建筑结构设计全过程解析

刘 浏

（南京金宸建筑设计有限公司，江苏 南京 210019）

0 引言

在建筑设计院的设计工作中，结构设计是主要的专业设计之一。结构工程师究竟是做什么的，结构设计的主要工作内容有哪些呢。本文从结构设计工作实践出发，对结构设计的主要工作内容进行一次梳理、解析和总结。一般结构设计分为三大步骤，建筑方案设计、初步设计和施工图设计。

1 结构设计准备

结构工程师首先通过建筑方案图，对项目有个初步了解，包括项目的地理位置、建筑规模、建筑类型等；具体到单体建筑的平、立、剖面图等。这个阶段需要就建筑结构方面配合建筑师进行方案设计。其次熟悉工程的地质勘察报告，勘察报告上要注意的关键内容和信息包括：

（1）地勘报告中关于场地的地形地貌、地质构造与环境地质条件，场地土层分布规律及土层工程特性。

（2）场地水文地质条件，场地地下水类型、透水性评价，地下水对建筑材料的腐蚀性评价。

（3）岩土层承载力及变形参数情况，以此确定基础形式。估算建筑柱底荷载或剪力墙荷载，再根据地基承载力，确定基础形式，如天然地基独立基础、条形基础、筏板基础、桩基础、桩筏基础、复合地基等；也可以参考报告中建议的基础形式及承载力计算值。

（4）关注场地有无不良地质作用以及对工程的危害性；关注场地稳定性与适宜性评价、场地的地震效应评价，特别注意抗震烈度、设计地震分组等参数。

（5）需要判断地下室是否需要抗浮设计，应关注抗浮设计水位的取值。

（6）对于深基坑基础，应关注基坑开挖与支护的相关情况，对地质条件可能造成的工程风险要有预判及应对的措施。

2 结构初步设计

在建筑方案设计之后，要做初步设计。初步设计是对结构整体及各部分方案进行初步确定、布置和计算，判断结构计算指标是否满足规范的要求。如果是高层建筑，还要判断结构是否超限，如果结构超限，需做超限专项审查，协调配合甲方，组织专家进行审查。

在结构方案的确定过程中，结构工程师需要面对的关键问题就是确定建筑的结构类型和结构体系。常见的结构类型包括混凝土结构、钢结构、砌体结构、木结构等。在各类建筑物中应用最广泛的混凝土结构，它的结构体系分为：框架结构、剪力墙结构、部分框支剪力墙结构、框架—剪力墙结构、框架-核心筒结构、筒中筒结构以及板柱-剪力墙结构等。钢筋混凝土的不同结构体系有如下应用：

（1）对于常见的民用类建筑，诸如办公楼、学校、医院、商场、图书馆等需要较大的开间的建筑，当房屋高度不超过按抗震烈度要求的限值时（如7度区60m，按规范确定），一般采用框架结构；当房屋高度较高时，可选择框架-剪力墙结构。

（2）对于高层公寓、住宅、办公、酒店等民用建筑，开间要求较小，一般选择剪力墙结构。有些高层建筑的底部楼层因布置诸如商业、大门厅等功能区域，需要大空间，一般采用部分框架—剪力墙结构。

（3）对于高度较高甚至超高的高层建筑，一般采用框架-核心筒结构或筒中筒结构，这类结构体系抗侧刚度较强，适应超高层建筑抗震、抗风的需要。

在结构类型和结构体系确定之后，结构工程师应布置结构的柱网和确定结构楼盖的形式。结构合理布置柱网应注意以下几点：

（1）柱网布置应结合建筑平面布置及建筑功能的需要，尽可能规则布置，柱网距离宜平均，柱网从上到下宜对应，避免不必要的转换。

（2）多层框架结构不宜采用单跨框架，宜避免布置少墙框架结构、短肢墙结构，多层建筑可考虑异形柱框架结构，诸如别墅、花园洋房之类的建筑。

（3）合理控制柱网间距，常规的柱网8m～9m，大跨柱网（一般超过12m）可考虑采用钢梁、钢骨混凝土梁、钢骨混凝土柱等。

结构楼盖形式的确定注意以下几点：

（1）布置主梁而不布置次梁的楼盖，主要用于地下室顶板作为上部结构崁固端的情况下，楼盖面内刚度较大，利于传递水平剪力，也能够满足崁固端的刚度比要求。

（2）布置主梁而且布置次梁的楼盖，通常有单向主次梁，单向双次梁、井字梁、十字梁等形式。这种楼盖形式最常见，适用于大多数条件下的平面楼层，从经济性的角度来看，单向板板跨宜为3m左右，双向板板跨宜为4m左右。

