時(shí)間：2022-08-26 22:25:11
序論：在您撰寫建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)論文時(shí)，參考他人的優(yōu)秀作品可以開闊視野，小編為您整理的7篇范文，希望這些建議能夠激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，引導(dǎo)您走向新的創(chuàng)作高度。
1、現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)抗震（理論）技術(shù)存在的錯(cuò)誤：世界各國(guó)采用的抵抗地震破壞的建筑物體的基本類型，都是以吸收地震能量為主的插入式整體結(jié)構(gòu)（對(duì)地球而言），即將建筑物的基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為絕對(duì)不可分割的剛體插入地球，因而建筑物抵抗地震破壞力的受力分析和設(shè)計(jì)，就不得不從結(jié)構(gòu)整體考慮建筑物的抗震性能，地震破壞力是通過(guò)土層和巖石沖擊建筑物的基礎(chǔ)并直接將沖擊力傳遞給上部結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)的作用力（荷載）加上地震產(chǎn)生的內(nèi)力又反作用于基礎(chǔ)，因而建筑物基礎(chǔ)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，應(yīng)是地震力和上部結(jié)構(gòu)反作用力的疊加。
地震破壞力是往覆水平剪切力，上部結(jié)構(gòu)的反作用力是垂直于地面的。這樣兩個(gè)方向互相垂直，并處于運(yùn)動(dòng)沖擊狀態(tài)的作用力，在一個(gè)平面上會(huì)交了。地震破壞力以強(qiáng)大的往覆水平推動(dòng)力，推動(dòng)著（抓住）建筑物基礎(chǔ)做水平往覆運(yùn)動(dòng)，因而很容易分析，在這兩種力的會(huì)交面上，實(shí)質(zhì)上形成了遠(yuǎn)大于地震破壞力的往覆剪切力。因此，建筑物的抗震能力在插入式整體結(jié)構(gòu)中是很難達(dá)到實(shí)際抗震設(shè)計(jì)要求的，現(xiàn)在的建筑物一般都是偏于保守的理想設(shè)計(jì)和建造，因而投資也在大大增加，即便如此，在實(shí)際的地震災(zāi)害中，建筑物受破壞的程度依然是很嚴(yán)重的，進(jìn)而也無(wú)法擺脫和減輕地震災(zāi)害，給人民的生命和財(cái)產(chǎn)造成的巨大損失。
歷史的教訓(xùn)足已充分說(shuō)明，插入式建筑結(jié)構(gòu)體系受到了嚴(yán)峻的檢驗(yàn)，即似地球?yàn)橄喈?dāng)好的慣性參考系，又將建筑物體插入地球，形成不可分割的剛體。在過(guò)去的年代，建筑物還處于低層范圍時(shí)，問題還不嚴(yán)重，而在現(xiàn)代化高層、重型建筑中，仍然是采用插入式剛箍捆住內(nèi)力的結(jié)構(gòu)，在實(shí)際的地震災(zāi)害中存在著嚴(yán)重的隱患。插入式整體建筑物結(jié)構(gòu)體系在正常情況下，即非地震靜止?fàn)顟B(tài)，是沒有問題，而在地震災(zāi)害爆發(fā)時(shí)，插入式整體建筑物體系的結(jié)構(gòu)受力傳力路線明顯發(fā)生混亂，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的極其重要的力學(xué)原則：
（1）、不論在任何情況下，結(jié)構(gòu)的傳力路線必須清楚。
（2）、以當(dāng)?shù)氐淖畈焕饨缫蛩貫樵O(shè)計(jì)依據(jù)，如很多地區(qū)必須考慮可能發(fā)生的最大地震破壞力。這就是說(shuō)建筑物抵抗地震破壞的正確條件是：運(yùn)動(dòng)中建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)力的傳遞必須正確、清楚。
插入式整體建筑結(jié)構(gòu)在地震時(shí)，將地震破壞力直接傳遞給上部結(jié)構(gòu)，使上部結(jié)構(gòu)發(fā)生搖晃，由于上部結(jié)構(gòu)是剛箍捆住內(nèi)力的結(jié)構(gòu)，因而在搖晃中產(chǎn)生的巨大能量沒有釋放點(diǎn)，而被迫返回基礎(chǔ)，地震又很快的不斷的沖擊建筑物的基礎(chǔ)，向上部結(jié)構(gòu)輸送地震能量。這樣上部結(jié)構(gòu)返回的作用力，同基礎(chǔ)傳來(lái)的地震內(nèi)力發(fā)生沖撞，沖撞最厲害的集中點(diǎn)，就是能量集中釋放的突破點(diǎn)，也是結(jié)構(gòu)的破壞點(diǎn)，通常都在基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)的交面上，破壞的形式是剪切破壞，而整個(gè)建筑物不是倒塌就是傾斜。
