关于现代民用建筑结构设计创新探讨

摘　要：民用建筑是以居住为主要使用目的的建筑。当前，民用建筑设计追求“以人为本”，这就要求结构设计人员设计思想的开拓和设计方法的创新。
关键词：现代民用建筑；结构设计；推广应用
1.民用建筑对结构设计的新要求
　　1．1材料和资金的节省
　　因土地、能源和材料价格的持续上涨，开发商要求设计单位必须注意材料和资金的节约，这一点符合结构设计的指导思想“安全适用，经济合理”。要从根本上做到经济，结构设计人员必须把握好民用建筑结构的概念设计。概念设计是依据理论知识与工作经验，结合建筑功能要求与建筑工程条件，在特定的建筑空间中用整体的概念来完成结构总体方案的设计，并能有意识地处理构件与结构、结构与结构的关系的定性设计方法。一幢民用建筑的设计没有经过正确的概念设计，是难以实现效果最好、造价最低的结构方案的。
　　1．2民用建筑的高层化
　　高层民用建筑与其他高层建筑最大的不同在于业主对于房屋基于居住目的的功能诉求，如采光、通风、居住面积与层高、振动舒适度等。于是高层民用建筑的结构体型变得日趋复杂，如平面的不规则、竖向收进与悬挑、结构连体、大底盘多塔、错层等等。结构设计师要解决这些复杂的技术难题，必须依靠结构设计理论的不断发展和创新，以及结构计算分析软件的开发和应用。
　　1．3户型内部空间个性化
　　业主具有个性化的思维方法和审美意识，不同时期住户对建筑空间有不同的要求。这样既在开间和进深两个方向保留了较大的灵活性，也充分利用了承重墙隔声好的性能。同时外墙部位的梁、柱、墙的设置，要为窗户的灵活布置创造条件；楼板的设计，也必须考虑隔墙位置的调整。

　　2.现代民用建筑结构设计的特点
　　2．1整体的计算力求平面立面的完美
　　为纯矩型板式民用建筑楼，其平面形式为一梯六户，其中有四个单元的房间有间接采光，厨房无阳台。这样的民用建筑户型，房间光线暗的很，因无阳台，对东北地区冬天存储蔬菜、水果等，用起来多有不便。这样的板式楼无特点可言，但它的整体计算运行完好，无超限现象。
　　为新型板式楼，其特点在于它融合了点式楼的特点，立面上不为单一的一个平面，既有点式楼的凹凸进退，又有板式楼的主要房间为南向采光的特点；从平面布局上看，虽也为一梯六户，但间接采光无阳台仅两户，比单一的矩形平面既有立面上的多变，又有平面上的优势，但在结构整体计算中，其不同点主要有两点：
　　(1)结构整体计算周期比平面结构周期大。
　　(2)两侧有部分连梁截面强度出现超限，即抗剪强度不够。

　　主要是由于平面凹凸不平造成结构刚度不均匀，形成一定的扭矩而造成的。为了克服这种不均匀现象，在结构整体计算方面采用如下的方案措施：把整体化为两个独立的结构单体。通过以上两例说明，对现在类型众多的建筑平面、立面，乃至新型精典的板式楼、连排式楼，都可以化过长的整体为简单的独立单元体进行整体计算，以解决板式楼、连排式楼整体计算扭矩过大、截面抗剪强度不够的问题。
　　2．2局部构造突出建筑功能
　　两平面图中都标有起居室，其功能不单为了方便休闲，还有一重要功能，作为家庭健身房，它的平面大小可容纳一个家庭健身器。它的布局在越层之上，为了满足建筑功能的需求，既达到健身的目的又不造成振动对下层住户的影响，我们把起居室与周边剪力墙结构看成一个受力单元，在这个受力单元上，把这块局部楼板加以结构处理，即采用带空心的现浇楼板(薄壁管现浇混凝土空心楼板)，这也是结构构件新技术的合理应用。此局部楼板厚达200～300mm，楼板四周设有边梁，结构平面布置。总之，无论建筑造型如何多样化、复杂化，结构方案的确定都应具体情况具体分析，从整体到局部加以简化，使之整体受力明了化，局部构造具体化，特殊的受力部位特殊处理，使建筑精巧的构思、创新的造型真正体现出它的完美性和理想性。

