浅谈结构设计的基本原则

浅谈结构设计的基本原则


摘 要]結構設計的目的、結構設計的四項基本原則。

[關鍵字]剛柔相濟、多道防線、抓大放小、打通關節、建築結構。

結構的設計的目的是使建築物安全和能夠適應使用的要求。結構設計還要遵循結構設計的主要要求是結構安全可靠（節省資金也是一項），所以，我們在結構設計中要保證這樣要求和遵循這個原則。我們現在學習的結構有：鋼筋混凝土結構、砌體結構、剛結構、道路和橋梁結構，我們畢業後將要從事的也是結構的設計，我們不能不去考慮一下有關結構設計的要求及其基本的原則，結構設計的好壞直接影響建築物的使用和建築業的發展，同時，還會影響到使用者的安全。基於這樣的要求，下面來總結一下結構設計的基本原則。
結構設計的四項基本原則：

1、剛柔相濟
合理的建築結構體系應該是剛柔相濟的。結構太剛則變形能力差，強大的破壞力瞬間襲來時，需要承受的力很大，容易造成局部受損最後全部毀壞；而太柔的結構雖然可以很好的消減外力，但容易造成變形過大而無法使用甚至全體傾覆。結構是剛多一點好，還是柔多一點好？剛到什麽程度或柔到什麽程度才算合適呢？這些問題歷來都是專家們爭論的焦點，現今的規範給出的也只是一些控制的指標，但無法提供“放之四海皆准”的精確答案。最後，專家們達成難以準確言傳的共識：剛柔相濟乃是設計者的追求。

2、多道防線
安全的結構體系是層層設防的，災難來臨，所有抵抗外力的結構都在通力合作，前仆後繼。這時候，如果把“生存”的希望全部寄託在某個單一的構件上，是非常非常危險的。多肢牆比單片牆好，框架剪力牆比純框架好等等，就是體現了多道防線的設計思路。也許我們會自信計算的正確性，但更要牢記絕對安全的防備構件是存在的，還是應該多多考慮：當第一道防線跨了，第二道防線能頂住嗎？或者能頂住多少？還有沒有第三、第四道防線？

3、抓大放小
“強柱弱梁”、“強剪弱彎”等是建築結構設計中非常重要的概念。有人問：爲什麽不是“強柱強梁”“強剪強彎”呢？爲什麽所有構件都很強的結構體系反而不好，甚至會有安全隱患呢？
這裏面首先包含著一個簡單的道理：絕對安全的結構是沒有的。簡單地說，雖然整個結構體系是由各種構件協調組成一體，但各個構件擔任的角色不盡相同，按照其重要性也就有輕重之分。一旦不可意料的破壞力量突然襲來，各個構件協作抵抗的目的，就是爲了保住最重要的構件免遭摧毀或者至少是最後才遭摧毀，這時候犧牲在所難免，讓誰犧牲呢？明智之舉是要讓次要構件先去承擔災難。“寧爲玉碎，不爲瓦全”，如果平均用力，可能會“玉石俱粉”，損失則更大矣！在建築結構中，柱倒了，梁會跟著倒；而梁倒了，柱還可以不倒的。可見柱承擔的責任比梁大，柱不能先倒。爲了保證柱是在最後失效，我們故意把梁設計成相對薄弱的環節，使其破壞在先，以最大限度減少可能出現的損失。如果梁柱等同看待，企圖讓他們都“堅不可摧”，則可能會造成同時破壞，後果會更糟糕，損失會更大。所以關鍵時刻要分清主次，抓大放小，也就是要取大舍小。

4、打通關節
在結構體系中，所謂關節，是指變化相聚之處，或變化出現的地方。不同類型的構件相接處，同一構件截面改變之處，是關節。廣義上，諸如結構錯層之處，體量改變之處，轉換層亦是關節。關節無處不在，因爲結構體系乃是變化的統一。外力突然襲來之時，對於單一的構件，力量的傳遞簡明，因而容易控制。對於複雜的結構體系，關節的複雜性難於預測和控制,即使從理論上保證了每個組成構件的強度和剛度，但因關節的普遍存在，力量的傳遞往往不能暢通而出現集中甚至中斷，破壞由此而發生。歷次災害表明，從節點開始破壞的建築占了相當大的比例。

所以理想的結構體系當然是渾然一體的--也就是沒有任何關節的，這樣的結構體系使任何外力都能迅速傳遞和消減。基於這個思路，設計者要做的就是要盡可能地把結構中各種各樣的關節“打通”，使力量在關節處暢通無阻。中醫上雲：“通則不痛，痛則不通”，結構就象一個人，氣穴若不能暢通，癥結和隱患就會産生。在設計的四項基本原則中，“剛柔相濟”，“多道防線”，“抓大放小”是設計概念中的戰略問題，但要想得讓這些戰略思想得以實現，靠的是“打通關節”這個原則作爲保證的，結構設計的具體操作，最後全都歸到“打通關節”的貫徹和實施上來。

如何打通關節？在設計概念裏，要解決的是外力在結構體系內重分配的問題，要確保力量是按照各構件的剛度大小進行分配的，避免出現不合理的集中，最終達致靜態的平衡。因結構形本爲“靜”，滅於“動”中。所有 “動” 的因素對於結構均爲不利。打通關節保持平衡的目的其實就是使其永遠處於原始的靜態，當力量不能暢通時，構件與構件之間，構件的組成元素與元素之間的靜態平衡一旦被破壞，結構變成機動，“動”即是死，即爲終結。可見設計者是協調者，其任務是讓所有互不相關的靜態構件相聚之後依然處於靜態（也就是使其保持常態），或者是處在相對的靜態之中。
綜上所述，我們可以初步的瞭解一下結構設計的基本原則，從而爲我們設計的合理和安全也奠定了基礎。