目前，許多國(guó)家在高層建筑的抗震設(shè)計(jì)方案中，已經(jīng)出現(xiàn)了新的結(jié)構(gòu)，如：美國(guó)紐約的42層高層建筑物，建在于基礎(chǔ)分離的98個(gè)橡膠彈簧上，日本的建在弧型鋼條上防地震建筑物，前蘇聯(lián)的建在與基礎(chǔ)分離的沙墊層上的建筑物，以及在中國(guó)已經(jīng)獲得了美國(guó)、中國(guó)和英國(guó)發(fā)明專利權(quán)的，剛?cè)嵝愿粽?、減震、消震建筑結(jié)構(gòu)與抗震低層樓房加層結(jié)構(gòu)，都十分成功的應(yīng)用于工程實(shí)踐中，都明顯的在建筑結(jié)構(gòu)體型上，改變了傳統(tǒng)的插入式剛箍捆住內(nèi)力（吸收地震能量）的結(jié)構(gòu)體系?？傊荚诮ㄖO(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)方面設(shè)法擺脫在地震災(zāi)害時(shí)，嚴(yán)重威脅著人們的生命安全的插入式剛箍捆住內(nèi)力的結(jié)構(gòu)體系。其實(shí)質(zhì)都反映了對(duì)“似地球?yàn)橄喈?dāng)好的慣性參考系”為指導(dǎo)理論，所制定的現(xiàn)行抗震硬抗、死抗地震打擊設(shè)計(jì)規(guī)范的動(dòng)搖，本質(zhì)上也是改變了建筑結(jié)構(gòu)受力體系，而不在似地球?yàn)榻^對(duì)靜止不動(dòng)的慣性參考系了。
1、現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)與地震場(chǎng)地效應(yīng)的問題現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，是根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)和建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)而來(lái)的。結(jié)構(gòu)力學(xué)和結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，將地震破壞力簡(jiǎn)化并規(guī)定為在建筑物上部結(jié)構(gòu)中的水平運(yùn)動(dòng)力，對(duì)建筑物的水平作用力與反作用力的硬抗平衡，這一規(guī)定實(shí)質(zhì)上存在著嚴(yán)重的問題和錯(cuò)誤。
其一：地震爆發(fā)時(shí)，首先是大地在做往覆水平運(yùn)動(dòng)，由于建筑物基礎(chǔ)插入大地，因而必然隨大地的往覆水平運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，建筑物上部結(jié)構(gòu)也因此被迫運(yùn)動(dòng)，但是建筑物上部結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)形式不是水平運(yùn)動(dòng)（因而根本就沒有受水平的作用），而是因基礎(chǔ)在受地震水平力運(yùn)動(dòng)中，產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)力傳遞到上部結(jié)構(gòu)，迫使上部結(jié)構(gòu)沿地震受力方向，作反方向S形式傾斜擺動(dòng)；
其二：地震爆發(fā)時(shí)的沖擊波只有兩個(gè)方向，而現(xiàn)在所有城市的建筑物的規(guī)劃設(shè)計(jì)，是根據(jù)城市的道路按東西南北方向和建設(shè)的需要各自排列的。將建筑物上部結(jié)構(gòu)視為受水平運(yùn)動(dòng)，也只能有30%的建筑物的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)受力方向與地震沖擊波受力方向相同，而70%的建筑物的抗震設(shè)計(jì)受力方向與實(shí)際地震沖擊波的沖擊方向，處于非常不利的位置，當(dāng)?shù)卣鸨l(fā)時(shí)，只有少數(shù)正好與地震沖擊波方向協(xié)調(diào)一致的建筑物不一定破壞，而大多數(shù)與地震沖擊波方向不一致的建筑物，自然就很難逃脫地震沖擊破壞倒塌的后果。地震對(duì)建筑物的沖擊破壞，主要是對(duì)建筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生的水平往覆沖擊剪切力，從而使基礎(chǔ)被沖擊破壞失去穩(wěn)定后，造成上部建筑物的破壞和倒塌，地震沖擊波首先是破壞了基礎(chǔ)，而不是破壞上部建筑結(jié)構(gòu)，所謂萬(wàn)丈高樓從地（基）起，就是這個(gè)道理?；A(chǔ)都破壞了，上部建筑自然就保不住了；
其三：城市中建筑物的類型是多種多樣的，主要反映在超高層、高層、多層和輕重型建筑之分，而這些不同類型的建筑，又以基礎(chǔ)深度的差別體現(xiàn)在地震沖擊波的大小上，基礎(chǔ)越深、越大，受地震沖擊波的沖擊自然很大，在加上城市地下建筑設(shè)施不少（如：地下建筑、地鐵、地下大型管道等），都是構(gòu)成城市地震場(chǎng)地效應(yīng)發(fā)生互相變化的種種直接因素?，F(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)中，都沒有考慮地下建筑設(shè)施的自身抗震，以及對(duì)地面建筑物基礎(chǔ)和地基的地震場(chǎng)地效應(yīng)所產(chǎn)生的嚴(yán)重問題。
