如何打通结构设计的”任督二脉”

打通结构设计的”任督二脉”
——结构设计的整体把握与细节探讨
目前建筑工程多为造型复杂、功能齐全、体积庞大的建筑，为保证工程质量，最优化建筑结构性能，也为了实现对业主的承诺，在结构设计中应从全局及细节入手做好以下几个方面的工作。
（一）结构设计规范之间的融会贯通
现行结构规范约有100本，包括1.通用标准，如《建筑结构荷载规范》、2 砌体和钢木结构规范、3 混凝土结构规范、4 特种结构和混合结构规范、5 地基基础规范、6 建筑抗震规范、7 检测鉴定和加固规范、8 其他规范，如《人民防空地下室设计规范》。只有将相关规范完美结合，充分理解规范的联系与差别，才能做出最佳设计。比如，在大型地下室中，通常都会有部分属于人防功能。这时，就需同时考虑两种完全不同的工况（平时、战时）。人防地下室在人防荷载参与计算时，可采用塑性内力重分布分析法，可不考虑风荷载及地震作用，可不验算结构变形及裂缝开展，且战时荷载作用下，材料强度可提高。例如地下室顶板覆土较厚时，平时计算考虑裂缝验算后的配筋可能比战时要大，所以这时就要进行包络设计来保证不同状态下的安全。

（二）结构设计软件与结构规范的融会贯通
计算机技术的发展大大推动了结构设计的进步，在减轻设计人员的重复劳动的同时提高了设计效率，从而可以把更多的精力放在概念设计及结构优化上，让原来不可能的设计成为可能。但是，也带来了一些负面效应，设计软件的便利性让部分设计师养成了懒于思考的习惯，手算能力也越来越退化，而软件在不断升级的过程中难免会有失误，而且计算过程也是不透明的，如果不深入了解软件本身的适用条件，且对结果不加以分析直接利用，将可能是很危险的或是造成不必要的浪费。比如在结构软件中关于周期比指标的控制，普通结构通常都需要满足规范要求，但对于像体育馆、空旷结构等层概念比较混乱的复杂结构，没有特殊要求的，一般可以不需要控制。对于多塔结构的周期比，如果上部没有连接，应该各个塔楼分别验算。当高层建筑楼层开洞较为复杂，或为错层结构时，往往会产生局部振动，此时需选择”强制刚性楼板假定”来计算，以过滤掉局部振动产生的影响。
同样的，复杂结构的位移控制也因楼板缺失、墙柱标高不同、层概念不清晰等而失真，此时可以通过位移的“详细输出”或观察结构的变形示意图来考察结构的扭转效应。总之，复杂结构的计算模型指标的合理性，应该根据结构的实际情况，采用多种手段分析其合理性及是否超规范。

（三）结构计算与结构图纸绘制的融会贯通
结构图纸是工程师的语言，优秀的图纸应该合乎规范、内容完整、图算一致、通俗易懂、干净整洁。平法图集的发明也促进了结构设计的规范化、简明化，一些大型设计公司也建立起自己的绘图标准及图库，这些都是很好的减少失误、简化设计的措施。另外，通过协同设计可以有效的提高图纸的质量及绘制效率，也方便图纸修改、专业间无缝衔接以及规范化管理。图算一致是图纸表达最关键的要点，比如构件的支座条件假定问题，在钢结构计算中次梁端部通常按铰接计算，这是施工图中就必须按铰接的构造处理，否则可能会对主梁产生额外的扭矩，而影响结构安全。混凝土结构中，如果次梁端部按刚接计算，那配筋时就需考虑锚固长度的问题，如果支座梁或墙比较薄，那就需要减小钢筋直径或增加附加锚固措施。

（四）结构设计与地基勘察的融会贯通
地基勘察直接影响了基础的设计，而基础造价通常都占很大的比例。所以深入了解勘察报告，根据经验分析判断数据的适用性，是结构工程师需要掌握的技能。勘察质量主要取决于质量管理制度的执行，但也可能受到技术及劳务分离、恶性竞争等不良风气的影响，将会直接影响到勘察成果的真实性、准确性。比如地下水位是一个重要的水文地质参数，而由于种种原因，可能导致此数值的失真。1.提供的表层土的地下水位低于表土层的底界面，位于其下的隔水层中，此水位的测定不符合规程要求，为错误的地下水位；2.无可靠的隔水措施测得的微承压水和承压水等水位时混合水位，也是错误水位；3.收集的3-5年最高水位竟然位于现测的水位之下，或高出土地地面，也是不合理的地下水位。地基勘察在地震区及特殊地质环境中显得尤为重要，勘察中需找出是否有地震带等不适宜建设的地区，趋利避害。比如岩溶地区的地基勘察就需要特别的注意，如果上部结构是框架结构，那么勘探点必须一柱一点，必须先进行初步勘察，确认溶洞率满足规范要求才能继续，否则就需要重新选择场地或采取复杂的地基处理措施。重要的建筑的场地还需进行地震安全性评价，以便确定本场地的最可靠的地震动参数，来确保结构抗震设计的安全。

