设总学习班结构概念与体系

设计总负责人培训讲座提纲（结构篇）

———结构概念与体系

一．前言

由于现代技术的发展，建筑师和结构工程师的能力发挥是相互关联的，建筑物应该是建筑师和工程师创造性合作的产物。随着建筑业的发展，房屋设计中技术上和建筑学上的复杂性不断增大，在结构工程与建筑专业之间继续存在着技术共识的空白。而相应的教学和现代信息的分离又继续限制着建筑师和结构工程师之间创造性地互相配合的可能性。这种制约在设计项目的方案阶段尤为重要，致使建筑空间形式与技术思路之间整个关系的不协调，从而增大以后的设计阶段出现较大矛盾的机会。

总负责

结构工程师

1.考虑相关物质的整体性、

强度和效能的要求

2.进行结构技术性能方面的工作：

a. 材料

b. 材料

c. 施工技术

3.实现房屋设计建筑师1.考虑有关空间和技术性能的所有要求2.进行所有分体系空间形式及性能方面的工作a. 与活动有关的b. 物质的c. 象征性的3.使所有分体系相互配合形成一个完整

的环境设计

总体建筑设计

图1

为创造一个有效的建筑物，设计师必须处理空间形式表现与三种相互关联的功能需求：与使用活动有关的、物质的和象征性的需求。对设计师的要求是将一个建筑物的多种性能组织在一起，以满足这些要求，而且应该是最优化的组合。各建筑项目相互关联的这种性质，使综合方法成为必要。在方案阶段必须有建筑师和工程师的创造性合作，通常这时建筑师的设计思想着眼与总体，而不是个别因素。遗憾的是，工程师教育的专门化模式导致他们向相反的方向考虑技术问题，常常由细部开始，而对总体方案缺乏足够的关心，双方的这种隔阂限制了建筑师

和结构工程师在各个设计阶段的创造性的合作。要解决这个双方的隔阂，需要总负责在各个设计阶段对各个专业的协调，这对总负责在项目设计过程中有着较高的要求，他们需要能够容易地就建筑概念中比较基本额结构内容交换意见，或者反过来也是一样。一个具备结构概念的总负责可以使得建筑师和结构工程师创造性的合作在设计的早期阶段不仅可能，而且它是有利于，而不是干扰总体建筑的形成。

二．总负责在设计阶段的主要结构概念

（一）把方案阶段的建筑形式看作总结构体系

结构是建筑的骨架，是建筑物赖以生存的基础。建筑材料和建筑技术的发展决定这结构型式的发展，而结构型式对建筑设计的影响最直接、最明显。在方案阶段，结构和建筑知识的结合，要求总负责运用他对结构性能、强度和功效的知识分析初步的房屋形式。现代建筑往往是多功能使用的，有时使结构变得复杂：上下柱网不同，上下结构体系不同，出现跨层柱或错层楼层，抽柱大空间，构件之间不同的连接等。一个建筑师最初提出的房屋概念方案，考虑较多的是安排它的作为总体空间形式的组成特性，而不会去确定它的具体结构。假定整个形式作为一个整体，建筑师就可以考虑一些简单的，但对于荷载－抗力关系又是重要的物理特征：

1．这个形式应当有刚度，并固定在地面上；

2．这个形式有质量，质量必须有地面支承；

3．这个形式必须抵抗水平风力和地震力。

通常，建筑物的地面对建筑的形式的竖向稳定和水平方向稳定非常重要。 当房屋下面的基础由于地震或者风荷载作用突然发生移动时，就会产生水平荷载作用下的设计问题。当地震引起基础水平移动时，由于惯性，建筑物上部质量要保持其原来位置，导致沿建筑物高度分配地震力，这些作用在楼层的水平力经过一段距离才传到基础，因此，其对建筑物会产生倾覆力矩，为了平衡这个倾覆力矩，结构需要足够大的刚度。

