计算机在建筑楼梯设计中的应用

马璇 彭少卿

摘要：本文从建筑形态、建筑性能、建筑空间形态出发，阐述了计算机对建筑设计的影响，在此基础上提出了计算机技术在建筑设计中的应用，以期能够为推动建筑设计行业发展提供思路。

关键词：计算机;BIM技术;CAAD技术

对于建筑设计师而言，设计师结构合理、安全程度高、成本低、能耗低、舒适度高的建筑物是十分常见的工作目标。随着科技的不断发展，国际上、国家内部对于建筑物的结构合理性、安全程度、环境友好程度等方方面面有了越来越多的要求，想要达到这些要求，设计师们需要计算机及其技术的辅助。比如：在建筑物安全程度方面，我国在汶川地震后着手修订了《建筑抗震设计规范》，新版规范中要求建筑设计师们在进行“结构抗震分析时，计算模型的建立、必要的简化计算与处理，应符合结构实际状况，考虑楼梯构建的影响”。由此可见，计算机及其技术在现代建筑设计中的重要性。

1 计算机对建筑设计的作用

1.1 对建筑形态的影响

在建筑物设计过程中，设计人员可以借助计算机技术软件来为建筑物设计模型，模型中所使用的各个建筑物部分可以借助软件中的既有各类图形来进行设计，并借助技术软件提供的参数调节功能来进行微调。计算机技术软件的这些功能既能够满足设计人员的设计质量需求，还能够满足建筑物的视觉审美效果。

1.2 对建筑性能的影响

在建筑物设计过程中，设计人员可以借助计算机技术软件来对建筑物进行模拟数据分析，对土木工程、电气工程、暖通工程等不同建筑环节的资源进行调节和优化，使设计人员能够为建筑物出具能耗更低、成本更低、质量更高的设计图纸。在建筑物高度不断上升的当下，设计人员需要更加重视建筑物本身的安全性能，从抗震等方面提升建筑物的性能，提高建筑物的安全水平。

1.3 对建筑空间形态的影响

随着现代人们的生活水平不断提升，业主方面对于建筑物的内部格局、内部空间开阔程度要求越来越高，要求设计人员设计出视野开阔、稳定性高、设计合理的建筑物结构。计算机及其技术能够有效辅助设计人员完成建筑物内部空间形态设计，帮助设计人员完成内部空间合理规划。计算机作为一种多维信息、多元共享的技术，能够充分满足设计人员的使用需求。

2 计算机技术在建筑设计中的应用

2.1 BIM技术在建筑设计中的应用

BIM，Building Information Modeling的缩写，中文名称建筑信息模型，这是一种建筑学、工程学、土木学中的新工具。BIM技术软件通过将建筑数据化、信息化、模型化的方式，来满足建筑项目策划、设计、运行和维护的需求。设计人员可以借助BIM技术软件来对建筑进行正确设计、合理分析和预测，尽可能提高设计图纸的生产效率。BIM技术软件具有可视化、协调性、模拟性、优化性、可出图性等诸多优势特点，能够辅助设计人员完成图纸设计，进行不能够在真实世界中进行模拟操作的行为，借助计算机技术完成建筑物参数优化，为设计人员出具常规及细节建筑专业图纸和深化图纸，使设计人员的设计意图更加详细的表达给施工团队，为建筑工程项目的施工奠定基础。

2.2 CAAD技术在建筑设计中的应用

CAAD，Computer Aided Architecture Design的缩写，中文名称计算机辅助建筑设计。CAAD技术是目前国内外建筑设计领域中设计人员的主要工具软件之一，能够利用计算机、图形设备辅助建筑设计工作，帮助设计人员减轻设计计算负担，帮助设计人员尽快将设计草图变为工作图，辅助设计人员对设计图纸进行修改加工。CAAD技术软件能够辅助设计人员进行方案优化，从思维概念的角度来帮助设计人员完成方案加工、优化、改进和完善，不仅可以简化设计工作，还能够提高设计图纸的合理性。

3 计算机技术在建筑楼梯设计中的具体应用

在传统的框架一剪力墙结构的楼梯设计过程中，设计人员在利用设计计算软件进行建模计算时，通常不会单独输入楼梯构件，而是仅通过将楼梯的竖向荷载传递到框架梁、柱或墙上来进行建模，后续的计算、模拟也都基于此。在这样的设计方式下，楼梯与建筑物整体结构的连接并不强，楼梯成为建筑物整体中孤立的存在，因为设计人员只考虑了构件计算和配筋，没有考虑地震这种强力冲击下楼梯会有的变化和反应。这是导致汶川地震中诸多建筑物楼梯主体结构破坏严重，未能成功扮演人们地震逃生工具角色的主要源于。也因此，在汶川地震后，我国着手进行了《建筑抗震设计规范》的重新修订，严格要求了建筑物设计计算模型中要充分考慮楼梯构件的影响，要求设计人员着重分析楼梯构件的有限元分析、反应谱分析、静力弹塑性分析、动力弹塑性分析等分析工作，提高建筑物中楼梯部分的抗震性能，从而提升建筑物整体的抗震性能。

3.1 计算机模型分析应用

设计人员在进行建筑模型对比分析过程中，要重点关注对建筑物、楼梯部分的抗震性能参数分析。具体参数包括楼层剪力、楼层位移、层问位移角、梁柱构件内力等。设计人员通过这些模型的参数对比分析，能够有效获取建筑物主体结构在地震强冲击下的表现，尤其在多遇地震、罕遇地震的环境模拟中获取框架一剪力墙整体刚度、自振、扭曲变化。这样的建筑模型模拟方式，能够有效提高设计图纸的设计质量和效率。

