建筑立面凹凸造型的结构选型讨论及优化

结构设计中，除了需要满足自身的受力安全及变形稳定等要求外，通常也要尽量满足建筑功能及造型等需求，比如：外立面的凹凸变化等。在进行相应的结构选型和布置时，结构师往往因为仅是局部构件设计而不像主体结构设计那么用心、有点随意；但有时候就是这种随意性，使得结构布置出现受力不利、变形偏大等情况，导致结构构件开裂、装饰材料接缝不密实、雨水渗漏等隐患，既影响正常使用还可能降低结构耐久性能甚至是安全性能。本文就以实际设计中遇到的一个小案例，分享一下结构选型思路及做法，仅供参考同时欢迎交流讨论。

某学校的教学楼项目，外侧楼梯间处在立面造型上做了些凹凸变化，见下图：

建筑平面的角部区域，设置为楼梯间，存在一个从下层梯形   上层圆弧形的内收过渡区，平面变化如下图：

结构师在进行结构布置时，直接选用了“沿上层外轮廓的弧形梁+外悬挑板”的布置方式。如下图：

这种布置，存在几点不利情况：

1、圆弧梁在竖向荷载下，本身就存在向外扭的趋势；再设置一块外悬挑板，板支座负弯矩作用在圆弧梁外边缘，会进一步加大外扭作用，而且纯挑板对梁的抗扭没有任何贡献；

2、外扭梁的内侧为空洞、没有楼板辅助受力分摊扭矩，且受扭破坏为脆性破坏，对受力不利；

3、圆弧梁跟相连的外边梁的标高基本平齐、为正梁，侵入其下方楼梯半层平台的部分区域，减少了该处净高对舒适性有一定影响。

有鉴于上述几点不利情况，就尝试对结构布置进行调整，看看能否优化受力状态。具体做法就是沿下层外轮廓设置直线封边梁，交界的过渡区域则设置弧形楼板（不再设置内侧的弧形梁）。如下图：

该布置方案具有几个优点：1、直线梁在自身竖向荷载下没有受扭趋势。2、楼板的负弯矩对梁产生了一定的内扭作用，但两边支承板自身又为梁的抗扭提供了一定的帮助（采用弹性板模式可以更好反映该贡献）。3、弧线处没有下凸的梁，不影响楼梯半层平台处的净高，实际使用时会更加舒适。

为对2种布置方案进行定量的分析研究，特抽取周边构件单元进行了相应的建模计算，对梁的内力及配筋等的对比分析（主要是分析竖向荷载的影响）。具体配筋结果详下图：

弧梁模型

直梁模型

从配筋简图上看，圆弧梁方案确实存在相对更大的扭矩，这在下方柱端处的反映更明显，因为该处柱子约束作用较强、且梁侧均无楼板辅助受力，所以抗扭纵筋、箍筋的计算值较明显。

至于圆弧梁段的配筋未显示抗扭纵筋或箍筋的情况，也特意点击了“构件信息”进行查询，详见下图：

结果显示：圆弧梁自身是存在扭矩16.5kN.m。因为砼梁截面为300*800，自身抗剪扭承载力较高、素砼分量即可满足，所以未显示配筋值（可见下面Excel表的手算复核结果）。

为核实软件计算结果及其表示方法的真实性准确性，特加大（虚）梁远端的荷载值进行验证，以下为对比截图：

弧梁模型

直梁模型

以上结果也进一步验证了理论分析结果的真实性准确性。

综合对比各项优缺点后，本项目最终采用了“直线梁+弧形板”的方案。

这里可以稍微展开讨论一下：从加大荷载后的配筋简图可见，“直线梁+弧形板”方案的梁端，其负筋计算值是比弧形梁的要大的。为什么？其实也不难理解，因为弧形梁方案中，挑板及弧梁上的荷载，是通过弧梁的梁端作用在了直线梁的中间位置，力臂较短导致支座负弯矩值较小；而直线梁方案中，该部分荷载主要通过（单向受力）楼板作用在直线梁的远端~中间位置，力臂较长导致负弯矩值较大。可见，圆弧梁方案也是有自身的一些优点、并非全是缺点的；这也提醒我们，在做结构方案的分项对比时，应客观公正地评估各自的优缺点，再根据主要需求合理确定最终选项。

综合上述案例的分析结果，对建筑立面凹凸造型的结构选型的优化建议如下：

1、结构构件布置，宜尽量不影响建筑的使用功能及舒适性需求。

2、结构构件布置，尽量降低剪力、扭矩等的不利影响，以受弯为主。

3、楼板布置尽量使其对支承构件起到拉结的辅助作用、增加安全富余；确实需要采用悬挑板时，应充分考虑对支承梁的不利影响。

知识点：建筑立面凹凸造型的结构选型讨论及优化

有凹凸造型的结构柱如何处理