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建筑物的結構設計在很大程度上影響著建設工程的安全可靠、美觀實用、 施工難度 、工程造價等諸多品質,提高建筑結構設計質量一直以來都是結構工程師最為關注的話題之一。 同時,項目的特殊要求、 施工環境的變化以及結構設計人員水平上的差異等諸多因素都與結構設計的出圖質量密切相關。 為了盡可能避免設計圖紙上出現“ 漏 、碰 、錯、 缺” , 相關領域的技術工作者應當通過有效的措施盡可能提高建筑結構設計的質量。
一、建筑結構設計的主要內容
1、整體設計
整體設計包括結構體系的選擇、柱網的布置、剪力墻的分布、基礎的選型等。 整體設計一般分主體和基礎兩部分進行。 設計人員根據建筑物性質、高度、重要程度、當地的抗震設防烈度、風力等條件來選擇合適的結構體系,是采用磚混結構 、框架結構、 框剪結構、框支結構、筒體結構,還是巨型框架等;選定結構體系后,就要具體決定柱 、梁、剪力墻的分布和尺寸等;在進行主體結構內力計算后,主體結構底截面的內力成了基礎選型和計算的重要依據。
基礎部分主要根據上部結構計算結果,結合項目所在地的地質條件、抗震烈度等因素,確定基礎形式。因項目所在地的地質條件差異比較大,所以上部結構相同或者類似的建筑,基礎形式可能有很大不同。例如在地質條件好,地基承載力高的地區,十層以下的建筑物基本都能采用天然基礎,而在地質條件差的區域則大多需要采用樁基礎。例如:天津濱海新區的部分區域,即使2-3層的建筑物也需要采用樁基。因基礎形式受地質條件影響,各區域差異較大。
2、部件設計
進行整體設計后,就要進行部件設計 。部件設計是指柱、 梁 、板、 墻(剪力墻)和塊體這五種部件的內力和配筋計算。 梁和柱一般可看作細長桿件,內力情況與計算體系相符合;單向板可簡化為單位寬度的梁來計算,雙向板的計算理論也較成熟;異型板的受力及計算較為復雜,應盡量避免;對于單片的剪力墻,一般把它假設作薄壁柱來近似計算,有時要考慮翼緣的作用;對于筒體結構中的剪力墻則要用空間力學的方法來計算 。塊體不同于梁、 柱、 板、 墻,它在空間三個方向的尺寸都比較大,難以視作細長桿件或簡化為平面體系來計算。 如獨立基礎,樁的承臺,深梁等都是塊體,受力情況很復雜,難以精確分析,所以在計算中往往采用提高安全系數,采取一些構造措施來保證安全性。
二、 提高建筑結構設計質量的措施
1、 重視概念設計
所謂的概念設計就是運用清晰的結構概念,不經數值計算,依據整體結構體系與分體系之間的力學關系、結構破壞機理 、震害、實驗現象和工程經驗所獲得的基本設計原則和設計思想,對結構及計算結果進行正確的分析,并考慮結構實際受力狀況與計算假設間的差異,對結構和構造進行設計,使建筑物受力更合理、安全、協調。在建筑設計的方案階段, 根據經驗和專業設計理論,在腦海中進行一個 “優化”過程,運用概念設計方法可以迅速、有效地對結構體系進行構思、比較與選擇,同時幫助建筑師開拓或實現建筑物所想要的空間形式及其使用 、構造與形象功能,,并以此為目標與建筑師一起確定建筑的總體結構體系,明確總體結構體系與分體結構體系的最優受力方案。所得方案往往概念清晰、定性正確,避免了后期設計階段一些不必要的煩瑣運算,具有較好的經濟可靠性。同時,這也是判斷計算機內力分析輸出數據可靠與否的主要依據。概念設計是結構設計的核心和靈魂 ,它統領結構設計的全過程,貫穿著設計工程師的知識水平和設計水平。運用結構概念設計從整體上把握結構的各項性能,這樣才能對計算分析結果進行科學的判斷 、合理的采用,保證了工程師在設計中的主導地位。
2、做好資料收集工作 ,認真確定計算參數
對于建筑工程來講 ,由于其所處的地理位置 ,決定了在進行結構設計時所涉及的具體參數會存在一定的特殊性。例如 ,不同地區具有不同的風壓、雪壓、地震強度、土壤類別等 ,因此 ,在進行參數的選取和計算時應充分考慮這些因素。另外 ,對于比較特殊的建筑 ,還必須根據試驗和以往類似工程的一些經驗來確定有關參數的取值。在進行建筑結構設計前 ,要盡量收集與設計相關的信息 ,如工程資料、具體規范等 ,資料收集的越多 ,參數的確定也就越準確 ,同時 ,還可以避免因為參數不合理而導致返工情況的發生。