某种建筑形式，如竖向荷载的重心与地基支承反力的中心之间存在偏心距，也会产生倾覆趋势。

当水平荷载合力与抵抗剪力的合理之间在水平面内存在偏心时，水平荷载还

可能引起建筑物扭转（扭矩）。反之，如果水平荷载合力对称于平面，则没有扭转。因为通常假设抵抗剪力的分布是随柱和剪力墙的布置而变化，因此结构平面布置是否合理，对结构承受荷载有很直接的影响。

由此可见，在方案阶段，总负责就应该清楚荷载与建筑形式的关系，以便从平面图上可以预见结构受力的合理程度。

（二）结构设计的力学——刚度理论

当前，我国《规范》遵照国家标准《建筑结构可靠度设计统一标准》（GBJ50068）所确定的原则，采用以概率理论为基础的极限状态设计法来进行结构设计。结构的可靠度包括建筑物的安全性、适用性和耐久性。其中结构的安全性指能承受正常施工和正常使用时可能出现的各种作用（包括荷载及引起外加变形、约束变形的原因），以及应能在偶然事件（如地震和爆炸）发生时及发生后保持必须的整体稳定性。建筑物安全性包括两个结构的概念—强度和刚度。

强度指结构或结构构件所承受的最大荷载，反映了材料的极限承载能力。刚度指结构或构件抵抗外力的变形能力。通俗地说，就是在相同的力作用下，刚度大的结构（或构件）变形就小，而刚度小的结构（或构件）变形就大；或者，在相连的构件在一个共同作用力作用下，刚度大的构件产生的内力就大，而刚度小的结构产生的内力就小。在设计的前期方案阶段，对于总负责有着更直接联系的是结构的刚度，因为设计过程中，建筑形式的选取和构件的布置直接影响最终建筑物的刚度。事实上，结构中力的平衡、变形的协调以及由此产生的构件内力及变形的都是通过自身的线刚度（由截面尺寸、结构体型、材料特性三方面确定）以及连接构件的相对刚度的大小来体现的。

1．在现代建筑结构设计中，结构体系的演变体现了对结构刚度的要求。

图2

以钢筋混凝土结构为例，随着建筑高度的不断增加，或抗风、抗震级别的提

高，结构体系由纯框架结构开始，逐步演变出框－剪、剪力墙、筒体－框架、筒中筒、束筒结构，就是随着结构层数越来越多、承受的风荷载越大、地震反应更强烈，对结构的整体刚度的要求就越高，因此就产生，或者说需要整体整体刚度越来越大的结构体系。

2．长宽比、高宽比的限值体现高层建筑对结构宏观刚度的要求。高层建筑对结构单元平面的长宽比例A/B，竖向的高宽比H/B有所限制，其表象是对高层建筑体形尺寸（宏观的三维空间尺寸）的限制，实质上是对结构整体刚度的宏观控制（包括整体刚度的

大小以及整体刚度的

均衡），以求在建筑设

计方案阶段所构思的建筑雏形为日后的结构设计提供可行的大

前提，并为可能取得合

图3

理效果创造条件。

3．连体高层建筑的产生实质是结构对整体刚度的需要。

连体高层建筑的出项不仅仅是一种

新建筑风格的展示，同时它体现了结构

的刚度理论在建筑的应用。通常在单塔

高层建筑的高宽比过大、刚度太弱，而

设计师既不想或者不能通过降低高度或

者增加宽度来提高结构的整体刚度的时

候，借助于两座塔楼之间的某部分连接，

使“孤单”的单塔互相傍靠而形成刚度

很大的一个整体，因而产生了连体高层

图4 建筑。

4．剪力墙的不同分布产生了不同的抗扭整体刚度。如前面所述，通常假设抵抗剪力的分布是随柱和剪力墙的布置而变化，结构平面布置是否合理，对结构承受能力有很直接的影响。如图5

