建筑结构设计步骤之艺术设计论文

　　摘要：结构设计的要求要来要高，设计业越来越复杂，因此许多结构的设计要多次试算，从局部到整体再到局部。主要计算过程可分为：整体参数试算、整体合理性计算、构件优化和抗震性能验算。每步又包含多次试算，多次循环，才可能达到整体布置合理，传力直接，构造符合规范要求。
　　关键词：建筑结构设计，整体参数控制，构件优化
　　论文正文：
　　随着社会经济日新月异的发展，人们对居住办公环境的要求越来越高，其中既包括舒适度的要求，当然对于结构设计来讲，更重要的还包括安全性，而且还有考虑造价等方面的综合指标，结构设计就变成了一项比较复杂的系统工程，当然对于一般小型常见结构形式，凭着我们的设计经验也可以说是直觉，就能快速的判断采用何种结构形式，甚至可以决定采用何种截面尺寸的构件来进行结构设计，但是对于复杂的高层甚至是超高层结构，想要完成一项具体的设计，在新的《建筑抗震设计规范》及《高层建筑混凝土结构技术规程》执行后，对结构的性能设计提出了更高的要求，那么，怎样才能在复杂的建筑外表下，设计出比较合理的结构呢，下面本人结合设计的具体经验，谈一下我的看法。
　　首先一幢建筑，我们必须根据其高度及内部的功能划分，分析采用什么结构形式，结构形式确定完之后，就要根据建筑规范大概估一个截面尺寸，尤其是竖向构件的截面尺寸，然后利用结构分析软件进行第一轮的试算，也较粗算，目前大多数人比较熟悉的分析软件是pkpm。
　　进入pkpm之后，完成平面布置，根据建筑所在的地点，确定荷载的基本参数，然后根据抗震设防分类标准设置地震参数，根据《抗震规范》或者《高规》确定抗震等级（包括抗震计算的抗震等级和抗震构造措施的抗震等级），然后就可以进入粗算了，对于粗算的计算结构，首先要控制一下几个主要的参数：
　　第一个是第一周期平动系数。《高规》3.4.5条对于考虑偶然偏心影响的规定水平地震力作用下，楼层竖向构件最大的水平位移和层间位移的限值，以及结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比的限值，和《高规》3.7.3条楼层层间最大位移与层高之比的限值都与该参数密切相关，反应到建筑的平面布置上就要求结构布置规则、均匀。如果结构的第一周期平动系数过小，说明结构整体布置是不合理的，应该果断调整是使该参数的值大于0.95，可能的情况把第二周期的平动系数也调到0.95以上。
　　第二个是有效质量系数。WILSONE.L.教授曾经提出振型有效质量系数的概念用于判断参与振型数是否足够，并将其用于ETABS程序，他的方法是基于刚性楼板假定的。Pkpm从结构变形能的角度对此问题进行了研究，提出了一个通用方法来计算各地震方向的有效质量次数，《高规》明确要求，有效质量系数不应小于90%，小于90%时，说明振型组合数取的少，高阶振型对结构的内力贡献比较大，此时可以增加振型的数量，但不能超过结构的总自由度。具体可以参照《高规》5.1.13条。
　　第三个参数是位移比，前面已经提到过这个参数，参数的控制一方面为了增加建筑使用功能的舒适性，另一方面，也是为了控制结构平面的规则性。规范中规定的位移比限制是按刚性板假定求出的，如果在结构模型中设定了弹性板或者弹性模，则在参数设置的时候必须选择“对所有的楼板强制采用刚性假定”，而且计算位移比时，《高规》3.7.3条文注解规定，抗震设计时，楼层位移的计算可不考虑偶然偏心的影响。此处还要提一下，对于高层建筑，《高规》4.3.3条明确规定单向地震时应考虑偶然偏心的影响，试算第一遍如果在考虑偶然偏心的情况下，楼层最大位移和平均位移的比值大于1.2，就应该考虑双向地震了。位移比如果不满足就要查明原因，该加强的地方就要相应的加强，该减弱的地方就要相对的减弱，位移比满足规定以后，在计算配筋的时候，就要按真实的板考虑构件的配筋了。
　　第四个参数是刚度比。刚度比是控制结构竖向规则性的重要指标。《高规》3.5.3规定，A级高度的高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不宜小于其相邻上一层受剪承载力的80%，不应小于其相邻上一层受剪承载力的65%；B级要求更加不应小于其相邻上一层受剪承载力的75%，从而保证了竖向承载力构件的尽可能连续。归于该参数的计算，规范提供了三种不同的计算方法，1)剪切刚度主要用于底部大空间为一层的转换结构及对地下室嵌固条件的判断；2）剪弯刚度主要用于底部大空间为多层的转换结构；3）地震力和层间位移比的计算方法，通常绝大多数的工程都可以用此法进行刚度比的计算。
