框架式建筑设计方法与应用

冯时宇，任建红

（青岛工学院 建筑工程学院，山东 青岛 266300）

结构设计可以提高建筑结构的空间利用率，保证整体布置的科学性和合理性，使建筑整体的功能满足使用者的需要。在建筑工程中，框架结构是一种承载构件，其结构形式是梁与柱的刚性联结，梁与柱能够承载水平荷载和纵向荷载，是结构体系中的一个主要构件。框架结构的重量更轻，材料更少，空间布局可以达到灵活的要求，同时也保证了人们的个性化需求[1]。随着我国建筑业的迅速发展，对建筑的性能、安全的要求也越来越高，框架结构已成为目前建筑结构设计的一个重要组成部分，它也为建筑节能等诸多问题的研究开辟了一条崭新的道路。

1 建筑设计

1.1 建筑平面设计

建筑平面是指在建筑物内各个水平方向上，各个构件之间的协调关系。同时，也反映了各个建筑空间和它们周围的垂直构件的联系。所以，在整体建筑设计中，必须对其平面结构进行分析，而其平面设计中又涉及使用部门与交通部门。首先要明确柱间距，并按照各房的设计要求，通过外墙间隔、地板跨等因素来决定。然后，将建筑平面加以整合。在交通规划设计上，根据建筑消防安全的需要，在建筑中部设置两级楼梯。

1.2 建筑立面设计

采用符合其功能需求的外在形态，并运用恰当的建筑艺术手法，以突出其个性特点，从而使其更加鲜明、突出。建筑外观设计是一种建筑的外观造型的表现方式。在平面上，沿着水平方向上的各种尺寸和剖面的垂直尺度，画出4个不同方向的建筑物立面，并调整、统一、加工平面，使之成为一个美观的整体。在立面设计中，通常先确定建筑内部空间的平面与剖面的关系，画出各种立面的基本轮廓，进而对整个立面进行进一步的调整。在设计时，应充分考虑各部分的整体比例，兼顾各立面的一致性，并注意相邻立面的连接和协调；其次，着重于建筑外墙的改造；在此基础上，着重对入口门廊、建筑装饰等进行细致的设计。

1）功能需求不同的建筑，其内部空间结构的组合特征也各不相同，因此，其外部形象也要与之对应。

2）建筑的内部空间结构和外部形体的构造必须以某种形式和技术的方式来完成，因此，建筑立面的设计必须与所使用的材料、结构和施工工艺相适应。

3）立面的设计应符合建筑形态与立面结构的规律性，如比例尺度、完整均衡、变化统一等。

4）按照建筑物的用途、面积，严格按照国家有关建筑规范和相关的经济指标，以最小的投入，建造简洁明快、朴素大方的建筑物，同时又能达到一定的使用条件。

1.3 建筑剖面设计

建筑剖面设计通常是依据建筑的功能性、规模性和周围的环境条件来决定建筑的竖向布置、层数、高度及竖向的空间分布和使用情况，以及建筑剖面中的结构和构造关系[2]。建筑截面的外形与建筑的功能需求密切相关，住宅、宿舍、旅馆和办公楼等建筑的截面形状以矩形为主。剖面设计以平面设计为依据。在剖面设计时，进一步确定建筑的空间组成，同时，还对建筑的平面进行了进一步的设计，以达到合理的空间布局。在进行截面设计时，应先确定层高，同时考虑到建筑物的纵向交通连接部位，例如：楼梯的形式、台阶和踏步等的高度、电梯的布置及数目等。

1.4 装饰

外墙是建筑外观的重要组成部分，其对建筑的视觉效果有很大的影响。所以，外墙的装修一般要根据建筑自身的使用需求和周边环境来选择，一般采用耐老化、耐光照、耐风化、防水、防腐和抗空气污染的外墙面饰。

1.5 抗震设计

在抗震设防等级、烈度、结构类型和建筑高度等方面，需要采取不同的设防标准，以实现其抗震目的[3]。以抗震设防的强度作为地震设防依据。通常，抗震设防的基础是抗震设防的强度。防震设施的强度根据政府批准或公布的区域防震设施标准的文件确定。抗震设计是建筑设计原理重中之重，其工作原理受地质环境条件的影响很大。地震工作原理与地质、环境等因素密切相关。在建筑施工中，由于混凝土柱的受力比较大，尤其是在某些压力作用下，难以形成恒定性和延性，从而产生实际的变形。为保证承压构件的可塑性，在进行结构设计时，应采取“强极弱”的设计策略[4]。另外，在设计时，应尽量合理确定转弯区域的高度与顶梁和底梁的比值，并通过调整不同内力的密切程度，从而达到改善混凝土的效果。