所示，同样尺寸的平面，同样的“墙率”，但

剪力墙分布位置不同：一种是位

于中央，另一种是分布于周边，

两者之间却形成抗扭刚度相差

近乎9倍的迥然不同结果。因此，

对于特别需要增强抗扭刚度和

抗倾覆能力的高层建筑，将剪力图5

墙周边布置即可显著地达到目的。一般来说，横向与纵向剪力墙连接在一起产生的抗弯刚度要大得多，对于需要控制楼层层间位移的结构通常采用纵横墙连接的平面布置。

5．结构转换层上下之刚度比体现对结构竖向刚度均匀变化的要求。《高层建筑混凝土结构技术规程》对于底层大空间剪力墙结构（即设置结构转换层）的上下层刚度比的规定（宜接近1，非抗震设计时不应大于3，需要抗震设防时不应大于2）实际上体现对结构竖向刚度变化力求均匀、不突变或少突变的要求，以保证结构的变形是连续的，避免转换层以下刚度太弱，过早出现屈服而遭受地震破坏。

三．结构专业对高层民用建筑的宏观要求

国家对工程建设质量及安全度控制越来越严，建筑的审查也越来越严格，对于超限、超规范的建筑，审批手续也越来越严格。这些都对总负责在进行项目控制和组织设计时应具备概念设计的能力，必须具备结构的受力概念和抗震概念。方案设计阶段，总负责除了按照院“技术岗位责任制”规定及设计质量管理的要求及ISO-9000要求对工程项目进行技术和工序管理外，对于建筑师构思出来的建筑平面立面雏形有一个总体的评价，首先必须要控制好整体建筑的长宽比和高宽比。在进行方案设计时候主要有以下几个方面：

（一）结构体系的选择

1．常用的多层及高层建筑钢筋混凝土结构体系主要有：框架结构、框架－剪力墙结构、剪力墙结构、筒体结构和板柱－剪力墙。各种结构体系的适用高度和高宽比详表1，表2。

2．框架结构的特点是建筑平面布置灵活，具有良好较好的延性，抗震性能好，但其整体侧向刚度小，水平位移较大。框架高度不超过50m

，当采用预制装

配式结构时，宜采用现浇柱预制叠和梁方案。有抗震设防要求的框架结构，不应采用部分砌体墙承重的混合形式。框架结构的楼梯、电梯间及局部高出屋顶的楼梯、电梯间、水箱等应采用框架承重，不应用砌体承重。

表1 钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度

注：1. 房屋高度指室外地面到主要屋面高度，不包括突出屋面的楼梯电梯机房、水箱间，

更不包括屋面的女儿墙；

2． 表中框架不含异型柱框架结构；

3． 建筑体型好（长宽比及高宽比比较小），最大高度可以略为突破；

4． 位于Ⅳ类场地土的建筑或复杂体型的不规则建筑，最大高度必须严加控制甚至应适当降低。

表2 钢筋混凝土高层建筑结构适用的最大高宽比

3．剪力墙结构刚度大，空间整体性好，在水平力作用下侧向变形小，其缺点是平面布置不灵活，结构自重较大，相应地震反应也较强烈。剪力墙的门窗洞宜上下对齐；墙肢长度不宜大于8m，较长的剪力墙宜开洞口分成若干段；高层建筑结构不应采用全部为短肢剪力墙（墙肢长度/墙厚＝5～8）。

4．框架－剪力墙结构具有框架结构布置灵活，使用方便的特点，又有较大的刚度和较好的抗震性能，是目前高层建筑中应用最为广泛的结构型式。

5．筒体结构主要包括：框架－核心筒结构，筒中筒结构和多筒体结构。框架－核心筒结构中的主要抗侧力构件是布置在楼层中央有剪力墙围成的芯筒，它具有较大的抗侧力刚度和强度，框架－核心筒周边为大柱距的框梁，这种体系的受力特点类似于框架－剪力墙。与框架－核心筒结构不同的是，筒中筒结构的外筒是有密排柱和截面高度相对较大的边梁组成，它的受力特点不用于普通框架，具有很好的空间作用，更大的抗侧力刚度和强度。通常，在结构高宽比大于3的时候，才能充分发挥外筒的作用，因此不宜用于高度低于60m的建筑。