2、現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)抗震樁基設(shè)計(jì)與地震場(chǎng)地效應(yīng)的嚴(yán)重問題現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)中的樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)有兩種類型，一種是端承樁類型，另一種是摩擦樁類型。端承樁是將深層的地基反作用力通過(guò)樁傳遞給地面，構(gòu)成對(duì)上部建筑物作用力（壓力）的平衡。摩擦樁是通過(guò)樁基礎(chǔ)與一定深度的地基土層十分緊密的擠壓結(jié)合中產(chǎn)生足夠的反作用力，通過(guò)樁傳遞到地面，構(gòu)成對(duì)上部建筑物的作用力（壓力）的平衡。這里必須指出的是，這兩種類型的樁基礎(chǔ)在對(duì)上部建筑物的作用力（壓力）構(gòu)成平衡的充分條件是：靜力荷載，即在沒有外力的作用下成立的。
在端承樁中，端樁是反作用力的頂點(diǎn)，樁身是傳遞反作用力的通道，樁身四周的土層是給樁身起到了極其重要的穩(wěn)定作用，由此，可以定義：樁端的承載力，樁身的強(qiáng)度是和樁身四周的土層構(gòu)成了端樁基礎(chǔ)的整體，缺一不可。
在摩擦樁中，樁身的強(qiáng)度與樁身四周土層緊密擠壓所產(chǎn)生的反作用力，構(gòu)成了摩擦樁基礎(chǔ)的整體，也是缺一不可的。這兩種類型的樁基礎(chǔ)在地震爆發(fā)時(shí)，強(qiáng)大的地震水平往覆沖擊波，完全改變了上述狀態(tài)，使端承樁在地震沖擊波中，使端承樁的承載力發(fā)生水平往覆運(yùn)動(dòng)，不但失去對(duì)樁身的穩(wěn)定，反而對(duì)樁身構(gòu)成了往覆水平?jīng)_擊，其結(jié)果：端承樁不是破壞，就是下沉失穩(wěn)。隨著端承樁的破壞和失穩(wěn)，建筑物上部結(jié)構(gòu)自然也就處于破壞倒塌的危險(xiǎn)境地，而摩擦樁的危險(xiǎn)就來(lái)的更快了，地震沖擊波迫使摩擦樁樁身必須與四周土層與樁基松開，失去摩擦樁身必須與四周土層緊密擠壓的必要條件，并且土層對(duì)樁身構(gòu)成水平?jīng)_擊力，隨著摩擦樁中四周土層與樁身摩擦力的解除和改變，樁不是破壞就是失穩(wěn)，其上部建筑物隨之處于時(shí)刻會(huì)破壞和倒塌的危險(xiǎn)之中。
3、現(xiàn)行予應(yīng)力建筑結(jié)構(gòu)在地震中的嚴(yán)重問題所謂予應(yīng)力建筑結(jié)構(gòu)，是人為的在建筑結(jié)構(gòu)的主要承力構(gòu)件中，對(duì)主要承力構(gòu)件中混凝土施加予應(yīng)力，一般是通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)中承力構(gòu)件的鋼筋進(jìn)行張拉，利用鋼筋的回彈力擠壓混凝土來(lái)實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)對(duì)承力構(gòu)件中鋼筋的張拉，與混凝土的先后關(guān)系，又可分為先張法和后張法兩大類。
從建筑結(jié)構(gòu)中的予應(yīng)力構(gòu)件，到予應(yīng)力結(jié)構(gòu)的發(fā)展，已經(jīng)有較長(zhǎng)的時(shí)間了，在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用予應(yīng)力構(gòu)件和發(fā)展予應(yīng)力結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，在很多城市的建設(shè)中，得到了較廣泛的應(yīng)用。在城市建設(shè)和發(fā)展中，推廣和應(yīng)用予應(yīng)力構(gòu)件和予應(yīng)力結(jié)構(gòu)，的確能起到一定的積極作用。但是，有一個(gè)十分重要的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問題需要特別注重，所謂建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方面的問題，也就是地震爆發(fā)時(shí)，地震沖擊波迫使建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)的動(dòng)態(tài)反應(yīng)，地震沖擊波沖擊建筑結(jié)構(gòu)，使其產(chǎn)生的內(nèi)力在結(jié)構(gòu)中傳遞，而予應(yīng)力構(gòu)件和予應(yīng)力結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型是：1）予應(yīng)力張拉兩端的固端成支座，是不允許有任何改變的；2）予應(yīng)力構(gòu)件或予應(yīng)力結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中，其構(gòu)件和結(jié)構(gòu)是不允許發(fā)生水平推動(dòng)，振動(dòng)彎曲和上下振動(dòng)的。也就是說(shuō)，予應(yīng)力構(gòu)件和予應(yīng)力結(jié)構(gòu)，只有在沒有任何外力的情況下，才能達(dá)到予應(yīng)力構(gòu)件和予應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的使用要求。因此可以定義：予應(yīng)力構(gòu)件和予應(yīng)力結(jié)構(gòu)的安全使用條件，是不能承受任何外力（尤其是地震沖擊力）的靜力使用狀態(tài)。