2 结构设计

2.1 框架结构布置

框架结构的平面布局是指在结构平面图中确定柱子的位置和承载力的方法。框架结构的柱-网布局要考虑到建筑物的功能需求，考虑到力的合理性，便于施工和经济上的合理性。在不一致的情况下，梁柱核心部位的受力和结构会产生不良的影响，梁柱的偏心距离不能超过柱宽度的1/4。对于具有复杂平面形态的抗震裂缝，宜将其分为规则简单的单元，伸缩缝、沉降缝等均满足抗震设计的要求[5]。

在垂直方向上，框架结构的垂直布置要尽量做到均一、尽量减少变动，这样才能保证结构的刚性在垂直方向上保持一致。在垂直方向有不同要求的情况下，应尽可能地保证其变化的均匀性，以防止因竖向刚度的突变而引起的应力集中。在抗震设计中，梁、柱应尽量保证结构的整体高度，而不应采用抽柱、抽梁等措施，以改变传递路径；不能在同一楼层内改变柱的横断面；在同一结构单元时，要注意由错层引起的短柱；屋顶部分伸出的塔楼不应位于房屋的最后面。在水平方向上，框架结构的平面柱网应具有同样的尺寸，当柱子截面发生改变时，应尽量保持其轴线不变，或者只有极小的偏心。在框架结构的抗震设计中，不能采用局部砌块墙体的混合结构。框架结构的填充墙及隔断应选择轻型墙体，如采用砌块填充墙，应遵循下列原则：避免引起上部、下部刚性的过度改变；减少因横向刚度偏移而产生的扭转。

2.2 框架内力计算分析

目前，人们在计算建筑框架结构时，通常使用PKPM、CAD等计算机软件。在竖向荷载影响下，不考虑对结构的侧向位移的影响，采用了分层法和二次分配法。在水平荷载下，常使用人工计算，一般使用D值法计算。分层法是以每一级的下梁上柱作为基础的计算单位，末端部均按固端来计价。首先，估算了梁端在竖直载荷作用下的最大梁端的固端弯矩，各单位中的一次最大弯矩仅在该单位中进行，而上下单元之间是没有发生位移的。在弯矩分布完毕后，将梁的平衡弯矩视为梁端的弯矩，并根据相邻单元的弯矩和进行计算[6]。

弯矩二次分布方法假设，在节点上的非平衡弯矩仅对节点上的各个杆的末端产生作用，而对剩余的部分则没有影响。然后，通过对各个节点的不均衡弯矩进行初次分配，将其传递到远端（传递系数为1/2），然后通过传递弯矩引起的新的不平衡弯矩进行二次分布，以达到均衡的目的。通过对每根柱端弯矩、分配弯矩和传递弯矩进行分析，得到了各杆端弯矩、分配弯矩和传递弯矩的大小。

框架柱的抗推刚度及侧移刚度被称为D值，通常是在水平方向上，要对其进行水平方向的位移。假定楼板在其平面上的刚度为无穷大，所以，在不考虑扭转作用的情况下，同一楼层内各柱的水平位移基本相同，即各楼层所受到的侧向力与各楼层的D值呈正比关系。各层间的总剪应力V按D值的比例分布于各柱，由此得出各柱所受的剪力。在确定了柱剪应力后，再按平衡条件求出其他的内力。

2.3 框架梁截面确定

确定框架梁的截面大小有很多因素，其中可以通过荷载的大小，抗震设防等级与区间跨度来确定梁的大小。梁的截面高度h通常按照（1/10～1/18）l确定，l为主梁的计算跨度；但梁净跨与截面高度之比不宜小于4；框架梁的截面宽度b应小于200 mm，且h/b不宜超过4。在考虑到结构抗震时，梁的跨高比的比例不宜低于5，梁在水平地震作用下，通常跨高都比较小，很容易出现剪切破坏，从而使梁的延性下降。因此应按设计规范进行其承载力校核，并按收到剪切截面的要求进行梁截面的设计。

在设计中轴压比很重要，对于结构柱的破坏与变形有较大的影响。轴压比不同时，框架柱会有2种破坏形式，其中一种是大偏心受压，另一种是受拉钢筋不屈服的小偏心受压。

2.4 框架柱截面确定

框架结构由于具有优良的力学性能和经济性，在工程建设中得到了广泛的应用。为了适应各种结构的需要，通常采用不同的设计方案。比如，一般住宅的层高为2.8 m，办公大楼或购物中心的层高可以达到4~5 m，厂房类建筑物的层高都在5 m以上，所以柱高的分布广泛。此外，由于承载能力要求的不同，其截面尺寸也不尽相同。由于其断面大小、高度的不同，其破坏特点也不尽相同，其破坏特点大致可归纳为：①短柱剪切破坏（长细比小于17.5）；②水平地震下中长柱的弯曲断裂（长细比为17.5~70）；③细长柱失稳破坏（长细比大于70）。在实际工程中，以中长柱为主，以最大限度地发挥其抗震性能。

