房屋结构总体系的方案分析

补充第三章房屋结构总体系分析第一节把空间组成的部件作为主要结构分体系对于一个复杂的结构设计项目，设计者不应让其思路为结构的复杂性所困惑，在确定方案的早期设计阶段，设计者应冷静地、全面地考虑设计要求，根据已有的设计经验，构思出某些解决方案，宜粗不宜细地将其构思通过若干主要构件的作用勾画出来。在方案设计时，设计者应考虑结构的基本子结构，如恒相传力的子结构和竖向传力的子结构。此时，设计者必须非常清楚地了解它们的组成以及相互间的作用。因为这样，设计者才能掌握结构体系的组成和力学性态，从而形成整体结构方案。当设计者对对结构组成的空间整体和传力路线有了清晰理解以后，就可以进一步考虑子结构的构成与传力问题。此时设计者的注意力就由空间的结构性态转为力流传递路径上的竖向或横向子结构或主要的构件的关注。虽然子结构或主要传力构件的详图设计不是方案设计阶段的任务，但是在早期设计阶段应对主要的竖向或横向子结构或构件进行初步估算，以便得出可行性评价和初步估算结构造价。在深化的详图设计阶段，设计者将对结构进行整体和局部的详细分析计算。同时根据计算的内力，对结构构件进行截面选型和设计，此时设计者的注意力已集中到具体的结构构件上。总之，随着结构的各个设计阶段由浅到深，由整体结构分析到子结构分析再到构件分析，设计者对结构的注意力也由空间整体结构转到平面结构，再转到线性或非线性构件，即由三维到二维到一维。在方案设计阶段，设计者的注意力总是停留在整体结构和子结构，对结构的注意力总体上停留在由空间到平面的阶段。只有需要验证方案可行性时，才会对结构的主要构件的截面进行受力验算。以上过程体现在以下几个设计阶段：（1）方案设计阶段：设计者注意力集中在结构的空间整体概念，由整体建筑结构的三维分析中得出整体结构系统的承载能力。同时，也得出整体结构与子结构间的相互关系；（2）初步设计阶段：设计者的注意力转向结构的横向和竖向子结构体系，以便建立结构主要构件相互之间的关系以及共同工作性态；（3）详图设计阶段：设计者的注意力转向结构的线性或非线性构件设计以及制造安装中的连接和结构西部设计。在设计的各个阶段中，设计者对结构整体性态以及整体结构与子结构间的相互关系的理解是十分重要的。按阶段进行设计是很重要的，这可以使设计者集中解决空间形式方案中较为基本的结构问题，而不至于过早地把注意力放在一些细节问题上。这也可以使设计者保证结构整体构思与空间形式构思之间的协调，使结构总体系方案成为结构分体系的相互关系、具体设计等更加局部的问题的基础。图4-1把空间组成的主要部件作为基本结构分体系（a）组合概念要求从中央庭院到四个独立的空间单元有敞开入口；（b）整体空间形式方案的概念；（c）总结构体系方案要求四个独立箱形结构悬臂支承与四个抗剪支柱上；（d）作为分体系的箱形结构单元的相互关系例如，楼盖可以采用多种材料，可以有很多种类型。但在讨论它的具体方案以前，楼盖作为一个整体必须首先能有效地成为整体结构——建筑体系的一部分。这就是说，要认识到应到从大处着眼，才能使复杂的设计问题得到较为完善的解决。建筑物结构设计的整体方案要求重视利用大空间分割的、围护结构的以及各种设备单元的部件来作为基本结构分体系的可能性；应该着眼于把外墙、内墙、屋盖、楼盖等部件的使用功能确定为既是空间分割的部件，又是结构分体系（照片4-1，图4-1）。照片4-1Milwaukee市战争记念馆，四边侧翼东西向悬挑10.52米，南北向悬挑8.7米图4-2主要空间单元的总体特性能启示结构分体系设计方案（a）从整体上看，折板屋面可设计成折板分体系；（b）按整体设计时，由腹板和翼缘组成的墙的刚度比矩形增大得多；（c）一个大的设在中央的竖向通道可以设计成核心筒结构分体系；（d）把最上面的过道设计成两个细长筒的连系梁，成为剪力墙和巨型框架的组合体图4-1中描述了在方案阶段可以把整个建筑方案的主要空间形式单元看成总体结构体系的基本单元。从整体来看，图4-1C和图4-1d所示的箱形主要空间单元，为三唯空间和二唯平面结构体系。