　　第五个参数是刚重比。是指结构刚度与重力荷载之比，它是控制结构整体稳定性的重要因素，也是影响重力二阶效应的主要参数，该值如果不满足要求，则可能引起结构失稳。该值太小，说明结构的刚度太小了。
　　第六个参数是剪重比。规范规定剪重比主要是因为在长周期地震作用下，高柔建筑的地震影响系数按现有规范规定的地震力计算方法下降较快，结构的地震效应可能太小，而对于长周期的高柔结构，地震动态作用下的地面加速度和位移可能对结构具有更大的破坏作用，因此，处于安全考虑，规范规定了楼层水平地震力的最小值，该值如果不满足要求，则说明结构刚度来说太小了，应该加大或者加长截面进行重新试算，尤其是应该加大竖向构件的截面尺寸。
　　以上这几个是比较重要的结构整体控制参数，当然了，对于每种不同的结构形式，还有许多更细部的要求，也应该综合起来考虑。结构整体粗算合理之后，就可以根据建筑详细的平、立、剖面进行精确计算，整体计算之后，就可以考虑具体的构件优化了。
　　对于构件的优化设计，相对来说就比较简单了，但是也不能掉以轻心。具体可以按照以下步骤完成：
　　1.首先要判断竖向构件的具体情况，对于剪力墙和混凝土框架以及框架-剪力墙结构，最先看的是轴压比，因为轴压比对竖向构件的延性影响最大，轴压比不满足规范相应要求，就应当加大截面或者适当提高混凝土强度等级，也可以采用配附加箍筋的办法。
　　2.其次看梁和柱的配筋，梁和柱的配筋应该严格按《抗震规范》或《高规》最大配筋率要求，这也是考虑到延性的要求。
　　3.对于剪力墙的配筋，超筋分三种不同的情况，第一是剪力墙的暗柱超筋，剪力墙结构及框架-剪力墙结构中，暗柱相当于框架结构的柱，所以其配筋主要是体积配箍率，应该严格按照《抗震规范》或《高规》规定数值执行，并考虑相应的抗震构造措施。第二是剪力墙的水平筋超筋，说明墙的抗剪能力不够，应适当调整截面。第三是剪力墙的连梁超筋，连梁是剪力墙结构中得第一道防线，本身就允许地震来临是先开裂释放一部分地震能量。连梁超筋可以采取以下之中方法进行调整，1）减小连梁截面高度活采取其它减小连梁刚度的措施2）对连梁的弯矩进行塑性调幅3）当连梁的破坏对承受竖向荷载无明显影响时，可按独立墙肢的计算简图进行第二次多遇地震作用下的内力分析，此时墙肢应按两次计算的较大值计算配筋。
　　在结构构件优化设计的过程中，一定要注意结构本来的受力模型，例如对于框架结构而言，抗震设计的概念是强柱弱梁，强节点弱构件，所以在优化构件的过程，不能一味的加大梁的截面和配筋，否则对于结构的抗震性能不仅无力而且是有害的，对于框架柱子的配筋也一样，不能过分的加大截面，满足位移比得限值即可，过分加大截面，就加大了结构的抗侧力刚度，结构无疑将承担更大的地震力，在目前的经济环境下，这种做法显然是不符合目前的设计大形势的。
　　还有对于，结构的基础设计，也有许多不同的选择，每种基础形式都用其自身的优缺点，同时，基础设计的地域性比较强，在这方面的设计中，更多的是靠经验的积累及总结。
　　最后，在施工图绘制的过程中，也要根据结构的受力特点，结合性能设计的一些理念，对相对薄弱的环节，或者是以目前的结构分析手段不能分析的比较明确的地方，进行是适当的配筋加强，同时，对于抗震构造的具体措施可以参照国标的图集，加以具体利用。争取设计出相对比较合理的结构。
　　综上论文所述，结构设计是一项比较浩大的系统工程，结构工程师任重又道远，以上仅仅是自己设计的一点经验总结，不足之处在所难免，欢迎同行批评指正。
　　参考文献：
　　1.《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010
　　中华人民共和国住房和城乡建设部发布
　　2.《建筑抗震设计规范》GB50011-2010
　　中华人民共和国住房和城乡建设部和中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局联合发布
　　3.SATWES-3多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件（墙元模型）用户手册中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部