地震沖擊波在建筑結(jié)構(gòu)中，將無(wú)情的迫使建筑結(jié)構(gòu)中的所有梁、柱、板、墻體等受力構(gòu)件發(fā)生變形，即地震沖擊力能完全改變予應(yīng)力構(gòu)件和予應(yīng)力結(jié)構(gòu)的兩端邊界條件，使其構(gòu)件和結(jié)構(gòu)中的予應(yīng)力償失。任何在使用中的予應(yīng)力構(gòu)件和予應(yīng)力結(jié)構(gòu)，當(dāng)予應(yīng)力衰退和償失后，其構(gòu)件和結(jié)構(gòu)必然破壞。因此，在地震設(shè)防城市的建設(shè)中，是不能使用予應(yīng)力構(gòu)件和予應(yīng)力結(jié)構(gòu)的。但是，現(xiàn)在許多城市的建設(shè)中都使用了予應(yīng)力結(jié)構(gòu)，這是十分危險(xiǎn)的。因此，應(yīng)盡快在地震爆發(fā)之前，采取補(bǔ)救措施，否則，后果一定是十分嚴(yán)重的。
綜上所述，現(xiàn)行世界各國(guó)所實(shí)行的建筑結(jié)構(gòu)體系，是與地震沖擊波相對(duì)抗、硬抗（死抗）的捆住地震內(nèi)力的結(jié)構(gòu)體系。從結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)平衡的根本原理來(lái)分析，這種與地震力相對(duì)抗的結(jié)構(gòu)體系的靜態(tài)平衡在地震中完全破壞了。也就是說(shuō)，現(xiàn)行的建筑結(jié)構(gòu)體系，只能滿足靜態(tài)（無(wú)地震沖擊波）狀況下的作用力與反作用力的平衡。當(dāng)?shù)卣鸨l(fā)時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)力的靜態(tài)平衡被破壞了。這就是現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)體系抵抗不了地震沖擊破壞的根本原因所在?，F(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，只是加大了建筑結(jié)構(gòu)的剛變，使其增加了對(duì)地震沖擊力的對(duì)抗力（死抗力），沒有從結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)平衡的基礎(chǔ)上去尋求，建筑結(jié)構(gòu)與地震沖擊波的動(dòng)態(tài)平衡，建立一個(gè)與地震內(nèi)力相適應(yīng)（不是相違背）的“釋放地震內(nèi)力的建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)平衡體系”。
總之，幾百年來(lái)，人類所推行的靜態(tài)（加大剛度）的建筑結(jié)構(gòu)體系，違背了地球地震的客觀規(guī)律。因此，給人類自己造成了巨大的災(zāi)難。人類為了在地球上更好的生存和發(fā)展下去，就得從根本上解決適應(yīng)地球地震客觀規(guī)律的建筑結(jié)構(gòu)體系。因此，一種與地震力相適應(yīng)的“釋放地震內(nèi)力的建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)平衡體系”的動(dòng)態(tài)平衡的力學(xué)理論的建立，并制定新的建筑結(jié)構(gòu)釋放地震沖擊波的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（在也不是對(duì)抗的標(biāo)準(zhǔn)），將是人類發(fā)展的方向和目標(biāo)。
二、釋放地震內(nèi)力的建筑結(jié)構(gòu)體系1、釋放地震內(nèi)力建筑結(jié)構(gòu)體系的理論基礎(chǔ)我們從現(xiàn)代地球物理學(xué)家關(guān)于地球板快運(yùn)動(dòng)理論的力學(xué)分析中，以及對(duì)地震客觀規(guī)律的不斷揭示，更進(jìn)一步對(duì)地球的認(rèn)識(shí)，有了新的力學(xué)見解，我們認(rèn)為地球是一個(gè)在運(yùn)動(dòng)中自身求得內(nèi)力平衡的結(jié)構(gòu)體系，它有兩個(gè)階段的運(yùn)動(dòng)規(guī)律：
（1）、地球內(nèi)力的平衡階段：地球結(jié)構(gòu)體，在自轉(zhuǎn)和圍繞太陽(yáng)周轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，所產(chǎn)生的內(nèi)力，在平衡階段，地表運(yùn)動(dòng)處于內(nèi)力平衡，地球運(yùn)動(dòng)處于靜止?fàn)顟B(tài)，此階段可似地球?yàn)閼T性參考系階段。