当从总体的角度看折板屋盖或折板墙（图4-2a和图4-2b）时，它也同样具有空间结构分体系的特性。另外，用整体方法也可以看出，大的竖向电梯井和楼梯间可以作为核心筒结构分体系（图4-2c）。与此类似，有可能将一些较小的竖井与楼层空间部件连接在一起成为巨型框架总体系。甚至还有可能利用过道或主要的水平管道作为水平连系构件，）而墙体作为竖向承重分体系（图4-2d）第二节总体系分析的整体与局部由于复杂结构是由一系列基本的子结构系统组成，复杂结构具有可分性，基本的子结构系统设计的好坏，直接影响到整个结构设计的质量。当把基本的结构分体系看作是总体系的方案组成部分时，对于各个单独构件来说，只是它们的平面布置才对总的整体性假定具有关键性的影响。事实上，这个阶段的主要问题是应该怎样才能把空间形式方案中的主要部件看作是能起基本结构分体系作用的。因此，对于一个空间组成部件，应该首先考虑其在总体方案中所能起到的结构作用，其次，才是考虑各单个构件的布置、尺寸大小，或是确定连接大样等具体方案。图4-1的例子说明了这种方法，一开始建筑师可以把连接在一起的四个主要空间组成部件看作是悬臂式的结构箱型结构分体系。然后，研究设计每个箱形结构分体系的比较局部的要求。最后，当整个体系的可行性确定之后，就可以解决具体构件的设计和构造问题了。概括起来，这个方法的思路是先确定一个总体结构方案，作为解决分体系设计中更为局部性问题的一个前提。重复一遍，应当由总体系的空间结构概念决定有关细节的设计要求，而不是相反。在方案阶段，试图将建筑物作为一个整体提出一个最佳的空间方案和结构方案时，整体思路的价值是很显著的。同时还要看到，整体考虑也适用于单个分体系设计。图4-1和图4-2表明，可以先假定分体系是整体的，并按照平面结构或空间结构来分析它们的受力和工作性能。然后，通过确定其中主要部件的基本内力和几何特性，使整体假定具体化。图4-3说明了如何运用整体方法分析一个四角支承的折板屋盖体系的基本性能。图中的两个折板方案，比较了它们的整体与局部结构设计的关系，而未涉及具体构件的性能说明。在对基本部件的相互关系进行这种初步分析之后，就要解决主要构件的具体性能，而这些构件是实现方案分析整体假定所要求的。当然，设计者对于结构分体系在总的空间形式方案中相互关系的意图，将会影响他对结构分体系的处理方法（图4-4）。在总体系阶段，主要是判断和估计各种方案中，满足空间和结构要求的各分体系之间是否能实现整体的相互作用关系。因此，为了达到最优设计，需要在总体系和分体系设计阶段有反馈过程。在总体系方案和分体系方案的主要特性都经过优化之后，设计者才能把注意力转到具体的设计上去。有时，可能要求结构专业人员通过详细的分析予以验证、仔细推敲并找出基本上好的总体方案。毫无疑问，即使在设计的最后阶段，也还需要在空间和实体结构要求之间做进一步的修改。但如果反感阶段的构思比较好，那么修改就可能比较少。图4-3两个折板屋盖分体系方案的总体比较图4-5给出了另外一个例子，说明设计者是如何利用整体方法对空间形式方案的结构问题进行分层次研究的，这个空间形式类似于迪斯尼世界宾馆（照片4-1）。从整个建筑来看，很显然，这种形式适宜于用空间拱作为总体系方案。这种可能性是存在的。由于旅馆房间排列成行，横向分割墙是连续的，可以将墙设计成平面拱结构体系。通过起隔板作用的楼盖与台阶形布置的纵墙相互连接来实现这些拱分体系之间的结构连续性。在考虑结构分体系的具体设计之前，就能形成这种方案的概念。这无需预想，因为尽管拱体系的设计有很多方法，可以是混凝土结构，也可以是钢结构，但不会改变整个方案的适用性，可以将其设计成带孔的拱形梁，或者设计成带洞口的阶梯形桁架，这时洞口的布置可图4-4总体系方案是选择屋盖体系设计方案的前提（a）屋盖体系简支在剪力筒结构分体系上（着重于拱的作用）；（b）屋盖和筒刚性连接，形成整体框架作用（着重于筒之间的抗弯刚度）；（c）屋盖从核心剪力筒向外悬挑，楼盖悬挂在屋盖边缘（着重于固定主要的拉索）图4-5在设计特殊的空间形式时，整体方法是有用的以与过道空间以及相邻的门道一致。