3、合理運用結構設計軟件
隨著各種計算機結構計算分析軟件的普及 ,人們已經擺脫了過去復雜繁重的手工計算方法 ,但是 ,也導致人們對計算機計算結構軟件的過分依賴 ,筆者認為在進行結構計算時 ,不能只是盲目的信任計算機的計算結果 ,而是應該對所有的結果進行充分的分析判斷 ,確認其合理有效后 ,才能用于工程設計當中。對于計算機結構計算結果的判斷應從以下幾個方面著手 :其一 ,要充分了解所使用軟件的適用范圍和技術條件 ;其二 ,要確保計算程序與結構設計圖相符 ;其三 ,選用的計算數據須有準確的依據 ,并且要保證計算參數準確 ;其四 ,計算結果中與結構相關的內容必須符合相關規定 ,如自振周期、剛度比、構建的抗裂性能、兩盒半的配筋等。
4、重視結構計算與地基基礎設計
建筑結構計算結果是施工圖設計的重要依據 ,并且計算結果是否正確直接關系到建筑結構設計的可靠性和安全性 ,所以必須引起設計人員的高度重視。例如在樓板計算中應選用正確的計算方法進行樓板計算 ,對于連續板不能選用單向板的計算方法 ,對于雙向板計算應考慮材料泊松比對其的影響 ,以避免由于未調整跨中彎矩而造成計算值不準確 ;基于科學技術的不斷發展 ,大多數結構計算均采用計算程序進行計算 ,這種計算結果雖然精確度很高 ,但是缺少與必要的設計經驗相結合 ,所以必須對電算結果進行分析、評價 ,以此判斷其正確與否 ,可否作為建筑結構設計的依據。
地基基礎設計是建筑結構設計中的重要環節 ,該環節的設計質量優劣直接與后期設計工作是否能夠順利開展息息相關。為使地基基礎設計更符合建筑所在地的地基基礎類型特點 ,設計人員應在熟知國家相關標準的前提下 ,對地方性的《地基基礎設計規范》加以深入學習 ,明確地基基礎特點 ,豐富地基基礎設計經驗 ,掌握設計處理的方法 ,使地基基礎設計更符合建筑工程的實際地理情況。
5、 重視抗震設計
由于地震的不可預見性, 我們能做到的就只有最大限度的“抗震”而不是“防震”。我國是一個地震災害發生比較頻繁的國家,我們不斷地從地震后的房屋中汲取經驗教訓,我國的《建筑設計抗震規范》也在歷次大地震后做了修編和完善;從84年版到96年版,2001年版到2008年版,再到汶川、玉樹地震后的2010年版(2010年12月1日開始實施)。結構工程師在進行設計工作時嚴格按照“抗規”中的抗震設計原則和抗震設計構造的要求進行抗震設計,只有做到了有效的抗震設計才能有效的降低地震突然發生時造成的人員傷亡和財產損失。2010年發生的青海玉樹7.1級地震造成大量人員傷亡,大量砌體結構發生整體倒塌,倒塌的主要原因有建筑材料質量低劣、結構不合理、結構傳力途徑不明確和抗震構造不規范,而且大多沒有經過專業設計人員的合理設計,抗震能力極差,地震來時極易倒塌。而智利發生的里氏8.8級特大地震造成的死亡人數卻較少,原因就是智力很多公共及民用建筑都采用了抗震性能較好的鋼結構(鋼結構質量輕、強度高,具有很好的延展性,發生強烈地震時,鋼結構只會變形,而不會崩塌和斷裂)。
6、互相配合 ,充分溝通
為了能夠確保建筑結構設計的質量 ,在獲得提資圖時 ,要避免盲目的建模計算和上機繪制圖紙。應該先進行詳細認真的分析 ,同時還要多和建筑設計師進行相互溝通 ,詳細了解整個工程的概況以及相關情況 ,盡可能的對建筑圖紙的意圖和平立剖的關系理解透徹 ,如有必要可適當組織各個專業一起開展協調會 ,對各專業之間需要注意和配合的地方進行明確,盡量統一標準和做法 ,使個專業之間的工作能夠充分協調 ,相互配合 ,避免出現由于設計圖紙和設計方案不一致而出現反復調整的局面 ,有效地提高建筑結構設計的質量。
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