（2）、地球結(jié)構(gòu)體系處于內(nèi)力平衡階段后，其內(nèi)力仍然在不斷的增加，而地球結(jié)構(gòu)體不能承受日益增大的內(nèi)力，而在運(yùn)動(dòng)中，通過(guò)地球板快的運(yùn)動(dòng)，地震和火山等形式釋放出來(lái)，以求得新的內(nèi)力平衡，這個(gè)階段是地表的活躍階段。其不斷增加的內(nèi)力將在地球內(nèi)力集中點(diǎn)釋放出來(lái)，此階段可似為非慣性參考階段。地球內(nèi)力平衡過(guò)程中的這兩個(gè)階段，在地球內(nèi)部不斷循環(huán)下去，形成了地球生態(tài)平衡的必然規(guī)律。
人類是在地球生態(tài)的環(huán)境中生存的，因此，人類必須遵循地球生態(tài)環(huán)境中的各種自然規(guī)律去發(fā)展。從人們開始認(rèn)識(shí)到對(duì)過(guò)去認(rèn)識(shí)的不足，即理論上的不足和錯(cuò)誤，又不斷的在生活實(shí)踐中，提高了對(duì)地球生態(tài)環(huán)境的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而不斷的揭示自然規(guī)律，掌握和運(yùn)用規(guī)律為現(xiàn)代人類和將來(lái)造福。應(yīng)該明確的指出，人類對(duì)地球認(rèn)識(shí)的提高和深化，其指導(dǎo)人類如何適應(yīng)地球生態(tài)的科學(xué)理論，也就隨之進(jìn)入了更高的階段。
2、釋放地震內(nèi)力建筑結(jié)構(gòu)體系新技術(shù)的應(yīng)用：已經(jīng)獲得中國(guó)、美國(guó)和英國(guó)發(fā)明專利權(quán)的新技術(shù)“建筑物抗震減震裝置”、“建筑物消震裝置”和“高層建筑隔震消能裝置”完全改變了傳統(tǒng)的插入式剛箍捆住地震內(nèi)力的建筑結(jié)構(gòu)體系，將建筑物整體有機(jī)的隔離成兩個(gè)受力體系，這樣地震破壞力的傳遞媒介改變了，由直接傳遞轉(zhuǎn)化為間接傳遞。不言而喻，“建筑物抗震減震裝置”將大大減少地震對(duì)上部結(jié)構(gòu)的沖擊，反之，上部結(jié)構(gòu)對(duì)基礎(chǔ)的作用力也大大減小。
新技術(shù)的設(shè)計(jì)依據(jù)是以柔克剛的動(dòng)態(tài)平衡原理，該技術(shù)的主要特點(diǎn)是：能十分有效的大大減弱地震災(zāi)害對(duì)建筑物的打擊破壞。目前，發(fā)展中國(guó)家和發(fā)達(dá)國(guó)家的科學(xué)家們?cè)谘芯康挚沟卣馂?zāi)害方面，都從過(guò)去只是單純考慮建筑結(jié)構(gòu)加大剛度的硬抗（死抗）方式，而向建筑結(jié)構(gòu)隔震減震的方面發(fā)展了。原因十分清楚，過(guò)去幾百年來(lái)建筑物硬抗地震災(zāi)害方法的不斷失敗，告訴和啟發(fā)人們要尋求一種適應(yīng)地震客觀規(guī)律的抗震方式。用一句通俗的話來(lái)講，以柔克剛，才能達(dá)到建筑物在地震沖擊中的動(dòng)態(tài)平衡，而不被破壞，反之，以硬抗來(lái)對(duì)抗地震的打擊，即以剛克剛設(shè)計(jì)的建筑物是根本抵抗不了地震的打擊的。因?yàn)槿藗冊(cè)O(shè)計(jì)建筑物的剛度，不可能達(dá)到（保證）比地震破壞力還要大得多的程度。否則現(xiàn)代的專家們?nèi)パ芯拷ㄖ锏南?、隔震與減震，不就失去意義了嗎？
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全問題是所有從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究的人們一生都要面對(duì)的問題，本文作者結(jié)合自己的工程設(shè)計(jì)實(shí)踐，簡(jiǎn)述了當(dāng)代建筑師的設(shè)計(jì)思維對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全所提出來(lái)的挑戰(zhàn)，并且，通過(guò)一個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師對(duì)當(dāng)今建筑設(shè)計(jì)潮流的感悟與認(rèn)識(shí)，提出了保障結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全所必須堅(jiān)持的基本原則。文章最后，對(duì)參與當(dāng)代中國(guó)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作者們提出了一些期望。
關(guān)鍵詞建筑表達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全建筑情感爭(zhēng)議結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐
■前言
