建筑结构设计合理性探究

建筑结构设计合理性探究

黄诚

深圳市建筑设计研究总院有限公司  广东深圳  518000

摘要：设计文件是建筑施工的依据性文件。建筑设计中，结构专业承担着建筑主体安全的责任，直接关系到人民群众的生命及财产安全。因此结构设计的安全性、合理性尤为重要。指导结构设计的理论性依据如各类规范、规程、图集、推荐性标准、地方规定等数不胜数。这些理论指导文件的存在就是为了保证建筑结构具有足够的安全性、耐久性、经济性。但是在实际的项目设计过程中，依旧不可避免存在着一些不合理之处。本文对结构设计中部分不合理设计及其原因进行探讨。

关键词：建筑结构、设计、合理性、影响因素

0引言：

建筑是人类居住生活的场所，其发展源头可以追溯至旧石器时代，可谓历史悠久、源远流长。使用材料从最初的天然石材、土坯发展到如今的钢筋、钢材、混凝土等；从最初的依靠经验作为设计依据，到如今形成了以各种力学理论、计算理论为基础的完善的学科；而人们的需求也从最原始的遮风避雨发展到安全可靠、经济、美观、舒适。经过了长期的积累，建筑设计相关的的理论、使用材料、施工工艺等各个方面都已经十分成熟。在设计行业发展越来越完善的同时，设计过程中需要兼顾的因素也越来越多。对于设计工作本身而言，意味着限制条件更多。

1造成结构设计不合理的主要影响因素

结构专业在整个施工图设计中属于偏下游专业，因此结构设计受上游专业的影响极大。除此之外还有成本限制、施工工艺、项目施工进度等因素的影响。当然，除了外部因素的限制，也有部分不合理的设计源于设计人员自身经验的不足。下面就各种不同因素造成的不合理设计情况分别进行举例讨论。

2上游专业影响下的不合理情况

结构设计经常受到建筑布局、功能的限制，导致结构无法按照最符合自身合理性的方式进行结构设计。例如以下案例：

案例一：某高层住宅项目，采用剪力墙结构。为了实现超大凸窗的效果，结构在建筑端部、楼梯间等位置无法布置L型或T型剪力墙，也不能设置端柱。最终这些部位只能布置一字形剪力墙，如图1所示。一字形剪力墙虽然并未违反规范的相关强制性条文，却属于一种相对不合理的结构布置。《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)(简称高规)第7.2.1条对于不同抗震等级、不同部位剪力墙最小厚度的规定中，一字形剪力墙的最小厚度限值均大于非一字型的剪力墙。可见一字形剪力墙的性能相对弱于其他形状的剪力墙。对于整体结构而言，布置过多的一字形剪力墙，会导致结构在垂直于一字形剪力墙方向抗侧移能力较差。对于一字形剪力墙自身而言，由于缺少垂直方向的翼墙支撑，墙体本身的面外稳定性较差。且现行软件尚不具备计算剪力墙面外承载力的功能，因此对于剪力墙面外承载力的安全性并没有可靠的评估依据。建筑端部剪力墙是结构中重要的抗侧力构件，楼梯间则是关

图1 某住宅标准层局部平面图

键的逃生通道，这两个位置本应加强抗震措施。而图1中的剪力墙布置形式却显然与之背道而驰，不仅没有对这些位置额外加强，反而降低了此处的安全冗余度。为避免此类情况出现，结构设计人员可以在项目初期，结构布置方案确定阶段及时向建筑和方案专业提出需求。以便方案、建筑等专业在综合考虑结构需求的前提下进行后续设计。

案例二：某高层住宅项目，采用剪力墙结构。如图2所示，KL4与剪力墙面外连接。此处建筑功能如图3所示。由于建筑功能限制，此处梁、墙连接处无法设置垂直翼墙，剪力墙内侧也无法凸出梁头。这种情况下，结构必然涉及到钢筋锚固长度的问题。根据《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)(简称混规)第11.6.7条规定，即便梁端钢筋采用加锚头(锚板)或弯折锚固措施，其平直段长度依旧需要满足0.4labE（如图4所示）。根据混规第8.3.1条、8.3.2条和11.6.7条：