　　2．3异形柱框架结构
　　2．3．1异形柱框架结构的基本形式
　　在结构设计中，原则上要求框架结构的柱采用矩形柱(除非建筑专业有特殊要求可采用其他截面形式，如圆形、三角形等)，矩形柱有良好的受力性能，计算理论比较完善，传力途径明确，而且在长期的工程实践中积累了大量的经验，使得矩形柱的计算模型及理论更加接近实际。但矩形柱用在民用建筑，尤其是民用建筑建筑中，随着建筑高度的增加，柱截面也随着增大，给房屋内部的布置及使用造成很多不便，为一八层全现浇框架结构民用建筑，采用矩形柱为450×450mm，外墙300米膜厚与柱外皮平，内墙200mm厚，对于每一户柱在室内突出部位占掉使用面积的0．5%，加上后期住房的装修，造成使用面积的浪费较大。近年来采用的异形柱框架结构就可以解决这个问题。
　　所谓异形柱框架就是根据墙体布置情况，将柱截面做成“L”“T”“+”形，也有采用“Z”形。“L”形多用于墙的转角部位，“T”形截面多用于纵横墙交接处，柱肢宽度最适宜用与墙体相同的厚度，使得柱表面与、墙体表面平齐。

　　2．3．2异形柱框架结构的计算
　　由于异形截面柱的受力特点及抗振性能与常用的矩形截面柱有很多不同之处，现阶段对这方面理论分析和试验研究的资料很少，目前的结构专业软件尚不能直接计算异形柱框架。因此在过渡阶段，笔者建议按如下两种方法计算。有限元法：利用现有的通用有限元计算程序(如SAP系列)，按杆单元模型，将异形柱的实际截面面积及惯性矩等输入程序求出各柱单元的内力，然后按有关规范进行计算配筋。近似等效截面法：根据截面等惯性矩原则将异形柱等效成矩形柱，然后利用计算机程序(如TBSA 5.0)进行计算，求出柱的内力，将矩形柱的内力加给相应位置的异形柱，手算求出异形柱的配筋。对于“T”形柱，根据混凝土规范有关“T”形截面的要求进行柱配筋计算；对于“L”形柱，按等宽翼缘对应于“T”形截面柱，进行计算，然后附加一个扭矩进行抗扭复核；对于“+”形截面柱，直接根据两个方向的内力及几何参数进行配筋计算。由于在内力计算时输入的截面积是一种等效面积，因此，需对异形柱的轴压比按其真实面积进行验算。此法省时省工，但计算精度较低，需对计算结果进行定性分析，并对结构进行概念设计。 3.民用建筑中结构的技术推广应用
　　3．1钢结构民用建筑的推广
　　我国钢铁工业的迅猛发展，为建筑钢结构建设事业创造了极好的时机。钢结构与砖混结构和混凝土结构相比，在民用建筑建筑中应用主要有三个优点：首先，由于钢材强度高的特点，民用建筑设计可采用大开间布置。而砖混结构和钢筋混凝土结构由于材料的性质，限制了空间布置的自由。其次，民用建筑采用钢结构体系产生的综合经济效益较好。由于钢结构民用建筑自重轻，约为砖混结构的65%，因此减少了土、沙、石的用量。不仅适用于软弱地基，在其他地基条件下，也同样可以大大减少基础造价。钢结构民用建筑施工周期短，可以大大提高投资效益，加快资金周转。最后，钢结构建筑具有较高的性价比，有利于环境的可持续发展、适宜产业化发展，极具发展前途，可带动钢铁产业和新型材料产业的发展。
　　3．2短肢剪力墙的广泛应用
　　短肢剪力墙结构是指墙肢的长度为厚度5～8倍的剪力墙结构。其吸收了框架结构的优点，发展形成的民用建筑结构型式。常用的短肢剪力墙有“T”字型、“L”字型、“十”字型“一”字型等。在这种结构里剪力墙能结合建筑平面，利用间隔墙位置灵活布置，可选择的方案较多，能避免与建筑使用功能发生矛盾。而连接各墙的梁，随墙肢位置也可隐蔽设于间隔墙竖向平面内。短肢剪力墙结构里剪力墙数量的多少，墙肢的长短，主要由结构抗侧力的需要而决定。这种新的结构克服了普通框架和普通剪力墙结构的一些缺点，得到了建筑师、开发商和广大住户的肯定与欢迎。
　　3．3预应力混凝土大板结构技术的应用
　　预应力大板结构是在柱与柱之间布置明梁，楼板采用预应力大板，并在预应力大板上直接布置隔墙的结构体系。预应力大板结构在建筑上避免了室内难看的次梁景观，使住宅的建筑平面布置更加灵活，有利于二次装修时室内布局的改造，满足了住户个性化要求。
参考文献
[1] 徐培福主编.复杂高层建筑结构设计.中国建筑工业出版社，2005.