（二）抗震性能对结构体系和建筑体型的基本要求

1．在一个独立结构单元内，平面布置力求简单、规则、对称，避免应力集中的凹角和狭长的缩颈部位；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。

2．竖向体型尽量避免外挑，内收也不宜过多、过急，力求刚度均匀、渐变，避免产生变形集中。

3．结构的承载力、变形能力和刚度要均匀连续变化，以适应地震反应要求。

4．高层建筑突出屋面的塔楼必须具有足够的承载力和延性，以承受高振型产生的鞭梢效应影响。

5．体型复杂、平里面不规则结构，可在适当位置设置防震缝。设缝必须保证足够的缝宽。

6．减轻自重，最大限度降低地震的作用。

（三）建筑平面布置

1．平面布置应尽量简单、规则对称，减少平面的偏心和结构的扭转。

2．平面突出部分长度要满足规范限值的要求。见表3。

表3 L、l的限值

图6

3．楼、电梯不宜设在平面凹角部位和端部角区。

4．剪力墙布置宜尽量对称、贯通全高。

5．柱网应有合适的经济尺寸，保持完整的柱网。

6．在框架剪力墙结构中，剪力墙宜布置在建筑物端部附近。

7．在底部大空间剪力墙结构中，一般把落地剪力墙布置在靠近两端和中部，尽量较少结构上下刚度的差异。

8.悬臂结构不宜过大，一般不宜超过4m。

9．不宜采用角部重叠的平面图形或细腰平面图。

（四）建筑竖向布置

根据《建筑抗震设计规范》第3.4.1条规定：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。

1．建筑的竖向构件布置要做到均匀而连续，避免出现突变，避免出现薄弱层，有抗震要求时，结构的刚度宜自下而上逐渐减小。

2．采用形状简单的立面，避免采用楼层平面尺寸存在剧烈变化的阶梯形立

面。因为，立面的突然变化，必然带来楼层质量和刚度的突变，地震时，突变部位就会应剧烈震动或塑性变形集中效应而使破坏程度家中。

3．抗震设计时，当结构上部楼层收进部位对室外地面的高度H1与房屋高度H之比大于02时，上部楼层收进候的水平尺寸B1不宜小于下部楼层水平尺寸B的0.75倍；当上部结构楼层相对于下部楼层外挑时，下部楼层的水平B不宜小于上部楼层水平尺寸B1的0.9倍，且水平外挑尺寸a不宜大于4m。

(a)(b)(c)(d)

4. 高层建筑宜设地下室。

5. 复杂高层包括带转换层的结构、带加强层的结构、错层结构、连体结构、多塔楼结构等。《高规》规定：在9度区抗震设计中部应采用带转换层的结构、带加强层的结构、错层结构和连体结构（强条）。7度和8度区抗震设计的高层不宜同时采用超过上述两种体系的复杂高层。

6. 底部大空间部分框支剪力墙高层建筑结构在地面以上的大空间层数，8度时不宜超过3层，7度时不宜超过5层，6层时其层数可适当增加；底部带转换层的框架－核心筒结构和外筒为密柱框架的筒中筒结构，其转换层位置可适当提高。转换层周围楼板不应错层布置；落地剪力墙和筒体的洞口宜布置在墙体的中部，转换梁上一层墙体内不宜设鞭门洞。

7．长矩形平面建筑中落地剪力墙的间距L宜符合以下规定：

非抗震设计：L≤3B且L≤36m；

抗震设计：底部为1～2层框支层：L≤2B且L≤24m；

底部为3层及3层以上框支层：L≤1.5B且L≤20m。

其中，B为楼盖宽度。

8．当框架－核心筒结构的侧向刚度不能满足设计要求时，可沿竖向利用建筑避难层、设备层空间，设置适宜刚度的水平伸臂构件，构成带加强层的高层建

筑结构。必要时，也可设置周边水平环带构件。加强层采用的水平伸臂构件、周边环带构件可以采用斜腹杆桁架、实体梁、整层或若干层高的箱形梁、空腹桁架等形式，加强层的位置和数量要合理有效。当布置1个加强层时，位置可在0.6H附近；当布置2个加强层时，位置可在顶层和0.5H附近；当布置多个加强层时，加强层宜沿竖向从顶层向下均匀布置。一般不宜超过3个加强层。