一段時(shí)間以來(lái)，由法國(guó)巴黎戴高樂機(jī)場(chǎng)2E侯機(jī)廳通道部分倒塌事故引起的對(duì)結(jié)構(gòu)安全問題的討論成為業(yè)界甚至各種傳媒的熱門話題，由之引起的對(duì)國(guó)家大劇院以及各奧運(yùn)在建項(xiàng)目進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全再認(rèn)識(shí)的聲音也不時(shí)傳起。特別是對(duì)正在設(shè)計(jì)施工中的奧運(yùn)項(xiàng)目，按照政府決策部門的意見，建設(shè)單位組織結(jié)構(gòu)有關(guān)專家逐個(gè)項(xiàng)目地進(jìn)行了更為嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全評(píng)估。
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全是我們所有從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究工作者必須面對(duì)和回答的問題，巴黎戴高樂機(jī)場(chǎng)事故是結(jié)構(gòu)在其設(shè)計(jì)使用壽命初期（投入運(yùn)營(yíng)一年），在常規(guī)荷載作用（沒有恐怖襲擊、沒有惡劣的區(qū)域突發(fā)自然災(zāi)害）的情況下發(fā)生的，就是說(shuō)，一定是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或施工的某個(gè)環(huán)節(jié)給結(jié)構(gòu)留下了致命的內(nèi)部缺陷才造成的，這一缺陷既可能是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論方面的，也可能是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)造方面的，既可能是結(jié)構(gòu)材料使用方面的，還可能是建造過(guò)程中的施工質(zhì)量控制方面的，等等。無(wú)論什么原因，這種結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)都是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則所不允許的，引起我們的警覺也是應(yīng)該的。
另一方面，我們也還是應(yīng)該理性地、科學(xué)地、全面地分析和把握結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全問題。其實(shí)，追溯人類改造自然、改造世界的歷史足跡，我們還是有理由對(duì)當(dāng)代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和建造技術(shù)的發(fā)展水平感到自豪的。雖然我們現(xiàn)在感覺是越來(lái)越累，越來(lái)越難，但是在力學(xué)和材料科學(xué)發(fā)展的有力支撐下，我們所從事的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建造技術(shù)的發(fā)展還是基本上滿足了那些滿腦子求新求奇，求高求廣的所謂當(dāng)代建筑師的表達(dá)欲望與需求的。
■世界上沒有自由的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師，但假如沒有我們，也就沒有建筑表達(dá)的自由
建筑師設(shè)計(jì)東西，無(wú)非表達(dá)兩種需求，一種是傳統(tǒng)意義上的功能需求，另外一種就是表達(dá)建筑情感，或者說(shuō)是通過(guò)建筑表達(dá)情感。這種情感表達(dá)方面的需求可能是來(lái)自公眾的，也可能是來(lái)自政府或領(lǐng)導(dǎo)意志的，還可能就是直接來(lái)自建筑師的美學(xué)修為的。建筑師可以利用建筑特有的元素，比如建筑材料的材質(zhì)、裝飾材料的色彩等進(jìn)行其建筑情感的表達(dá)，但是這種表達(dá)的效果和能力是有限的，建筑師更重要的手段則是借助結(jié)構(gòu)的能力完成這一表達(dá)需求，從這個(gè)意義上說(shuō)，建筑師豐富的想象力既給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了課題、帶來(lái)了挑戰(zhàn)，同時(shí)也就給結(jié)構(gòu)工程師帶來(lái)了風(fēng)險(xiǎn)。
國(guó)家大劇院超大超深的地下結(jié)構(gòu)體量，橢球拋物面殼體屋頂和圍繞殼體的環(huán)形水池都是安得魯實(shí)現(xiàn)其劇院功能需求與其情感表達(dá)需求的手法和元素。為了在不超越人民大會(huì)堂的限定高度內(nèi)，完成劇場(chǎng)功能對(duì)豎向尺度的需求，“深入地下”是其自然的（也許是無(wú)奈的）選擇；橢球拋物面殼體屋頂罩住其下的三個(gè)功能劇場(chǎng)是建筑師進(jìn)行區(qū)域空間整和的一種手段，在這塊區(qū)域上的建筑物進(jìn)行這樣的整和處理我認(rèn)為是必要的；建筑師設(shè)置環(huán)形水池的目的在于其制造區(qū)域?qū)庫(kù)o氣氛的需要，這種建筑情感表達(dá)上的需求也是必要的。
