建筑结构概念设计

建筑结构概念设计教材：建筑结构概念设计及案例本书提出了结构概念设计的概念、原则和思路，并介绍相关案例。“概念”部分说明结构概念设计的地位和作用、基本思路、基本做法以及设计中常用到的结构概念。“原则”部分说明结构概念设计的经验认识、基本要领和基本方法。“案例”部分则通过介绍国内外一些著名建筑结构工程和著名结构工程师所做的结构方案和结构设计要点，探讨他们怎样将一些结构概念运用到设计中。适用于对当前建筑工程专业学生缺乏工程意识以及结构设计人员做方案能力不强的现象而写作的。参考书：《建筑结构概念体系与估算》作者：罗福午清华大学出版社，1991该书为建筑学专业建筑结构课程的教材，从结构的概念、体系和估算几个方面进行阐述。对结构设计也不失为一本好的教材。《结构概念和体系》林同炎，S.D.思多台斯伯利，中国建筑工业出版社，该书为结构工程师提供了广泛而又有独特见解的结构概念设计基础知识和设计实例。着重介绍用整体概念来规划结构总体方案的方法，以及结构总体系和各分体系间的相互力学关系和简化近似设计方法。为结构工程师和建筑师在设计中创造性地相互配合，设计出令人满意的建筑奠定基础。概念设计是展现先进设计思想的关键，一个结构工程师的主要任务就是在特定的建筑空间中用整体的概念来完成结构总体方案的设计，并能有意识地处理构件与结构、结构与结构的关系。一般认为，概念设计做得好的结构工程师，随着他的不懈追求，其结构概念将随他的年龄与实践的增长而越来越丰富，设计成果也越来越创新、完善。但随着社会分工的细化，大部分结构工程师只会依赖规范、设计手册、计算机程序做习惯性传统设计，缺乏创新，更不愿（不敢）创新，有的甚至拒绝对新技术、新工艺的采纳（害怕承担创新的责任）。大部分工程师在计算机结构程序设计全面应用的今天，对计算机结果明显不合理、甚至错误则不能及时发现；随着年龄的增长，导致他们在大学学的那些孤立的概念都被逐渐忘却，更谈不上设计成果的不断创新。强调概念设计的重要性（１）现行的结构设计理论与计算方法存在许多缺陷或不可计算性，如混凝土结构设计，内力计算是基于弹性理论的计算方法，而截面设计却是基于塑性理论的极限状态设计方法，这一矛盾使计算结果与结构的实际受力状态差之甚远，为了弥补这类计算理论的缺陷，或者实现对实际存在的大量无法计算的结构构件的设计，都需要概念设计与结构措施来满足结构设计的目的。（２）同时计算机结果的高精度特点，往往给结构设计人员带来对结构工作性能的误解，结构工程师只有加强结构概念的培养，才能比较客观、真实地理解结构的工作性能。（３）概念设计之所以重要，还在于在方案设计阶段，初步设计过程是不能借助于计算机来实现的。这就需要结构工程师综合运用其掌握的结构概念，选择效果最好、造价最低的结构方案。概念设计的思想被越来越多的结构工程师所接受，并将在结构设计中发挥越来越大的作用。然而现在的高校教学中，往往只重视单独构件和孤立的分体系的力学概念讲解。尤其在专业课教学中，单项计算练习居多，综合练习偏少，并着重体现在考题中，使得相当部分学生养成只知套用公式解题的习惯。而且近年来强调计算机应用教育，比如，毕业设计用结构设计软件计算、出图。但由于计算机设计过程的屏蔽，手算过程训练程度的削弱，造成学生产生一定依赖性,结果综合运用能力下降，整体结构体系概念模糊。这些对于培养具有创造力、未来的工程师是相当不利的。另一方面，随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，对建筑结构设计也提出了更高的要求。发展先进计算理论，加强计算机的应用，加快新型高强、轻质、环保建材的研究与应用，使建筑结构设计更加安全、适用、可靠、经济是当务之急。其中，打破建筑结构设计中的墨守成规，充分发挥结构工程师的创新能力，是相当必要的。这则需要工程界和教育界进行共同的努力。推广概念设计思想是一种有效的办法。