[原创]：论建筑布置的结构合理性

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谈建筑布局的结构合理性
在以往的建筑工程设计中，尤其是方案设计阶段，常常过于强调建筑师的意志，而建筑师更偏重于建筑造型艺术和建筑使用功能，对于结构体系方面的问题则考虑甚少。这样，就可能造成建筑布局的结构合理性欠佳，给后续设计带来麻烦。因此，方案设计（初步设计）阶段，结构工程师应参与进来，从结构的抗震、抗风、承重受力体系是否合理等方面进行把握和控制，适当调整建筑物的平面、立面，确保整个结构体系的性能良好，为施工图阶段的详细设计计算打下基础。下面，就从三个方面谈谈建筑平面、立面布置的结构合理性。
一．        抗震
合理的建筑布置在抗震设计中是头等重要的。一栋布局不合理的建筑，即使它的抗震计算指标能够满足规范规定的限值要求，也不能完全保证它的抗震性能。因为现阶段的抗震设计计算方法有它的近似性和局限性，而且通常规则简单的建筑物的实际震害情况才与理论计算结果拟合得好，对于复杂不规则的建筑物，它的抗震计算结果与实际情况的误差不容忽视，且难于把握。即使可以把握，也必然会增大主要构件的尺寸和配筋，从而使建筑物的造价提高。为此，新版的《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）在第三章“抗震设计的基本要求”中专门有一节“建筑设计和建筑结构的规则性”，对建筑的布置提出了限制。其中3.4.1条为强制性条文：“建筑设计应符合抗震概念设计的要求，不应采用严重不规则的设计方案。”
所谓抗震概念设计，即指在方案设计时，力争使建筑的平面、立面采用有利于抗震的布局。其基本原则主要有：
1．结构的简单性：结构简单是指结构在地震作用下具有直接和明确的传力途径，避免力学概念不清，计算模型近似性过大且复杂的结构型式。
2．结构的规则性和均匀性：
（1）.沿建筑物竖向：建筑造型和结构布置应均匀，避免结构在竖向某一楼层或极少数几个楼层出现刚度、承载能力、传力途径的突变，从而避免在这些部位产生过大的应力集中或过大的变形。这种建筑类型有：退缩型、多塔层、层高不等、错层等。如图一所示。
（2）.建筑平面：平面内结构布置应均匀，并使质量分布与结构刚度分布协调，限制质量与刚度之间的偏心。这有利于发挥整个结构耗散地震能量的作用。避免应力集中的凹角和狭长的颈缩部位；避免在凹角和端部设置楼电梯间；避免楼电梯间偏置，以免产生扭转的影响。对抗震不利的建筑平面布置见图二。
3．结构的刚度：水平地震作用是双向的，结构布置应使结构能抵抗任意方向的地震作用。通常应使结构沿平面上两个主轴方向具有足够的刚度。此外，结构还应具有足够的抗扭刚度。应避免如图三所示的建筑型式。
4．结构的整体性：钢筋混凝土楼盖对于结构的整体性起着非常重要的作用。楼盖相当于水平隔板，整个结构要依靠楼盖使各抗侧力子结构能协同工作。楼盖体系最重要的作用是提供足够的面内刚度和抗力，并与竖向各子结构有效连接。所以在建筑设计中应避免结构空旷、平面狭长、层高过高、楼板开大洞口等型式，以免造成楼盖体系的削弱，不利于抗震。
二．抗风
通常情况下，高层建筑、钢结构建筑的设计中风荷载是控制性荷载之一。此时，建筑平面采用风压较小的形状就较为有利。形状简单规则的凸平面，如圆形、正多边形、椭圆形、鼓形等平面，它们的风荷载体型系数较小，所受的风力相对较小；而有较多凸凹的复杂形状平面，如V型、Y型、H型、弧型等，则对抗风不利。此外，应尽量采用对称的平面形状和对称的结构布置，以减少风力偏心产生的扭转影响。
三．承重受力体系
在满足使用功能、兼顾建筑造型的前提下，应尽量避免受力不合理的结构型式，避免一味追求建筑的视觉效果而不必要地增大结构设计的难度，甚至使该建筑的造价高出同类型建筑的平均水平。如何实现建筑与结构的完美结合，做到外型美观、功能齐全、结构合理、造价适中，是一个难以一言蔽之的问题，常需要具体情况具体分析。以下结合本人的工程实践，谈一点粗浅的认识。
1.框架柱网尺寸：某办公楼，六层框架结构，方案设计时柱网尺寸7.5X7.5m。经试算，该结构自振周期偏长，柔性偏大，侧移值偏大，为满足结构侧移限值，增大了框架柱的截面尺寸和混凝土标号，导致框架柱轴压比偏小，不能充分发挥混凝土的抗压性能。而且柱网过大也相应增大了框架梁的截面和配筋（梁的挠度、受弯、受剪都不利）。若将柱网控制在6.6米左右，则较为有利。而且该办公楼对开间的要求并不高，很少有小开间（半个柱网）的房间，缩小柱网尺寸对建筑使用功能的影响不大。
2．避免砖混结构一层墙梁：某办公楼，二层砖混结构坡屋顶，如图四所示。建筑设计C轴处一层无墙，二层有墙，而且与C轴相邻的二层房间为大房间，相对空旷。这样C轴处一层需加一道大梁，以承受二层楼板、二层墙重、坡屋顶重，该梁受力大，截面高，影响一层大厅净高，又无法做反梁（二层处开门洞）。此建筑平面布置对结构不利。若将一层主入口稍微上移，在一层C轴处加隔墙，则即不影响一层大厅的使用（原设计C轴以下空间就很难利用），又对结构有利，只是建筑主入口处立面需要调整，但最终也能达到美观的效果。
3．砖混结构门窗位置：
（1）.避免大梁搭在窗上。砖混结构设计时，适当调整门窗大小及位置，尽量避免大梁搭在洞口上。
（2）.避免洞口削弱砖墙有效截面。通常“T”型墙体比“|”型墙体受力性能好，开门洞时应尽量使墙体带T型或L型翼缘，避免开洞后出现|型单片墙。如图五所示。
（3）.砖墙墙垛尺寸限值：一般而言，若构造柱至洞口墙长小于300，或窗间墙长度小于600则施工时难以砌筑，而且此种墙垛的受压强度往往不够，应尽量避免。还应注意规范中规定的砖混结构窗间墙、外墙尽端长度等尺寸限值，尽量予以满足。
这样，就可以充分发挥承重墙体的受力性能，少设一些构造柱，方便施工，降低造价。
4．其他：如砖混结构坡屋顶起脊位置，应尽量与承重墙体重合；砖混结构层高不得超过规范规定的限值，尤其在坡屋顶设计中更应注意；建筑总长度过长时应加伸缩缝等等。
总之，在方案设计阶段，结构工程师应与建筑师一道，注重建筑布置的结构合理性，共筑广厦千万间，建筑、结构俱欢颜。

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