第1章建筑结构设计概述




一个建筑物的落成，先要经过建筑设计，然后进行结构设计。结构设计的主要任务是确定结构的受力形式、配筋构造、细部构造等。要根据结构设计施工图进行施工，因此绘制明确详细的施工图是十分重要的工作。我国规定了结构设计图的具体绘制方法及专业符号。本章将结合相关标准，对建筑结构施工图的绘制方法及基本要求作简单介绍。





 土木建筑结构设计基本知识
 土木建筑结构设计要点
 土木建筑结构设计施工图简介
 土建制图基本规定
 土建施工图编制
 学习效果自测



1．1土木建筑结构设计基本知识
1．1．1土木建筑结构的功能要求

根据我国《建筑结构可靠度设计统一标准》，土木建筑结构应该满足的功能要求可以概括为以下几方面。
(1) 安全性： 建筑结构应能承受正常施工和正常使用时可能出现的各种荷载和变形，在偶然事件(如地震、爆炸等)发生时和发生后保持必需的整体稳定性，而不致发生倒塌。
(2) 适用性： 结构在正常使用过程中应具有良好的工作性。例如，不产生影响使用的过大变形或振幅，不发生足以让使用者不安的过宽的裂缝等。
(3) 耐久性： 结构在正常维护条件下应具有足够的耐久性，完好使用到设计规定的年限，即设计使用年限。例如，混凝土不发生严重风化、腐蚀、脱落，钢筋不发生锈蚀等。
良好的结构设计应能满足上述要求，这样设计的结构才是安全可靠的。


1．1．2结构功能的极限状态
整个结构或者结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计指定的某一功能要求，这个特定状态称为该功能的极限状态，例如，构件即将开裂、倾覆、滑移、压屈、失稳等。也就是说，能完成预定的各项功能时，结构处于有效状态； 反之，则处于失效状态。有效状态和失效状态的分界称为极限状态，它是结构开始失效的标志。
极限状态可以分为以下两类。
1． 承载能力极限状态
结构或构件达到最大承载能力或者达到不适于继续承载的变形状态，称为承载能力极限状态。当结构或构件由于材料强度不足而破坏，或因疲劳而破坏，或产生过大的塑性变形而不能继续承载时，将丧失稳定； 结构转变为机动体系时，结构或构件就超过了承载能力极限状态。超过承载能力极限状态后，结构或构件就不能满足安全性的要求。
2． 正常使用极限状态
结构或构件达到正常使用或耐久性能中某项规定限度的状态称为正常使用极限状态。例如，当结构或构件出现影响正常使用的过大变形、裂缝过宽、局部损坏和振动时，可认为结构和构件超过了正常使用极限状态。超过了正常使用极限状态，结构和构件就不能保证适用性和耐久性的功能要求。
结构和构件按承载能力极限状态进行计算后，还应该按正常使用极限状态进行验算。通常在设计时要保证构造措施满足要求，这些构造措施在后面章节的绘图过程中会详细介绍。

1．1．3结构设计方法的演变
随着科学界对结构效应的认识及计算方法的进步，结构设计方法也从最初的简单考虑安全系数法发展到考虑各种因素的概率设计方法。
1． 容许应力设计方法
对于在弹性阶段工作的构件，容许应力方法有一定的设计可靠性，如钢结构。尽管材料在受荷后期表现出明显的非线性，但是当时由于设计人员对线弹性力学更为熟悉，所以在设计具有明显非线性的钢筋混凝土结构时，仍然采用材料力学的方法。
2． 破损阶段设计方法
破损阶段设计方法相对于容许应力设计方法的最大贡献就是： 通过大量的钢筋混凝土构件试验，建立了钢筋混凝土构件抗力的计算表达式。
3． 极限状态设计方法
相对于前两种设计方法，极限状态设计方法的创新点在于以下几方面。
(1) 首次提出两类极限状态： 
抗力设计值≥荷载效应设计值