第一章概述1.1建筑结构及其作用结构：具有足够抵抗能力的建筑空间的骨架结构问题的主要表现（1）满足建筑空间和功能的需求（2）符合承载力和耐久性的需要（3）合理利用结构材料及其性能（4）连接构造和经济问题（5）要体现科技和工程的新发展（6）结构与建筑艺术要融为一体造价：占总造价30-40%工期：占总工期40-50%建筑设计方针：以前：适用、经济、在可能的条件下注意美观。现在设计方针：适用、经济、美观1.2结构概念设计的概念所谓的概念设计一般指不经数值计算，尤其在一些难以作出精确理性分析或在规范中难以规定的问题中，依据整体结构体系与分体系之间的力学关系、材料性能、建造技术、结构破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的基本设计原则和设计思想，从整体的角度来确定建筑结构的总体布置和抗震细部措施的宏观控制。运用概念性近似估算方法，可以在建筑设计的方案阶段迅速、有效地对结构体系进行构思、比较与选择，易于手算。所得方案往往概念清晰、定性正确，避免后期设计阶段一些不必要的繁琐运算，具有较好的的经济可靠性能。同时，也是判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。有人比喻为慧件（wiseware）(相对于计算程序为“软件（software）”和计算机为“硬件（hardware）”)。1.3概念设计在建设工程中的地位我国现行工程建设程序如图对一栋建筑，设计过程为设计任务书方案设计阶段初步设计阶段技术设计阶段施工图设计阶段施工图审查阶段付诸施工过程（施工中不断修改设计）竣工验收目前，主要任务为进行设计构思，综合处理规划、建筑、结构、设备、施工等诸方面关系，方案论证，形成总体设计方案。这里为总的概念设计，结构概念设计应贯穿整个设计过程。处理各工种技术问题进行各工种细部设计建筑设计与结构设计一栋建筑物好比一个人，建筑相应于人的容貌、体型、气质；结构相应于人的骨骼、耐力、寿命；水电暖等设备相应于人的神经、脉络、器官。因此设计一个建筑物需要各工种的共同合作。其中，建筑与结构设计者的合作是最基本的，也是最重要的。特提出四个合作的层次（1）首先是合作（即各人做各的设计，遇到矛盾，协商解决）——最低层次的要求（2）其次是结合（即虽个人做各的设计，但都相互了解，主动的互相补充）——较高层次的要求（3）第三是融合（即你中有我，我中有你，融为一体，结构自觉地考虑建筑问题，建筑自觉地考虑结构问题）——更高层次的要求（4）第四是统一（即结构工程师就是好的建筑师，建筑师就是好的结构工程师，两类人才的素质统一在一个人身上）——最高层次的要求1.4建筑结构的基本构件类型1.4.1基本构件的类型主要有12种类型（1）板（2）梁（3）柱（4）框架（属结构单元）（5）桁架（6）网架（7）拱（8）壳体（9）墙（10）索（11）薄膜（12）基础1.4.2各种构件之间的区别和联系构件的分类刚性的基本构件（1）线形构件——直线形：梁、柱、框架、桁架；曲线形：梁、拱；（2）面形构件——平面形：板、墙、框架、桁架和平板网架组成的平面结构构件单曲面形：拱板、拱和桁架组成的单曲面结构构件双曲面形：各种壳体、网架构成的壳面结构构件非刚性（柔性）的基本构件（1）线形构件——直线形：拉索；曲线形：悬索；（2）面形构件——平面形：拉膜；单曲面形和薄膜：由拉索构成的单曲面索构件；双曲面形：充气结构、由金属编织物构成的双曲面拉索构件；各种线形构件及其所构成结构单元见表各种刚性和非刚性基本构件和基本结构单元见表以楼盖基本结构单元为例，表1-4给出了其受荷情况。1.5建筑结构的几个基本概念1.5.1荷载和作用分类：几点说明：（1）对建筑结构，需特别注意温度和地基不均匀沉降或差异沉降，因为计算中没有考虑（2）静荷载和动荷载：大部分荷载为静荷载，只有个别荷载可看作动荷载，如冲击荷载、吊车荷载、地震作用等。动荷载是指荷载施加的较快，而快慢是相对于结构自振周期而言，如在1s内荷载从0增加到其最大值，对自振周期为0.1s的结构，这种加荷速度可看作静荷载，而对自振周期为5s的结构，则可看作动荷载。如风荷载，对低层和多层建筑，为静荷载，而对高层建筑或其他柔性结构（塔桅），则为动荷载。