柱身截面尺寸的取值主要是由构件的变形和轴压比来决定的，当钢筋太大，无法满足工程的要求时，则应增加大柱子的截面。在大跨度框架结构中，框架梁通常较高，而框架柱相对较小，在这种情况下，由于框架柱的刚度较低，在地震中先发生破坏。因此，不管结构的设计是否通过，都要使框架柱变得更大，并且框架柱的短边必须比框架梁高。当然，地下车库的布局，就不需要考虑了。

在框架结构中，由于受剪力过大，导致其产生的脆性剪切断裂，从而导致结构的断裂。因此，在进行结构抗震设计时，必须保证节点的核心部位具有足够的弹性和强度，不会发生框架核心比框架梁、框架柱先屈服的情况。

2.5 模板工程施工技术

在完成垫层施工后，施工方应按照特定的轴线水平进行实际测量，确保平面尺的基础性。另外，也要进行一次严格的检查。用涂料、粉笔等做适当的标记，并在每个暗柱的拐角处做标志，这样可以逐步减小模板施工中的偏差。同时，一层要进行回填，对地基进行加固，避免雨水的浸渍。在这种条件下，地基模板的安装将更加的安全和稳定。模板强度越大，其承载能力也就越大。因此，在建设项目的框架结构施工中，必须重视地基模板的安装和保证。

当进行建筑工程的框架结构施工时，应着重考虑立杆的支承作用。在制定专项施工计划时，组织专家论证并按照计划进行。在实际使用中，建筑单位应将立杆水平垂直，并在上部模板上进行支架安装。这样可以提高支撑能力，确保主体结构承载力更大。如果支撑杆不能承受上面的压力，就会发生变形等问题。这就造成了施工项目的效率低下，并且，如果上下模板在同一水平面上，对整个施工的结构也有一定的影响。因此，在建设项目建设中，必须重视相应的工作程序，确保每个工序都能高效完成。只有如此，才能提高施工的质量，提高施工的效率。

一般来讲，在建筑工程的框架结构中，模板的拆除是一个很重要的环节。在拆模板时要严格遵守施工规程。通常，在拆模板时，应首先拆掉支立模板，然后再拆掉预支的模板。拆掉承重的模板后，还应移除承载力较大的模版。最后，进行全面的拆除。此外，在完成了模板的拆除工作后，建筑公司还要对被拆除的模板进行有效的分类、管理，并将其运送到安全的地方，妥善地保存起来，避免发生人身伤害等负面后果。

3 混凝土工程技术

3.1 混凝土原材料的有效选择

建筑工程的框架结构施工是一个非常重要的环节。因此，在其施工过程中，混凝土等施工材料的选取是非常关键的[7]。施工单位要重视混凝土的具体材料，确保其施工材料的质量，使其达到最佳效果。因此，在进行混凝土原料的选取时，必须从建筑的实际需要出发，并以其最终目的为出发点，对钢筋混凝土模板自身的质量进行研究。从混凝土结构的种类、强度等方面考虑，例如要注意产品的生产日期和保质期。同时，也要对其质量进行严格的检查，建立一套符合标准比例的品质强化体系，重点研究水泥原料的比重。

3.2 配合比的合理控制

在工程施工中，对施工质量进行控制的关键是混凝土的配比。为此，建筑企业应建立较为专业化的施工队伍，注重混凝土比例的控制。只有如此，才能确保混凝土具有较强的性能，加强施工强度。同时，在实际应用中，混凝土的含水量和体积都会发生变化，从而给混凝土配比带来一定的困难。此外，对项目成本管理也有一定的影响。因此，建筑单位应注重混凝土的合理配比，并对其进行有效控制。

3.3 混凝土的浇筑过程

在建筑工程的框架结构中，混凝土的浇注施工必须经过主管部门的严格审核，并对其进行严格的监控。在施工中，混凝土的浇注对结构的影响相对较大。如果出现错误，将会给建筑公司带来一定的经济损失。所以，在进行混凝土浇注时，应根据生产厂家的需要，对相应的施工方案进行改进。在工程设计中，必须清楚地记录混凝土的浇注操作要求和相关的技术规范。然后，重点对施工中出现的问题进行详细的计划与分析，并提出相应的对策，以确保混凝土浇筑的质量。同时，加强质量监督工作，对钢筋的垂直度、混凝土断面尺寸等进行细致的调整。

4 结束语

框架结构体系是当前应用最广的一类结构体系，在设计前期，必须对其进行合理的布置，以保证水平、竖向载荷与刚度中心或支撑中心相一致；在此基础上，对梁、柱截面进行初步的选取，并编制计算简图，对其进行受力分析。通过合理的计算，对其进行内力分析，并满足相关技术要求。对框架结构的构造措施应给予足够的关注，并达到规范中关于抗震、非抗震、不同抗震级别的框架、梁柱的构造要求；同时，应注重建筑结构的先进技术和工程实践，以保证结构的安全、经济、方便的施工。