首先，楼梯能否对框架一剪力墙结构整体刚度产生影响。在地震冲击下，建筑物所表现出的自振周期、楼层位移、层间位移角、楼层剪力等参数变化都有着不同的程度。在楼层在冲击下发生变化时，楼梯作为框架一剪力墙结构中的斜撑构件，理应起到一定斜撑作用，帮助建筑物整体结构提高稳定性。在计算机地震模拟情况下，设计师能够清晰看到地震冲击下楼梯所表现出的斜撑效果，看到楼梯构件在地震冲击下表现出的优势和劣势。

其次，对称楼梯和不对称楼梯对建筑物整体结构的影响。在现代建筑设计中，不少设计人员为建筑物设计的楼梯间是不对称的，这种不对称设计相较于对称楼梯设计更具有设计感，也是很多建筑业主方会选择的设计方案。但在地震冲击下，不对称楼梯间的布置对建筑框架一剪力墙结构的影响也比较明显，楼层位移、楼层剪力等参数明显较对称楼梯间增大。这也是汶川地震中不少建筑物楼梯损毁严重，建筑主体结构损毁严重的主要原因之一。因此，设计人员在做建筑设计时，应当从抗震角度入手充分考虑不对称楼梯的布置，配备协调设计。

最后，楼梯对建筑梁柱构件内力的影响。楼梯在建筑物中实际是非常重要的结构构件，它的存在必然会导致建筑物结构的刚度增加，连带影响建筑梁柱构件内里。但当设计人员在设计过程中对楼梯构件进行简化时，楼梯对于建筑物梁柱构件内里的影响，对建筑物主体结构的刚度影响，都不能很好的体现出来。这是影响建筑物抗震性能的重要因素之一。也是设计人员在设计过程中需要进行改进的方面。

3.2 建筑楼梯设计中计算模型的建立

（1）有限元软件Midas Gen。Midas Gen为设计人员提供了必要的、种类俱全的模型库，建筑楼梯设计中所需要的模拟框架柱、梯柱、框架梁、次梁和梯梁、模拟楼板、楼梯梯段板和休息平台板等元素都能够在模型库中找到，并根据建筑物需求进行参数微调。比如：梁单元中的模型基本都具有拉、压、弯、剪、扭等多个维度的变形刚度，设计人员可以在单元坐标系和全局坐标系中对梁模型进行三维方向的线性位移和旋转位移。

（2）模型荷载的选取。设计人员在设计建筑楼梯模型时，对模型的荷载参数设定需要根据《建筑结构荷载规范》中的要求进行统一取值，比如：各标准层恒荷载5.OkN/m2，活荷载2.OkN/rri2;主梁尺寸300x600、次梁尺寸250x500、梯梁尺寸200x400，均布线荷载均为13 kN/m2。设计人员在进行楼梯间设计时，对模型荷载的选取主要有两种方式，其一是将楼梯间板厚度设为零，荷载选择恒荷载和活荷载的无楼梯布置，其二是对楼梯间设置为梯段板和半层休息平台板，荷载选择板单元荷载参数的楼梯间模型。

（3）反应谱分析参数设置。设计人员在设计建筑楼梯时，需要考慮楼梯间的抗震性能设计，反应谱分析是帮助设计人员了解构件在地震冲击下表现的重要途径。在Midas Gen有限元软件中，设计人员可以进行地震相关参数设计，模拟进行建筑物的抗震考验。比如：设计人员可以将地震模式选取为“多遇地震”，地震特征周期设计为0.35s，地震阻尼比设计为0.05，地震设防烈度选取7度等，完成对建筑物的抗震测试。

（4） Pushover分析参数设置。Midas Gen程序适用于任何结构体系，包括剪力墙结构，Midas Gen专门提供了剪力墙静力弹塑性单元，对剪力墙可以分配轴力.弯矩铰以及剪切铰。在进行Pushover分析过程中，结构侧向荷载加载模式的确定是很关键的一步，所选的加载模式要既能体现地震作用下结构各层惯性力的分布特点，又能反映地震作用下的结构位移形状。在Midas Gen计算程序的“荷载模式”中，提供了模态加载、静力荷载工况、加速度常量等三种方式，其中模态加载因其概念较为清晰，理解相对容易，而经常被选为结构的侧向荷载加载模式。本文也同样选择“模‘态加载”方式进行结构分析。

4 结束语

在计算机技术参与建筑设计领域之前，建筑物的设计、计算工作都依靠设计人员的人工计算和个人经验，期间需要经过多次设计变更来优化设计方案和设计图纸，提高建筑物的设计质量。但在设计图纸和方案的实际应用后，仍然不能保证建筑物各部分、各构件的合理性和安全性，也是很多建筑物在地震、强风等力量冲击下出现严重损毁的主要原因。随着计算机技术的参与，BIM技术、CAAD技术等设计技术软件的加入，很多传统设计问题都能够得到解决。在《建筑抗震设计规范》的重新修订下，设计人员的设计过程、设计成果更加合理，建筑物的抗震性能更加优秀，比如改善建筑设计过程中楼梯构件的模型设计合理性，推动整个建筑行业内建筑物的安全性。

参考文献

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作者简介

马璇（1989-），女，江苏省徐州市人。硕士研究生学历，现为江苏建筑职业技术学院建筑装饰学院讲师。研究方向为建筑装饰。

彭少卿（2000-），男，安徽省滁州市人，大专在读，现为江苏建筑职业技术学院学生。