0.4labE=0.4ζaElab=0.4ζaEαfy/ftd

其中：该项目为二级抗震，ζaE取1.15；

带肋钢筋α取0.14；

HRB400钢筋fy取360N/mm²；

标准层剪力墙混凝土强度等级为C30，ft取1.43N/mm²；

钢筋直径d取图2中KL4右侧支座上部第一排钢筋16mm；

按照混规计算此处梁钢筋锚固所需要的平直段长度为0.4×1.15×0.14×360÷1.43×16≈259.4mm。而常规100m左右高度的住宅项目标准层剪力墙厚度只有200mm，显然此类框架梁与剪力墙面外连接的位置很难满足锚固的要求。同时也可以反算出此处只有直径d≤12mm的钢筋才能满足规范要求。除了少数位置可以按照铰接设计外，框架梁使用如此小直径的钢筋作为受力钢筋显然很难实现。随着通用规范的发行，锚固的重要性再度提升。作为设计从业人员，在设计过程中应避免此类情况出现。当然，如今的行业现状，此类锚固不足的情况时有发生。而且无论是公共建筑，还是常规住宅，方案效果、建筑功能的重要性远高于结构需求。遇到上述情况，业主几乎不会因为结构锚固需要增加翼墙或梁头，因此目前项目中想要完全避免此类锚固不足的情况十分困难。也许未来结构专业的业内地位得到大幅提升，锚固的重要性被业内各专业人士广泛接受认可的时代，这个问题才可以得到彻底的解决。

3成本影响下的不合理情况

现今市场环境下，大部分业主对于项目有着严格的成本限制，尤其是住宅项目。其中首当其冲的就是与结构专业密切相关的钢材、混凝土的材料用量成本。为了达到节省成本的目的，有些业主甚至会在设计阶段聘请优化公司介入。从结构专业的角度出发，合理的成本控制应是通过优化结构设计方案，依靠更为合理的结构形式或结构布置来达到降低材料用量的目的。但是对于常规住宅项目，采用剪力墙结构或框架-剪力墙结构居多，结构类型基本已经确定。而具体结构布置也跟方案平面布置密切相关，没有太大的调整空间。因此对于一般住宅设计，大多业主或者优化公司也没有合理的优化方案，只能从细枝末节或数字上做文章。

例如：常有业主或优化公司要求减少、减短剪力墙。却忽略了结构平面布置是否成立、结构各项指标的需求、甚至减少了剪力墙导致结构梁的配筋率过大等问题；要求减小楼板厚度，却忽

图2 标准层局部梁配筋平面图                   图3 标准层局部建筑平面图

图4 《混凝土结构设计规范》第11.6.7条

略了楼板的裂缝、挠度、舒适度问题；要求构件配置钢筋面积紧贴软件输出数值，为此强行使用不同直径钢筋组合、在连续梁中间支座两侧配置不同数量的钢筋，却不考虑钢筋放置位置合理性、现场施工可行性等问题。结构设计有“重概念、轻计算”之说，无论何种软件、何种计算模型以及计算理论，都只是对实际客观情况的一种近似模拟。无论计算理论和计算工具如何发展，模拟条件多么的精准，计算的结果总体来说依旧只是一种粗略的估计，过分的追求数字上的精准本就是不必要的。此类一味追求剪力墙“少”、楼板“薄”、配筋“小”以及脱离结构概念只看软件计算结果的行为完全是本末倒置。

成本限制的初衷是合理的，但在实际项目执行的过程中，由于部分业主并不具备足够的专业性，会提出一些不合理的要求。这些要求不仅会给原本就时间紧迫的设计工作带来许多额外的负担，甚至因为过度优化，最终影响到结构自身的合理性。