國(guó)家大劇院總平面圖
同樣的，在建的國(guó)家體育場(chǎng)（簡(jiǎn)稱“鳥巢”）以及國(guó)家游泳中心（簡(jiǎn)稱“水立方”）等標(biāo)志性建筑，她們不單單是承載著滿足舉辦奧運(yùn)會(huì)各單項(xiàng)體育功能方面的需求，也還要承載著通過(guò)其“別樣”的建筑形象來(lái)表達(dá)全國(guó)人民百年奧運(yùn)夢(mèng)想成真的情感需求，承載著要為最出色的一屆奧運(yùn)會(huì)留下最出色的“建筑遺產(chǎn)”的使命。
自然的，建筑師是無(wú)法單獨(dú)承擔(dān)這樣的使命的，必須依靠結(jié)構(gòu)工程師的支持來(lái)實(shí)現(xiàn)其“特別”的表達(dá)需求。或者說(shuō)，結(jié)構(gòu)工程師在這個(gè)時(shí)侯是沒有選擇的自由的，只有絞盡腦汁為建筑師的這種需求尋找“解決方案”，于是，百年之前的理論物理學(xué)命題“泡沫理論”被結(jié)構(gòu)師拿來(lái)經(jīng)過(guò)有趣的數(shù)學(xué)變換，最終成了表達(dá)建筑師“看似無(wú)序的水分子結(jié)構(gòu)”的最好載體。
國(guó)家游泳中心總平面圖
■建筑結(jié)構(gòu)形式的爭(zhēng)議多半不是“好與不好”的問題，而是“值與不值”的問題
為了滿足建筑師們的“浪漫”需求，在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成方式無(wú)能為力的時(shí)候，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師就必須探索新的、非傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成方式。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的基本形式，可以說(shuō)已經(jīng)被我們認(rèn)識(shí)的差不多了，但是，這種說(shuō)法只是限于基本體系，并不意味著創(chuàng)造新的結(jié)構(gòu)形態(tài)可能性的減少，在擁有無(wú)限多樣的物種的豐富多彩的世界里，限定結(jié)構(gòu)形態(tài)的類型顯然是不恰當(dāng)?shù)摹?/p>
結(jié)構(gòu)工程師的任務(wù)就是在既要保證結(jié)構(gòu)安全同時(shí)又要滿足建筑美學(xué)需求的杠桿上尋找一個(gè)平衡點(diǎn)。只是，世界上終究沒有免費(fèi)的午餐，當(dāng)各種或是張揚(yáng)的、或是陌生的結(jié)構(gòu)形態(tài)出現(xiàn)的時(shí)候，在結(jié)構(gòu)材料科學(xué)還沒有長(zhǎng)足的發(fā)展的時(shí)候，在我們還不得不用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料去實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)個(gè)“浪漫”的需求的時(shí)候，對(duì)結(jié)構(gòu)安全的關(guān)注也就從來(lái)沒有象現(xiàn)在這樣引起一端又一端的“爭(zhēng)議”。
從一個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究工作者的角度看待這些“爭(zhēng)議”，我認(rèn)為很多時(shí)候我們是可以在力學(xué)或規(guī)范的原則內(nèi)尋找到這個(gè)“平衡點(diǎn)”的，隨后的問題是，這會(huì)要我們付出多大的“代價(jià)”，或者說(shuō)要我們支付多大的“結(jié)構(gòu)成本”？我認(rèn)為對(duì)這個(gè)我們要支付的成本“值與不值”的不同看法是對(duì)建筑結(jié)構(gòu)形式“爭(zhēng)議”的焦點(diǎn)問題。
其實(shí)，作為一個(gè)結(jié)構(gòu)工程師，常常是不能判斷建筑的形象與情感“效益”與結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的“成本”之間到底誰(shuí)高誰(shuí)底的，因?yàn)榍罢呤呛茈y量化的。我們所能做的就是在保證建筑功能與美學(xué)需求的諸種可選擇的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方式中找到成本較低的解決方案。
國(guó)家游泳中心南北剖面圖
國(guó)家大劇院南北剖面圖
例如，在國(guó)家大劇院工程結(jié)構(gòu)的第一輪初步設(shè)計(jì)時(shí)，法國(guó)ADP公司確定的結(jié)構(gòu)底板的頂面標(biāo)高為-26.0米，這個(gè)標(biāo)高受到了中國(guó)建筑與結(jié)構(gòu)工程師的質(zhì)疑，如此深的基槽，且不說(shuō)開挖與降水的成本會(huì)很高，結(jié)構(gòu)壽命期內(nèi)的抗浮設(shè)計(jì)成本更是一項(xiàng)很大的投入，為此，我們建議在保證其建筑功能需要的前提下，盡可能提高建筑底面標(biāo)高，法方在修改后的初步設(shè)計(jì)中將這一標(biāo)高提高到了-22.0米。