裂缝最大值≤裂缝允许值，挠度最大值≤挠度允许值
(2) 提出了不同功能工程的荷载观测值的概念，在观测值的基础上提出了荷载取用值的概念： 
荷载取用值＝大于1的系数×荷载观测值
(3) 提出了材料强度的实测值和取用值的概念： 
强度取用值＝小于1的系数×强度实测值
(4) 提出了裂缝及挠度的计算方法和控制标准。
尽管极限状态设计方法有创新点，但是其也存在某些缺点： 
(1) 荷载的离散度未给出； 
(2) 材料强度的离散度未给出； 
(3) 荷载及强度系数仍为人为经验值。

4． 半概率半经验设计法
半概率半经验设计法的本质是极限状态设计法，但是与极限状态设计方法相比，又有一定的改进： 
(1) 对荷载在观测值的基础上通过统计给出标准值； 
(2) 对材料强度在观测的基础上通过统计分析给出标准值。
但是，对于荷载及材料系数仍然由人为经验确定。
5． 近似概率设计法
近似概率设计法将随机变量R和S的分布只用统计平均值μ和标准值σ来表征，且在运算过程中对极限状态方程进行线性化处理。
但是此设计方法也存在一些缺陷。
(1) 根据截面抗力设计出的结构，存在着截面失效不等于构件失效，更不等于结构失效的问题，因此不能很准确地表征结构的抗力效应。
(2) 未考虑不可预见的因素的影响。