（3）荷载和作用效应的不利组合1.5.2结构失效、材料性能和结构受力（1）结构失效的类型破坏（指材料达到强度，使结构丧失承载力）、失稳（构件压屈）、变形过大（含裂缝过宽）、耐久性丧失、倾覆和滑移（2）材料性能特别是材料的物理力学性能和其他指标，以及各种材料之间性能的差别（钢、砼、砌体、木材等）常用的材料指标：极限（屈服）应力和应变、弹性模量、波松比、延性、线膨胀系数、耐火性、耐久性、冷弯性等（3）结构受力主要掌握各类构件在不同荷载下的受力性能、破坏机理、破坏模式等1.5.4结构的三个基本分体系水平体系、竖向体系和基础体系1.5.5关于地基的基本概念设计工作涉及持力层的选择、地基承载力确定、基础形式、软弱地基的处理等，使设计中较难的部分。（1）地基土的特性压缩性大、强度低（抗剪强度）、透水性大（2）土的物理指标天然容重（重度）：16—20kN/m3含水率=水重/固体颗粒重=0—60%（沙土0—40%，粘土20—60%）孔隙比=孔隙体积/固体体积=0.5—1.2(沙土0.6，粘性土1时为良好地基）无粘性土分为密实、中密、稍密和松散，共4类粘性土根据含水率的不同，其性能差别很大（3）常见的不良地基1）软土：指抗剪强度低、压缩性高、渗透性小的淤泥和淤泥质土，尚未压实固结的吹、冲填土，松散砂土等。参考性能指标天然含水率30—80%，甚至更高；孔隙比1—2；压缩系数0.5—1.5；液性指数0.75—1.0；剪切强度20kPa。2）杂填土3）河岸河沟附近场地，山坡或山脚下场地4）断层或岩层节理发育场地不良地基需进行地基处理（4）地基的变形特征指沉降量、沉降差、倾斜等，都应满足规范的要求。地基的变形是逐渐完成的，一般多层建筑在施工期间完成的沉降量，沙土为80%，低、中、高压缩性土分别完成50—80%，20—50%，5—20%；粘性土完成沉降需几年或几十年。（5）地下水对工程的影响：基础埋深、施工排水、地下水位升降（地基沉降）、地下室防水、水质侵蚀性、空心结构物浮起等。岩层在地应力作用下形成断裂构造，但未发生相对位移时称为节理。若岩层节理的密度较大，称为节理发育，此时，岩体被节理切割成碎块，破坏了岩层的整体性。1.5.6梁、板设计中的几个基本概念（1）常用的截面为矩形和T形，更合理的截面为工形和箱形，一般认为，剪力主要由腹板承受，弯矩主要由翼缘承受。（2）单跨简支梁合理的形式为两端伸臂梁，外伸的合理长度为0.21L至0.225L，此时最大正负弯矩和挠度均比单跨简支梁小得多。（3）对截面有较大转动能力的等截面连续梁，以及最短跨不小于最长跨2/3的不等跨连续梁，可按下述方法计算弯矩：1）在各跨上作简支梁的弯矩图；2）假定各支座截面处的负弯矩；取值参考：每端第二支座M=0.11q[(l1+l2)/2]2每端第三支座M=0.08q[(l1+l2)/2]23）将各支座处负弯矩值连成直线，就可求得连续梁的弯矩。（4）在楼盖结构中，常采用双向或三向交叉梁系，它分为正放正交、斜放正交、三向斜交等，正放正交适用于方形楼面。双向板-1双向板-2（6）单向板和双向板1）判别：支承条件、板面形状、板边尺寸等2）需特别注意：对四角支承板，其受力和刚度比四边支承板更为不利，且其主要受力方向为长边，支承点附近板带承受的弯矩大于跨中板带承受的弯矩，与四边支承板刚好相反。1.5.7梁、拱和索梁：部分受拉、部分受压，应力分布不均匀，不能充分利用材料的强度。对梁施加一偏心压力，可使梁各截面处于受压或压弯状态，从而提高梁的承载力——形成拱同样，对梁施加一偏心拉力，也能使梁各截面处于受拉或拉弯状态，形成拉杆，其极端情况为“索”拱：适宜采用抗压性能好的材料（砖、砼）设计的关键是合理选择拱的外形（合理拱轴）、确定承受推力的结构措施。拱的推力通常采取以下措施（1）拉杆；（2）基础；（3）由侧面结构物承受；（4）由侧面水平构件承受（水平屋盖）防止拱平面外失稳，需设置侧向支撑索：适宜采用抗拉性能好的材料（钢索、钢缆）索仅承受拉力，在房屋建筑中用作屋面结构，由索网、边缘构件