9．基础埋深设置：对于高层建筑，基础应该有一定的埋深，埋置深度可从室外地坪算至基础底面，宜复合下面要求：对于天然地基或复合地基，可去房屋高度的1/15；对于桩基础，可取房屋高度的1/18（桩长不计在内）。

（五）变形缝的设置

建筑物有为防止应温度变化和混凝土收缩可能产生裂缝而设置温度缝，有为解决不同部位产生不同沉降而设置沉降缝，抗震结构为了因层数、质量、刚度差异过大产生不同位移而设置防震缝。通常防震缝兼作温度温度缝。原则上沉降缝能不设就不设，各部分单元的沉降差可以通过调整方法来解决，例如包括调压力差（基础选型），调时间差（施工方法）、调标高差（设计考虑）等等。“三缝”的设置与否及设置位置也是方案阶段考虑的一个重要因素。一般来说，由于我国抗震设防区域覆盖地域广阔，各类建筑体型繁多，平面类型、刚度差异、质量差异、错层布置的各种因素都相差甚远，往往是否需要设置防震缝时设计中首先必须意识到的。对于体型复杂、平立面特别不规则的建筑结构，宜按照实际需要在适当的位置设置防震缝，形成多个角规则的抗侧力结构单元。

结构的防震缝应在地面上沿建筑物全高设置，基础、地下室甚至地面以上若干层的大裙房（大底盘）通常不设防震缝，原则上凡是设缝就要设得彻底，凡是不分缝就要连接牢固。对于高层建筑，下列情况的建筑部位通常宜设防震缝：

1．平面为哑铃式建筑（图7a，b，c）由于中部连接部分突然缩小而大大削弱了连接两头的能力，建筑物略有收缩或发生扭转将在该部位产生极大的拉压应力，极易破坏，因此中间联系部位应设防震缝

2．平面为L形，且两翼较长的建筑（图7d）。两翼的结合部位式应力集中之处，该处宜设防震缝。

3．超长且拐弯的建筑（图7e）。横纵向刚度相差极大，纵向收缩应力大，其在各拐弯处设置防震缝兼温度缝。

4．高层建筑紧挨着多层裙房（图8a）。由于层数悬殊，侧移特性各异，在其交接部位易产生撞击而遭受破坏，故在其交接处宜设防震缝。

5．高空少量层数的连体建筑（图8b）。两座高层建筑的连体部位记载高空处且相连的层数又少，该处式应力复杂、变形大的地方，宜设防震缝。

6．大裙房多塔楼建筑（图8c）。所谓“大裙房”是指其长度过长、层数较多，当建筑使用允许设缝而长期温度应力没有有效方法解决的时候，沿塔楼之间的空隙位置，从地面开始将裙房用防震缝分开，此缝兼作温度缝解决平面过长的问题。

(a)两个单体的连接部位(b)典型哑铃形平面(b)中部连接薄弱

(d)两翼连接部位(e)超长且转折的建筑

图7

a. 高低层处b. 连体建筑

c. 多塔楼建筑

图8

四．超限高层建筑工程抗震设防审查的技术要点

随着建筑技术的不断发展和我国经济实力的不断增强，建筑的复杂程度也越

来越高，建筑工程的的质量控制也越来越严格。超限的高层建筑的设计也越来越多，但是，并不是所有高层建筑都可以任意超限，对于超限的高层建筑，结构概念设计和概念控制的重要性也越来越高。总负责在方案阶段就需要清楚有关超限审查的内容，尽量避免出现超限的情况的发生。