6． 全概率设计方法
全概率设计方法就是全面考虑各种影响因素，并基于概率论的结构优化设计方法。

1．1．4结构分析方法
结构分析应以结构的实际工作状况和受力条件为依据，并且在所有的情况下均应对结构的整体进行分析，必要时，还应对结构中的重要部分、形状突变部位以及内力和变形有异常变化的部分(例如较大孔洞周围、节点及其附近、支座和集中荷载附近等)进行更详细的局部分析。结构分析的结果都应有相应的构造措施作保证。
所有结构分析方法的建立都基于三类基本方程，分别为力学平衡方程、变形协调(几何)条件和本构(物理)关系。其中力学平衡条件必须满足； 变形协调条件对有些方法不能严格符合，但应在不同程度上予以满足； 本构关系则需合理选用。
现有的结构分析方法可以归纳为五类，各类方法的主要特点和应用范围如下。
1． 线弹性分析方法
线弹性分析方法是最基本和最成熟的结构分析方法，也是其他分析方法的基础和特例。它适用于分析一切形式的结构和验算结构的两种极限状态。至今，国内外大部分混凝土结构的设计仍基于此方法。
结构内力的线弹性分析和截面承载力的极限状态设计相结合，实用且简易可行。按此设计的结构，其承载力一般偏于安全。少数结构会因混凝土开裂部分的刚度减小而发生内力重分布，可能影响其他部分的开裂和变形状况。
考虑到混凝土结构开裂后刚度减小，对梁、柱构件分别采取不等的折减刚度值，但各构件(截面)刚度不随荷载的大小而变化，则对结构的内力和变形仍可采用线弹性方法进行分析。
2． 考虑塑性内力重分布的分析方法
考虑塑性内力重分布的分析方法一般用于设计超静定混凝土结构，具有可以充分发挥结构潜力、节约材料、简化设计和方便施工等优点。
3． 塑性极限分析方法
塑性极限分析方法又称塑性分析或极限平衡法，此法在我国主要用于周边有梁或墙有支撑的双向板设计。工程设计和施工实践经验证明，按此法进行计算和构造设计简便易行，可保证安全。
4． 非线性分析方法
非线性分析方法以钢筋混凝土的实际力学性能为依据，引入相应的非线性本构关系后，可准确地分析结构受力全过程的各种荷载效应，而且可以解决一切体形和受力复杂的结构分析问题。这是一种先进的分析方法，已经在国内一些重要结构的设计中采用，并不同程度地纳入国外的一些主要设计规范。但这种分析方法比较复杂，计算工作量大，各种非线性本构关系尚不够完善和统一，至今其应用范围仍然有限，主要用于重大结构工程如水坝、核电站结构等的分析和地震中的结构分析。
5． 试验分析方法
结构或其部分的体形不规则和受力状态复杂，又无恰当的简化分析方法时，可采用试验分析方法。例如剪力墙及其孔洞周围，框架和桁架的主要节点，构件的疲劳，平面应变状态的水坝等。
1．1．5结构设计规范及设计软件
在结构设计过程中，为了满足结构的各种功能及安全性的要求，必须遵从我国制定的结构设计规范，主要有以下几种。
1． GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》
本规范的制定是为了在混凝土结构设计中贯彻执行国家的技术经济政策，做到技术先进、安全适用、经济合理、确保质量。此规范适用于房屋和一般构筑物的钢筋混凝土、预应力混凝土以及素混凝土承重结构的设计，但是不适用于轻骨料混凝土及其他特种混凝土结构的设计。
2． GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》
本规范的制定目的是为了贯彻执行《中华人民共和国建筑法》和《中华人民共和国抗震减灾法》并实行以预防为主的方针，使建筑经抗震设防后，减轻建筑的地震破坏，避免人员伤亡，减少经济损失。
按本规范进行抗震设计的建筑，其抗震设防的目标是： 当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，一般不受损坏或不需修理可继续使用； 当遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时，可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用； 当遭受高于本地区抗震设防烈度预估的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。
3． GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》
本规范是为了适应建筑结构设计的需要，以符合安全适用、经济合理的要求而制定的。此规范是根据《建筑结构可靠性设计统一标准》规定的原则制定的，适用于建筑工程的结构设计，并且设计基准期为50年。建筑结构设计中涉及的作用包括直接作用(荷载)和间接作用(如地基变形、混凝土收缩、焊接变形、温度变化或地震等引起的作用)。本规范仅对有关荷载做出规定。
4． JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》
本规程适用于10层及10层以上或房屋高度超过28m的非抗震设计和抗震设防烈度为6度至9度抗震设计的高层民用建筑结构，其适用的房屋最大高度和结构类型应符合本规程的有关规定。但是本规程不适用于建造在危险地段场地的高层建筑。
高层建筑的设防烈度必须按照国家规定的权限审批、颁发的文件(图件)确定。一般情况下，抗震设防烈度可采用中国地震烈度区划图规定的地震基本烈度； 对已编制抗震设防区划的地区，可按批准的抗震设防烈度或设计地震动参数进行抗震设防。并且，高层建筑结构设计中应注重概念设计，重视结构的选型和平面、立面布置的规则性，择优选用抗震和抗风性能好且经济合理的结构体系，加强构造措施。在抗震设计中，应保证结构的整体抗震性能，使整个结构具有必要的承载能力、刚度和延性。
5． GB 50017—2017《钢结构设计规范》
本规范适用于工业与民用房屋和一般构筑物的钢结构设计，其中，由冷弯成型钢材制作的构件及其连接应符合现行国家标准GB 50018—2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》的规定。

在钢结构设计文件中，应注明建筑结构的设计使用年限、钢材牌号、连接材料的型号(或钢号)和对钢材所要求的力学性能、化学成分及其他的附加保证项目。此外，还应注明所要求的焊缝形式、焊缝质量等级、端面刨平顶紧部位及对施工的要求。
6． GB 50003—2011《砌体结构设计规范》
为了贯彻执行国家的技术经济政策，坚持因地制宜、就地取材的原则，合理选用结构方案和建筑材料，做到技术先进、经济合理、安全适用、确保质量，制订本规范。本规范适用于建筑工程的下列砌体的结构设计，特殊条件下或有特殊要求的应按专门规定进行设计。
(1) 砖砌体，包括烧结普通砖、烧结多孔砖、蒸压灰砂砖、蒸压粉煤灰砖无筋和配筋砌体。
(2) 砌块砌体，包括混凝土、轻骨料混凝土砌块无筋和配筋砌体。
(3) 石砌体，包括各种料石和毛石砌体。