同样，纵向拱也可以设计成桁架或剪力墙。由于有了整体方法，不论是反感阶段还是具体设计阶段，设计者的创造能力就只会受到他们的想象力和见识的限制。整体方法也适用于复杂的建筑形式，比较对称的或者是单个形式的建筑，如前面所举的那些例子。显然，在非对称的复杂形式的设计中，还需要解决其它问题。注意，即使是单个形式的建筑，其内部也可能是非对称的。基本的整体方法应该是将一个复杂的空间形式划分成若干半独立形式的比较简单的组成部分。举例说，图4-6说明了如何通过把一个体性复杂的建筑整体形式分解成若干高低不同的、长短跨度不同的或其它一些简单的空间结构组成部分，使一个复杂形式的建筑得到简化。由于水平力对建筑物高低不同部分所起的作用差别十分大，因此，宜于把每个部分当作一个单独的结构来处理。与此类似，一幢建筑物也可以根据它们的基本跨度或使用性质分解成不同的结构区段。因此，对于图4-6种的建筑物，每个区段的设计可以互不相同。唯一复杂的问题是，在不同结构区段的交界处，结构的内力和位移应该得到协调。图4-6复杂形式和使用要求可以通过分解简化在讨论并说明了应用整体方法分析结构的概念和逻辑关系之后，本章的其余几节将讨论四个应用实例。这些例子中所采用的形式都是比较简单的，有单层、两层、12层的以及15层的建筑；类型有单跨单层的大空间以及分成小间的高层办公楼和高层公寓，还有一幢两层的车库。通过几个不同类型分体系相互关系的方案描述和分析，可以说明在实际上怎样能使整体假定具体化。在这些例子中，将不涉及用什么材料或构件详图等初步设计的问题，这些将在以后的章节中再讨论。主要是想说明，怎样把一幢建筑看作一个总的结构体系，竖向力和水平力又是怎样通过主要结构分体系的相互作用传递到建筑物的基础上的，在所有这些例子中，无论是采用钢结构，还是钢筋混凝土结构，还是预应力混凝土结构，设计都是可行的。但是，通过这些例子所用的整体方法，应当认识到，用一些透彻的悟性假定以及仅少量的计算，往往就能对总体系方案提出主要结构方案。可以看到计算是简便而完整的，并不很精确，重点是强调整体的概念，而不是纠缠于细节。第三节单层开敞空间建筑[例4-1]一幢开敞空间的单层建筑，平面尺寸为30.5m×61.0m，坡屋顶（图4-7）。通过方案分析此建筑抵抗横载、活荷载和风荷载的总要求。有关计算荷载的具体方法将在第5章讨论，目前采用如下荷载：假设屋顶横载（DL）按水平投影为1.92kN/m2包括屋架、屋面做法以及所有支承于屋架上或悬挂在屋顶下的管道和其它设备的重量墙的恒载按墙面计算为2.87kN/m2,包括柱、板壁以及任何附属在墙内的其它构件重量。作用在建筑物迎风面上的水平荷载（WL）按其投影面积假定为1.44kN/m2，投影面积高为9.1m，宽为61.0m，忽略背风面的吸力，有关风吸力问题将在第5章讨论。另外，还考虑在屋面上有向下作用的1.44kN/m2的竖向风荷载（压力），其计算水平投影面积是30.5m×61.0m。同样，忽略吸力的作用。屋面活荷载按水平投影面积是0.96kN/m2，比风荷载小，对屋顶设计不起控制作用。但是，尽管风荷载的压强要高些，但活荷载的作用依然可能比风荷载更加不利。这是因为建筑规范允许在风荷载作用下结构各部位的应力可以比活荷载作用下的应力大（一般要大1/3）。图4-7总荷载的确定（假设所有荷载在投影面上为均匀分布）为了确定抗力的整体要求，可以假定围护墙面为刚性连接的板。但真正结构的整体性是由一系列的刚架形成的，每榀刚架由两侧的柱和两根带坡度的屋面大梁所组成。它们互相刚性连接，形成门架型结构基本体系，承受屋顶的荷载，并把荷载传给基础（图4-8）。次要的屋面构件和墙体壁板构件起到联系刚架的作用，并起到空间围护作用。建筑物两端有山墙，开有所需要的门窗洞口。图4-8整体结构体系方案图4-9全部屋面荷载作用下由整体刚架作用引起的总水平反力的近