（一）超限高层建筑类别

下列高层建筑工程属于超限高层建筑工程：

1．房屋高度超过规定，包括超过《建筑抗震设计规范》现浇混凝土结构和钢结构适用的最大高度、超过《高层建筑混凝土结构技术规程》有较多短肢墙的剪力墙结构、错层结构、混合结构最大适用高度的高层建筑工程；

2．房屋高度不超过规定，但建筑结构布置属于《建筑抗震设计规范》、《高层建筑混凝土结构技术规程》规定的特别不规则的高层建筑工程：

① 同时具有两项以上平面、竖向不规则以及某项不规则程度超过规定很多的建筑；（详《建筑抗震设计规范》3.4.2、3.4.3条和《高层建筑混凝土结构技术规程》4.3.4～4.3.6、4.4.4、4.4.5条）

表4 平面不规则类型

表5 平面不规则类型

② 平面布置明显不规则的复杂结构和混合结构的高层建筑（详《高层建筑混凝土结构技术规程》4.3.4、10.1.4、10.2.2、10.2.3、10.2.10、10.4.2、10.5.1、10.6.1和10.6.2条等），包括：

a． 同时具有两种以上复杂类型（带转换层、带加强层和具有错层、连体、多塔）的高层建筑；

b． 转换层位置超过《高层建筑混凝土结构技术规程》规定的高位转换的

高层建筑；

c． 各部分建筑、结构布置或刚度等有较大不同的错层、连体高层建筑； d． 单塔或大小不等的多塔位置偏置过多的大底盘（裙房）高层建筑； e． 七、八度抗震设防时厚板转换的高层建筑；

③ 单跨的框架结构的高层建筑。（详《高层建筑混凝土结构技术规程》6.1.2条）

（二）超限审查与建筑有关的项目

超限审查与建筑有关的项目主要为

1．建筑平面的布置和选型；

2．其中包括主楼高度和层数

3．出屋面高度和层数，裙房高度和层数；

4．建筑高宽比；

5．缝的设置

6．裙房与塔楼质心的偏心；

7．建筑平面和竖向的规则性

8．是否属于复杂结构。

五．施工图阶段结构专业要求建筑专业提供的设计条件

作为项目的负责人，总负责应该在施工阶段做好各专业技术的协调的工作，才能使各专业可以顺利进行。一般结构需要的设计条件包括以下所列：

1．0.000相对海拔标高、室内外标高、室外是否要填土（涉及到基坑开完深度，地下露天顶板的标高和荷重计算）；

2．楼面结构标高与建筑标高的关系（建筑面层荷重）；

3．使用功能详细分布、楼层空洞位置及尺寸（决定楼层结构标高）；

4．设备用房位置、设备外型尺寸（确定楼面荷载及设备吊装井尺寸）；

5．楼梯编号及其定位尺寸（梯板长宽度以确定楼梯的结构型式）；

6．电梯坑深度、消防梯集水坑位置及深度（设计基础或承台型式）；

7．自动扶梯平面位置、长度、宽度、起始梯坑平面尺寸及深度（决定其支承条件和衡量楼面净高尺寸）；

8．地下室斜车道坡长，车道入口部高度（决定坡道的支承条件，出入口是否需要做反梁）；

9．楼面厕所型式（决定下凹深度或是否要设双层楼板）；

10．大厨房地面做法（决定结构层降低或采用建筑找平垫高）；

11．屋面坡度做法（采用结构找坡或是建筑找坡）；

12．屋面水池平面位置及尺寸（确定合理的支承条件）；

13．天棚吊顶做法（全部吊顶或局部吊顶或不吊顶需做平板结构）；

14．外墙门窗扣尺寸及立面做法（确定外围梁高及窗框做法）；

15．外墙饰面材料（确定围护结构材料品种）；

16．室内隔墙布置情况（固定的或是灵活隔断以决定楼面等效荷载）；

17．设备管道穿行型式（是否需要横穿楼层梁或剪力墙）；

18．地下室防水做法（防水层材料类别），地下室底板集水坑位置及尺寸；

19．电梯门旁或门顶指示灯设置位置及尺寸（决定剪力墙预留孔洞）。