4施工周期影响下的不合理情况

随着近些年高周转的风气在建筑行业兴起，项目的施工进度已然成为业主最为关注的重点。有时为了追求施工进度，业主会要求设计牺牲一些合理性。例如为了减少工序，节约工期，取消铝模现浇外墙与结构主体结构之间的拉缝设计。现浇外墙虽然也是钢筋混凝土材质，但在结构计算过程中并没有考虑其刚度。现浇外墙与主体剪力墙之间不设拉缝，会造成建筑整体实际刚度比模型中计算刚度大，在地震作用或风荷载下结构构件实际受力比计算模型中大，进而导致设计承载力不足。且现浇外墙自身钢筋设置一般仅为构造配筋，未考虑参与主体受力的情况。如果现浇外墙与主体结构之间不设置拉缝，可能会在主体结构传递来的内力作用下出现开裂的情况。

图5 某地下室局部梁配筋平面图

加快施工速度、缩短施工周期应通过一些合理可行的举措来实现。例如：合理的施工组织设计、采用创新型的施工技术、加强施工队伍专业素质建设等。缩减必要的施工工序只会带来建筑品质上的降低甚至是安全上的隐患。这种方式因小失大，得不偿失。

5设计人员自身原因导致不合理情况

设计的依据主要源于规范，但仅仅满足规范的要求有时并不一定能保证设计是合理的。比如常见的梁受力钢筋排布问题。某项目地下室梁配筋图，如上图5所示：其中WKL94某跨梁截面为400x800。该梁支座处上部钢筋第一排布置5根25，下部钢筋下排布置7根25。梁保护层厚度c按照常规室内环境取20mm。《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)(简称混规)第9.2.1条中规定：“梁上部钢筋水平方向的净间距不应小于30mm和1.5d；梁下部钢筋水平方向的净间距不应小于25mm和d”按照此规定验算图5中钢筋排布如下：

梁上部：25×6+25×1.5×5+20×2+8×2=393.5mm＜梁宽400mm，即梁上部钢筋排布符合规范要求；

梁下部：25×7+25×6+20×2+8×2=381mm＜梁宽400mm，即梁下部钢筋排布也符合规范要求。

然而画出该梁支座处剖面图(如图6)，根据混规可以推算出图6中：

d1最大值为400-(20+8+25+25×1.5)×2=219mm，最小值为25×4+25×1.5×3=212.5mm；

d2最大值为400-(20+8+25+25×1.5+25+25×1.5)×2=94mm，最小值为25×2+25×1.5=87.5mm；

d3最大值为400-(20+8+25+25)×2=244mm，最小值为25×5+25×4=225mm；

d4最大值为400-(20+8+25+25+25+25)×2=144mm，最小值为25×3+25×2=125mm。

由以上数据可以看出，该梁内箍上部肢距(d1或d2)恒不等于下部肢距(d3或d4)，也即此时梁内箍将无法保持矩形的形状(如图7、图8所示)。此时梁的内箍布置显然是不合理的。

如果是一名经验较为丰富的设计人员，此时可以将梁下部底排钢筋改为6根25，即可避免上述箍筋变形的问题。可见即便是看似完全符合规范要求的设计，也有可能存在不合理的情况。结构设计从业人员不仅要熟悉规范，还应结合实际情况，完善各种设计细节，避免出现理论可行而实际无法操作的设计。

6结语

对于每一名结构设计从业者而言，坚守规范的底线，保证建筑的安全，是我们的基本职责。即便面临着诸多的困难与挑战，我们也不能一味的妥协与退让。为了保障结构自身设计的合理性，结构设计从业人员可以在项目前期及早介入。由被动接收上游条件转变为主动提出需求，尽量让建筑在设计初期避免向着对结构不利的方向发展。面对业主提出的一些影响到结构合理性的需求，结构设计从业人员应始终将建筑安全放在第一位，对于确实无法满足的需求予以拒绝。同时打铁还需自身硬，结构从业人员也应注重对专业领域技能的培养与提升。且不应仅仅局限于结构专业，对于其他各专业以及业主的需求也应

图6 梁剖面示意图                       图7 内箍设置方式1       图8 内箍设置方式2

有所了解，才能做出更为合理的设计。

参考文献：

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[3]高层建筑混凝土结构技术规程:JGJ3-2010[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.

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