（3）既不布置主梁也不布置次梁的楼盖，这种楼盖板一般是空心楼板，厚度较大，但是又比布置主梁的高度小，有利于满足楼层净高的使用需要，但是计算方法较复杂，对设计的要求较高，特别是板柱节点设计是关键，需要设置柱帽、暗梁等加强构件。这种楼盖一般常用于地下车库，大空间的商业建筑等[1-3]。

在结构的初步方案确定后，就可以建模进行结构计算。计算时，要按照规范要求以及地勘报告提供的相关参数，选择合理的控制指标，对计算结果进行分析判断，需要重点关注的计算结果包括：结构的平动周期、扭转周期、结构周期比、结构层间位移角、层间位移比、楼层受剪承载力、刚度比、竖向构件的轴压比、主要构件的配筋率等。通过对这些指标分析，来判断结构方案是否合理、是否满足规范的相关要求，进而对结构方案再做进一步优化。

当结构方案确定之后，初步设计要形成文本，内容包括初步设计说明、结构基础布置图、竖向构件（框架柱、剪力墙）布置图、各层楼面布置图、结构初步计算书等。

3 结构施工图设计

施工图设计是结构设计的关键阶段和主要成果，是现场施工的依据，工作量最大，也是设计工期最长的部分。施工图设计过程中，结构工程师要与建筑、人防、电气、给排水、暖通等各专业的工程师进行密切配合，要满足各专业的相关条件，因为涉及结构的整体以及局部安全、建筑功能使用的适用性和建设成本的经济性，设计过程中要严谨，认真，精益求精。

一个工程项目完整的施工图应包括施工总说明、基础部分、地下室部分、竖向构件、各楼层平面、楼梯、坡道大样等几个主要部分。需要二次设计部分，图纸上应注明位置以及相关要求。各分部分的主要内容即是模板图和配筋图。在这几个部分之间，基础部分往往需要最先完成。这是因为施工图设计往往需要一定的周期，特别是对大体量的建筑综合体，或者分期建设的项目，设计周期较长，为了节省工期，流水作业，结构基础设计可以提前，甚至基础图纸可以提前报审查，基础审查通过后，现场可以先施工结构基础，特别是对于桩基础而言，试桩，打桩都需要一定的工期，这种情况下，在建筑方案基本确定的情况下，完全可以考虑桩基础设计提前完成，然后现场先进行打桩施工。结构总说明也是结构施工图的一部分，而且是首要部分，对施工图具有总领作用，对现场施工具有总指导性的作用。它应该包含的内容有：

（1）工程概况：包括工程场地位置，建筑使用功能，地下、地上层数，总高度，各单体的抗震等级，结构体系崁固端位置等；

（2）设计依据：主要是指采用的现行主要规范和规程、地质勘察报告等；

（3）结构设计正常使用年限、结构安全等级、抗震烈度、风荷载取值、雪荷载取值等；

（4）地基基础设计等级，基础设计类型，场地条件、持力层情况及地下水情况等；

（5）材料选用：包括砌体材料、混凝土强度等级、钢筋和钢材强度等级、地下防水等级要求；

（6）混凝土构件构造要求：钢筋搭接、锚固长度、接头率、接头方式，各构件混凝土保护层厚度要求，混凝土耐久性要求，防火要求，防雷接地做法等；砌体施工要求；

（7）后浇带设计要求、沉降观测要求；预埋构件预留孔洞设计要求；地下室设计相关要求；

（8）人防设计相关要求；

（9）绿建设计专篇；

（10）危险性较大的分部分项工程设计专篇等。

4 结构计算书

本质上讲，结构计算书也属于施工图的一部分，因为结构计算书是结构设计的依据，它也是施工图审查的重要内容。结构计算的正确性、合理性、合规性缺一不可，因此重视结构计算以及结构计算书的整理，对提高整个设计质量和准确性，以及满足审查要求，具有关键作用。

整理、汇总结构计算书时，需要注意的问题是：

（1）计算书不要漏项，计算书应整理目录，把各项内容与设计图纸一一对应；包括电算文本信息（设计总信息、周期、位移）、电算图形文件（平面简图、荷载输入简图、梁，板，柱配筋简图）、基础计算参数、桩设计、抗浮锚杆设计、底板设计（反力、配筋、冲切、局压验算）、抗浮验算、沉降验算、地下室外墙计算、楼梯计算等。

（2）明确构件配筋的控制原则，比如地下室外墙、地下室顶板等构件，须同时满足强度控制、裂缝控制或人防控制等条件，应同时提供几种控制条件下的计算文件。

（3）结构构件计算模型或原理应准确合理，比如地下室外墙应按压弯构件计算，穿层柱、夹层柱应按实际长度确定计算长度系数，梁与剪力墙平面外连接应设铰支座、墙内设置暗柱等。