（五）结构设计与建筑等设计的融会贯通
一个项目的顺利进行，必须各专业通力配合。结构的柱网、截面、开洞等都来源于建筑等专业或需征得他们的同意。当然，结构还是主要从建筑结构安全第一的角度来考虑，实在有困难，还需与其他专业协调处理。比如大面积种植屋面，如果建筑找坡，就会增加不少荷载，此时可以和建筑商量采用结构找坡，或采用轻质种植土来减轻屋面荷载。地下室外墙通常会有很多留洞，这些洞口涉及到水暖电等专业，留设这些洞口时，在避开结构梁板的前提下，需充分协调各专业留洞之间不会冲突，且留有安全距离。剪力墙结构如果仅在门窗洞的位置开洞，需要注意是否留够足够的门窗的安装尺寸，电梯边上的墙还需注意是否留了电梯按钮安装的空间。

（六）结构设计与工程造价的融会贯通
在建筑节能成为共识的今天，如何控制结构的经济性、降低成本，越来越受到业界的普遍关注和重视。结构设计对建筑的经济性影响很大，结构造价在一般工程中占50%甚至更多。所以需对设计阶段进行经济性控制，在满足结构安全的前提下，将造价优化到合理的最佳水平。比如对于高层建筑这样的大体量工程，可以从以下几个方面着手：1.重视结构形式的选择，每种结构形式都有不同适用性及经济性；2.重视建筑物的经济高度，建筑物造价一般与高度成二次方关系；3.重视剪力墙结构设计，要做好剪力墙的结构布置，宜对称、均匀布置以减少扭转，尽量减少平面外连接的墙体，控制剪力墙的轴压比不太小，优化墙厚，墙长不宜相差太多，不宜出现长墙，严格控制剪力墙的分布筋配筋率；4.重视基础的设计，基础工程的投资约占总工程投资的20%~30%，当采用桩基础时，如何对桩合理选型将很大的影响地下室的经济性；5.重视建筑形式的优化；6.减轻高层房屋的建筑自重；7.合理选用建筑材料，比如一般工程中钢筋宜选用经济性及受力性能较好的三级钢。

（七）结构设计与工程施工的融会贯通
施工是对于设计意图的实现、建筑质量保证的最重要的执行者。离开了施工，结构设计只是纸上谈兵。而且施工过程对结构设计也有一定的影响。
比如高层建筑地面层需考虑可能的施工荷载，模型中需采用合适的模拟施工方法，重要的建筑还需进行施工阶段受力分析，比如大型钢结构需考虑拼装的次序及卸载之前结构可能的受力模式。在大型地下室顶板上，一般会临时设置施工道路，上面行走货车及泵车等很重的车，这是就要考虑此荷载的影响，为了能保证结构安全的前提下，把对造价的影响降到最低，可考虑在梁下设置临时支撑柱。

（八）规范贯彻与工程创新的融会贯通
结构设计的发展进步离不开实践与创新，我们在严格遵守规范精神的基础上，可以依据实际遇到的问题做一些研究和创新。这首先需要对规范条文充分理解，然后可以参考比较成熟的工程经验、技术措施及试验结果，充分发挥结构的最佳潜能。比如当前软土地区基坑支护采用大量的灌注排桩和水平支撑作为临时结构，灌注排桩在施工完成后遗弃在地下，形成大量的障碍物，且存在能耗高、资源浪费的问题，而实际上维护排桩作为受弯构件设计，刚度一般较大，如能将地下室外墙与围护桩相结合，可减少地下室外墙的厚度，实现建筑节能和可持续发展的支护结构设计，将具有广阔的应用前景和重大的社会经济效益。

综上所述，结构设计是门需要考虑很多因素、且需要极强责任心的工作。稍有不慎，将可能带来严重的后果。作为结构工程师，我们唯有不断充实自己，恪尽职守，融会贯通，充分发挥主观能动性，敢于面对和克服所有遇到的问题，才能提高设计水准，才能不负业主及社会的托付，交上大家满意的作品。