浅谈建筑物结构体系的概念设计

2021-10-23司道林

居业 2021年9期

司道林

(济南工程职业技术学院工程管理学院，山东济南 250200)

随着经济的发展，我国的中高层建筑也向着高而复杂的趋势发展，从而产生了越来越多的高层、超高层及一些体型不规则的高层建筑物。这种发展趋势造成了建筑师更加追求建筑物的外部体型，从而忽略了建筑物结构体系的概念，使建筑师和结构师在建筑结构设计创造方面产生了极大的矛盾和冲突。多次地震灾害中房屋的破坏情况均表明：多数建筑物倒塌的主要原因并不是施工的原因[1]，而是由于设计师在设计时对建筑物的结构体系的概念不清楚，设计不合理，从而导致建筑物在地震的作用下产生严重破坏。

1 结构体系概念设计的重要性

土建类专业的学生进行建筑物结构体系概念设计的学习，能够使他们弄懂建筑物受力特征和力学的传递特性，使其能够从整体上把握建筑物结构体系的受力特性，对后续专业课程的学习和应用有着至关重要的作用。

对于刚刚从事建筑结构设计的工程技术人员来说，进行合理的结构体系概念设计的分析，能使其在进行工程设计时合理的选择建筑物的结构体系形式，正确的运用力学概念分析建筑物各结构构件连接的合理性，明确各结构构件和建筑物主体结构的关系，为下一步进行结构设计做好准备。

2 结构体系概念设计的整体性

在进行建筑物结构体系的概念设计分析的过程中，要从整体性的角度对建筑结构进行全面考虑，其中主要涉及建筑物整体结构形式、局部结构构件和两者的相互关联，着重考虑建筑物结构体系形式的选择对结构整体和关键部位结构构件受力变形的影响。

如何理解和把握建筑物结构体系的整体性呢？可以把建筑物看成一个整体，看成为一个总的结构构件。以现在常见的高层建筑为例，可以把高层建筑看作为一个支撑在地面上的竖向悬臂梁[2]。

2.1 受力平衡的角度

从受力平衡的角度分析，高层建筑物在自重、竖向荷载和水平荷载的合力作用下，可以使建筑物自身达到受力平衡。但是，随着水平荷载作用的增大或者变化，例如，地震作用、风荷载等，必定会导致建筑物产生整体倾覆转动。根据大量数据表明：只要控制建筑物偏心距不超过某一特定数值，建筑物的自重就能够保证它的整体倾覆稳定性。因此，我们在进行建筑结构方案设计时就要考虑这一因素，合理控制建筑物的偏心距。

图1 建筑物整体受力简图

对于非规则性的建筑物，由于其结构体系的非对称性，在抵抗水平荷载作用下的建筑物就比较容易发生扭转现象。因此，在进行建筑外观设计时，我们应该遵循均匀、规则、对称的原则，从结构体系的整体概念上减少建筑物发生扭转倾覆的概率。

2.2 力的传递角度

从力的传递角度分析，我们可以把建筑物看成一个整体的空间受力结构，建筑物的内外墙、梁柱、楼盖、屋盖等构件不仅是建筑物空间的分隔构件，又是建筑物的结构体系的一部分，从而保证整个结构能够有效的承担水平荷载和竖向荷载并按照明确的路线传至基础。

把整个建筑物分为水平结构体系和竖向结构体系两个分结构体系，两者相互协同工作。水平结构体系主要有梁构件、板构件和梁板组合构件，主要承受竖向荷载和水平荷载，并把所受荷载传递分配到竖向结构体系[3]。除此之外，水平结构体系还起着分隔竖向空间和连接竖向结构的作用。竖向结构体系主要有柱构件和墙构件，主要承受水平荷载，并把水平结构体系传来的荷载进行分配并最终传递到基础。

3 结构体系的协同工作

建筑物中的水平结构体系和竖向结构体系是通过相互连接协同工作的。在现浇钢筋混凝土建筑中，施工时把水平结构体系中的梁构件和板构件一同浇筑，形成了“T形梁”的梁板组合结构共同抵抗弯矩，如图2所示。水平结构体系中的梁构件和竖向结构体系中的柱构件刚接形成为框架结构体系，共同抵抗侧向力，如图3所示。

图2 梁板结构体系

图3 框架结构体系

由水平结构体系的梁、板构件与竖向结构体系的柱、墙构件共同组成框架-剪力墙空间结构体系，可以更好地抵抗两个方向的侧向力，如图4所示。由钢筋混凝土剪力墙浇筑而成的电梯间、楼梯间及其他竖向的设备管道，能够组成刚性的井筒结构，可以承受竖向荷载，同时更好地抵抗水平荷载。

图4 框架-剪力墙结构体系

总结构体系和水平分结构体系、竖向分结构体系相互关联、相互影响。把建筑物看成一个总结构体系，提出细部设计要求，选择合理的结构体系，使水平荷载和竖向荷载通过分结构体系的相互作用传递到建筑物的基础上。分结构体系的合理设计和分结构体系之间的合理组合会使总结构体系受力更加明确合理，各分结构体系的合理布置能够增大建筑物的整体抵抗侧向力和侧移的能力。例如，将建筑物所有现浇钢筋混凝土外剪力墙连接起来，就相当于在建筑物外侧浇筑了一个钢筋混凝土筒体，这样就增大了建筑物抵抗水平荷载和扭转的能力，如图5所示。把上述结构体系与建筑物内部的电梯间、楼梯间和设备管道井筒等结合起来，可以形成筒中筒结构，既能够使整个结构有效的抵抗弯矩，也有足够的抗剪刚度，如图6所示。