5 结构施工图报审

毫无疑问，施工图报审是结构设计关键环节，也是结构工程师的重要工作，通过审查以后，施工图设计成果才能交付施工。审图专家将对设计内容进行详细审查，检查是否满足现行的各种国家规范、标准，行业或地区标准等，以及对设计的合理性提出意见等。需要指出的是，施工图审查是全专业同时进行的，建筑、结构、设备各专业同时报审。

6 施工验收

施工图报审合格通过后，在施工过程中，有几个分部工程需要结构工程师到现场参与验收。

6.1 钢筋验收

钢筋验收包括：

（1）钢筋锚固，主要是检查钢筋锚固的长度是否满足图纸要求；

（2）钢筋数量与直径，要检查与图纸是否一致；

（3）钢筋间距，按梁、板、柱、墙等各构件分别检查是否满足图纸的要求；

（4）钢筋保护层，按梁、板、柱、墙等各构件分别检查是否满足图纸的要求；

（5）箍筋设置是否与图纸相符；（6）墙体、楼板内是否按图纸要求设置拉结筋；

（6）后浇带位置钢筋是否按图纸加强；

（7）梁、柱内钢筋接头部位、钢筋连接方式、钢筋搭接长度及接头率是否满足规范要求；

（8）各批次的钢筋是否有合格证以及试验报告。

6.2 验槽

验槽是在施工现场基坑开挖完成以后，基础底板施工之前，需要结构工程师现场验收的一个步骤。验槽时需确认基坑土层实际情况是否与地勘报告中土层情况相符，并核实现场地基土层有无软弱土层、暗塘、溶洞等异常情况；原钻探孔深度及数量是否需设计需要，是否需要补充勘探，原基础设计是否需修正。基坑持力层的承载力检测值是否达到设计时采用的地勘报告提供的取值，持力层是否有差别，现场需会同勘察负责人员共同确认；基坑开挖深度是否与设计深度一致，是否超挖，超挖处理措施是否到位，基坑尺寸是与图纸一致，轴线定位是否有偏差等；基坑是否有积水，基底土层是否被搅动；基坑降水、基坑支护是否按要求施工到位，有无安全隐患等。

6.3 主体验收

结构主体验收，是在结构主体施工完成以后，组织各参与方的对结构各个部分进行总体的、全面的验收，结构工程师主要注意的内容有以下几方面：

（1）对结构整体及各构件的施工质量有个总体的判断，主要从观感、外观平整度，美观度等方面去观察。各混凝构件尺寸是否达到设计要求，其混凝土浇筑成形质量如何，是否有蜂窝麻面、露筋等现象，是否有修补的痕迹，如有应问清修补的原因，是否有对结构受力，结构耐久性甚至安全有影响。

（2）砌体工程的砂浆是否饱满，砌体的放样是否平直，墙面是否平整。砌体中的构造柱是否设槎，框架梁下砌体是否密实，圈梁是否按要求设置。墙面的砂浆找平层厚度是否过厚。墙面是否按要求设置钢丝网片等。

（3）各专业设备预埋件是否按图埋设，插筋是否预留；卫生间、厨房间楼板标高是否与图纸相符，预留洞是否留设，对后封的洞口内板钢筋是否预留等。

（4）察看施工过程中的结构沉降记录，是否有过大的沉降差异。每层增加的沉降量，及各观测点间的沉降差如何。

（5）查看施工记录，各种材料合格证，试件的强度检验报告等。

对于在主体验收过程中，发现有不满足图纸设计要求或达不到设计要求的效果，结构工程师应提出问题以及整改的意见，协同各参与验收单位，要求施工单位进行整改，直至施工效果满足设计要求为止。

7 竣工验收

竣工验收是工程验收的最后一关了，是指在工程项目竣工后，由甲方组织，会同建设、设计、施工、设备供应单位及工程质量监督等部门，对该项目是否符合规划设计要求以及建筑施工和设备安装质量进行全面检验后，总结整个建设过程的经验，取得竣工合格资料、数据和凭证的过程。

竣工验收，是全面考核建设工作，检查是否符合设计要求和工程质量的重要环节，应该指出的是，竣工验收是建立在分阶段验收的基础之上，前面已经完成验收的部分一般在房屋竣工验收时就不再重新验收。

8 结束语

以上就是结构工程师的主要工作。当然，一个工程师可能在同一时间接手两个甚至多个项目，各个项目可能处在不同阶段，以上的工作内容可能是交叉进行的，这对一名合格甚或优秀的结构工程师又提出了更高的要求。