7． JGJ 92—2016《无粘结预应力混凝土结构技术规程》
本规程适用于工业与民用建筑和一般构筑物中采用的无粘结预应力混凝土结构的设计、施工及验收。采用的无粘结预应力筋系指埋置在混凝土构件中者或体外束。无粘结预应力混凝土结构设计应根据建筑功能要求和材料供应与施工条件，确定合理的设计与施工方案，编制施工组织设计，做好技术交底，并应由预应力专业施工队伍进行施工，严格执行质量检查与验收制度。
随着设计方法的演变，一般的设计过程都要对结构进行整体有限元分析，因此，就要借助计算机软件进行分析计算。在国内，常用的几种结构分析设计软件如下。
(1) PKPM结构设计软件
本系统是一套集建筑设计、结构设计、设备设计及概预算、施工软件于一体的大型建筑工程综合CAD系统。此系统采用独特的人机交互输入方式，使用者不必填写烦琐的数据文件。输入时用鼠标或键盘在屏幕勾画出整个建筑物。软件有详细的中文菜单指导用户操作，并提供了丰富的图形输入功能，可以有效地帮助输入。实践证明，这种方式设计人员容易掌握，而且比传统的方法可提高效率十几倍。
其中结构类包含17个模块，涵盖了结构设计中的地基、板、梁、柱、钢结构、预应力等方面。本系统具有先进的结构分析软件包，容纳了国内最流行的各种计算方法，如平面杆系、矩形及异形楼板、高层三维壳元及薄壁杆系、梁板楼梯及异形楼梯、各类基础、砖混及底框、钢结构、预应力混凝土结构分析等。全部结构计算模块均按新的设计规范编制，全面反映了新规范要求的荷载效应组合，设计表达式，抗震设计新概念要求的强柱弱梁、强剪弱弯、节点核心、罕遇地震以及考虑扭转效应的振动耦联计算方面的内容。
同时，本系统具有丰富和成熟的结构施工图辅助设计功能，可完成框架、排架、连梁、结构平面、楼板配筋、节点大样、各类基础、楼梯、剪力墙等施工图绘制，并在自动选配钢筋，按全楼或层、跨剖面归并，布置图纸版面，人机交互干预等方面独具特色。在砖混计算中可考虑构造柱共同工作，可计算各种砌块材料，底框上砖房结构CAD适用于任意平面的一层或多层底框。可绘制钢结构平面图、梁柱及门式钢架施工详图、桁架施工图。
(2) SAP2000结构分析软件
SAP2000是CSI开发的独立的基于有限元的结构分析和设计程序。它提供了功能强大的交互式用户界面，带有很多工具以帮助快速和精确创建模型，同时具有分析最复杂工程所需的分析技术。
SAP2000是面向对象的，即用单元创建模型来体现实际情况。一个与很多单元连接的梁用一个对象建立，和现实世界一样，与其他单元相连接所需要的细分由程序内部处理。分析和设计的结果对整个对象产生报告，而不是对构成对象的子单元，信息提供更容易解释并且和实际结构更协调。
(3) ANSYS有限元分析软件
ANSYS有限元分析软件主要包括3个部分： 前处理模块、分析计算模块和后处理模块。
前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户通过它可以方便地构造有限元模型； 分析计算模块可进行结构分析(可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析)、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力； 后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流显示、立体切片显示、透明及半透明显示(可看到结构内部)等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。
ANSYS提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC、SGI、HP、SUN、DEC、IBM、CRAY等。
(4) TBSA系列程序
TBSA系列程序由中国建筑科学研究院高层建筑技术开发部研制而成，主要是针对国内高层建筑而开发的分析设计软件。
TBSA、TBWE为多层及高层建筑结构三维空间分析软件，分别采用空间杆薄壁柱模型和空间杆墙组元模型，完成构件内力分析和截面设计。
TBSAF为建筑结构地基基础分析软件，可计算独立桩、条形、交叉梁系、筏板(平板和梁板)和箱形基础，以及桩与各种承台组成的联合基础； 按相互作用原理，结合国家规范，采用有限元法分析； 根据不同地基模式和土的塑性性质、深基坑回弹和补偿、上部结构刚度影响、刚性板和弹性板以及变厚度板来计算； 输出结果完善，有表格和平面简图等表达方式。

