一般柱段的配筋率控制在ρ=1.0%左右。墙——按加强部位及非加强部位区分约束边缘构件及其截面尺寸范围。主筋和箍筋配筋率控制，墙段分布筋配筋率控制以及具体配筋规格，边缘构件主筋宜为同一直径钢筋且宜采用HRB335级钢筋，墙段分布筋的间距可取@200，@250。二、结构与建筑的关系房屋建筑，尤其是民用建筑中的结构与建筑的关系要比工业建筑中的两个工种之间的关系密切得多。工业建筑中的结构很大程度上要服从工艺、生产流程的需要，其中的柱网布置、层高等空间尺寸往往由生产上的需要决定，结构只是在此基础上有条件地选择合理的楼盖、屋盖及支承支撑构件的结构型式。而民用建筑由于使用用途各不相同、建筑体型及立面千变万化，尤其是高层建筑的出现或考虑建筑抗风、抗震，使得结构工种在其中处于举足轻重的位置，因而形成结构工种与建筑工种的互相渗透、互相关连的关系更密切，不仅体现在技术设计阶段（初步设计及施工图设计），而且反映在建筑方案设计阶段，在此阶段不仅需要结构工种介入，有时甚至要起先导作用。一)．方案设计阶段，结构工种需要早日介入方案设计阶段，建筑师构思出的建筑平面立面雏形首先必须控制好整体建筑的长宽比和高宽比，结构工程师介入其中需要解决的问题是：根据建筑使用功能、平面尺寸、总高度以及抗风抗震要求，确定合适的结构体系和结构类型、合理的柱网尺寸、抗侧力构件的合适位置和大约数量、恰当的层高以及建筑平面是否要设缝分成独立的结构单元。此阶段，结构工程师和建筑师所运用的基本理论是结构概念设计和抗震设计的基本要求，即从大方向保证所构思的方案在结构上是可行的、宏观上基本是合理的，当然不必拘泥于局部的细小尺寸或详细构造。结构工程师介入方案设计，不仅使结构方案可行而增强工程设计接标的竞争能力，而且更重要的是可以避免建筑方案被采纳而结构上是不可行或存在非常不合理的被动局面甚至处于骑虎难下的窘境，后一种情况在建筑功能较复杂、设防烈度高的高层或超高层建筑的方案设计中更显突出。方案设计阶段，结构工种的介入切忌结构对建筑提出太多太细的限制而堵塞建筑师的构思源泉。正确的介入方法是沿着建筑师的思路，将必要的合理的结构想法毫不张扬地隐含于海阔天空的建筑创作中。归纳一句话，结构工种千万不能喧宾夺主。建筑方案阶段结构的介入与结构体系的确定结构工程师在理解建筑师的设计意图的基础上提供专业意见，尽可能满足（创造条件）建筑师的构思，根据平面尺寸，立面要求使用功能等对建筑方案的可行性有合理的判断，特别是抗震方面的要求，《建筑抗震设计规范》强制性条文3.4.1条有：建筑设计应符合抗震概念设计的要求，不应采用严重不规则的设计方案。什么叫规则与不规则呢？建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则、对称，并应具有良好的整体性；建筑的立面和竖向剖面宜规则，结构的侧面刚度宜均匀变化，竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减少，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。a)结构工程师参与建筑方案的设计，为方案的可行性、合理性和具体实施提供保证。建筑师的结构概念欠缺导致方案的极不合理，当发展商被表面的透视效果图“蒙”过之后，被选中的方案将带来极大的问题，结构工程师只能被动地不可奈何地“迁就”，有时方案甚至是不可行的，这样带来的修改及设计和施工的难度更可想象，更谈不上经济性和合理性了。b)高层建筑方案设计，结构工程师应及早与建筑师协调，在结构造型、结构布置及抗震方面提供专业意见。高层建筑结构不同于一般低层、多层建筑，它以水平荷载为主要控制荷载，结构截面尺寸还要满足刚度、延性的要求，故方案设计会受到一定的约束，结构工程师不应仅仅提出很多限制，而应为建筑排忧解难。结合方案的发展，创造性地协调和平衡建筑与结构的关系，既给建筑师以灵活性，结构自身也有创新，且经济、合理。c)建筑方案阶段，结构工程师应随时解决建筑师在结构方面的问题，主动配合提供与方案结合的结构选型及抗震的设计要求，相互理解和支持，共同完成，使建筑方案一开始就能体现技术先进，安全可靠，经济合理、美观实用。结构在配合建筑方案设计时需渗入以下结构概念：抗震的概念设计平面、立面的规则性（平面形状、尺寸、高宽比、高度）结构布置受力明确，传力途径直接简单合理的结构体系，合理的刚度要求温度缝、沉降缝、防震缝的合理设置技术创新及新技术、新材料的应用e)结构体系的确定在选择结构体系时，首先要考虑建筑物的平面尺寸、高度和建筑物的用途及功能要求。抗侧力结构体系的选择不同的结构体系具有的强度和刚度