1．2土木建筑结构设计要点
对于一个建筑物，首先要进行建筑方案设计，其次才能进行结构设计。结构设计不仅要注意安全性，同时还要关注经济合理性，而后者恰恰是投资方所关心的，因此结构设计必须经过若干方案的计算比较，其结构计算量几乎占结构设计总工作量的一半。

1．2．1结构设计的基本过程
为了更加有效地做好建筑结构设计工作，应遵循以下步骤。
(1) 在建筑方案设计阶段，结构专业应该关注并适时介入，给建筑专业设计人员提供必要的合理化建议，积极主动地改变被动地接受不合理建筑方案的局面。只要结构设计人员摆正心态，尽心为完成更完美的建筑创作出主意、想办法，建筑师是会认同的。
(2) 建筑方案设计阶段的结构配合。应选派有丰富结构设计经验的设计人员参与，由其及时给予指点和提醒，避免不合理的建筑方案直接面对投资方。如果建筑方案新颖且可行，只是造价偏高，就需要结构专业提前进行必要的草算，做出大概的造价分析以提供建筑专业和投资方参考。

(3) 建筑方案一旦确定，结构专业应及时配备人力，对已确定的多方面方案进行多方面比较，其中包括竖向及抗侧力体系、楼屋面结构体系以及地基基础的选型等，通过结构专业参加人员的广泛讨论，选择既安全可靠又经济合理的结构方案作为实施方案，必要时应向建筑专业及投资方作全面的汇报。
(4) 结构方案确定后，作为结构工种(专业)负责人，应及时起草本工程结构设计的统一技术条件，其中包括工程概况、设计依据、自然条件、荷载取值及地震作用参数、结构选型、基础选型、所采用的结构分析软件及版本、计算参数取值以及特殊结构处理等，以此作为结构设计组共同遵守的设计条件，增加协调性和统一性。
(5) 加强设计组人员的协调和组织。每个设计人员都有其优势和劣势，作为结构工种负责人，应详细掌握每个设计人员的素质情况，在责任划分与分工时要以能调动起大家的积极性和主动性为前提，充分发挥出每个设计人员的智慧和能力，集思广益。设计中的难点问题的提出与解决应经大家讨论，群策群力，共同完成。
(6) 为了在有限的设计周期内完成繁重的结构设计工作量，应注意合理安排时间，结构分析与制图最好同步进行，以便及时发现问题及时解决问题，同时可以为其他专业资料提前做好准备。当结构布置作为资料提交各专业前，结构工种负责人应进行全面校审，以免给其他专业造成误解和返工。
(7) 基础设计在初步设计期间应尽量考虑完善，以满足提前出图要求。
(8) 计算与制图的校审工作应尽量提前介入，尤其对计算参数和结构布置草图等，一定要经校审后再实施计算和制图工作，只有保证设计前提的正确才能使后续工作顺利有效地进行，同时避免带来本专业内的不必要返工。
(9) 校审系统的建立与实施也是保证设计质量的重要措施，结构计算和图纸的最终成果必须至少有三个不同设计人员经手，即设计人、校对人和审核人，而每个不同类别的设计人员都应有相应的资质和水平要求。校审记录应有设计人、校审人和修改人签字并注明修改意见，校审记录随设计成果资料归档备查。
(10) 建筑结构设计过程中，难免存在某个单项的设计分包情况，对此应格外慎重对待。首先要求承担分包任务的设计方必须具有相应的设计资质、设计水平和资源，签订单项分包协议，明确分包任务，提出问题和成果要求，明确责任分工以及设计费用和支付方法等，以免造成设计混乱，出现问题后责任不清。