與上述情形相反，國(guó)家游泳中心工程的建筑設(shè)計(jì)由于采用了ETFE雙層充氣膜，這種膜材的造價(jià)很高，所以，在相對(duì)深挖（增加基礎(chǔ)開挖與結(jié)構(gòu)抗浮成本）和抬升建筑總高度（增加圍護(hù)膜材的用量）的比較選擇中建筑師完全依賴的就是綜合成本最小化的原則。
■結(jié)構(gòu)工程師要給浪漫的建筑師和建筑師的浪漫設(shè)定一條底線
作為一名結(jié)構(gòu)工程師，我們還應(yīng)該清醒地認(rèn)識(shí)到，結(jié)構(gòu)科學(xué)和材料科學(xué)的發(fā)展遠(yuǎn)沒有達(dá)到可以令建筑師們的“浪漫思維”無(wú)約無(wú)束的境地。在實(shí)際結(jié)構(gòu)的建造過(guò)程中影響結(jié)構(gòu)安全的因素眾多，一方面，建筑結(jié)構(gòu)理論歸根結(jié)底是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，理論與實(shí)際的偏差不可避免，另一方面，建造技術(shù)的發(fā)展水平和區(qū)域差異以及施工質(zhì)量控制等等方面的諸多因素，都會(huì)給實(shí)際建造完成的建筑結(jié)構(gòu)安全性能帶來(lái)某種程度的不確定性。
所以，建筑師們?cè)谕ㄟ^(guò)建筑表達(dá)其美學(xué)或情感需求的時(shí)候，結(jié)構(gòu)工程師們還是要給他們?cè)O(shè)定一條底線。這條底線不僅依賴于當(dāng)代人類對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)水平，而且還依賴于現(xiàn)代結(jié)構(gòu)技術(shù)與材料科學(xué)的發(fā)展水平，依賴于結(jié)構(gòu)分析技術(shù)的發(fā)展水平。在某種程度上，我們可以允許他們突破某些“規(guī)范”條文的底線，但是不能允許他們突破“基本力學(xué)準(zhǔn)則”的底線。尤其是當(dāng)我們面對(duì)國(guó)外建筑師的時(shí)候，這一點(diǎn)做起來(lái)很難，譬如在和安德魯?shù)姆▏?guó)ADP團(tuán)隊(duì)合作設(shè)計(jì)國(guó)家大劇院的過(guò)程中，我們就經(jīng)歷了多次的“爭(zhēng)執(zhí)與說(shuō)服”的過(guò)程。
國(guó)家游泳中心的設(shè)計(jì)過(guò)程也給了我們很多啟示，在建筑師浪漫的創(chuàng)意和結(jié)構(gòu)的可實(shí)現(xiàn)之間還是有較長(zhǎng)的一段路要走的，因此，我們投入很多精力進(jìn)行了這種新型多面體空間鋼框架結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究，最終才可以保證這種結(jié)構(gòu)的安全、可靠。
鋼骨架結(jié)構(gòu)效果
ETFE充氣枕結(jié)構(gòu)
■不能認(rèn)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)造性是永遠(yuǎn)的矛盾
實(shí)際上，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性的憂慮往往會(huì)束縛住我們結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)造性探索的步伐，雖然這種憂慮不是多余的。發(fā)生巴黎機(jī)場(chǎng)結(jié)構(gòu)倒塌事故后，我們聽到的幾乎都是對(duì)安德魯主持設(shè)計(jì)的建筑的一片懷疑之聲，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師們，尤其是從事重要公共建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工程師們更是增添了更多的謹(jǐn)慎與小心。
我認(rèn)為，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)始終是：按照建筑的功能與美學(xué)需求確定安全、合理的結(jié)構(gòu)體系；進(jìn)而依據(jù)建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)所確定的原則對(duì)結(jié)構(gòu)作用效應(yīng)與結(jié)構(gòu)抗力進(jìn)行符合結(jié)構(gòu)實(shí)際工作條件（性能）的分析；最終應(yīng)做到在規(guī)定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，在現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的各種荷載作用下，所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)是安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)的。
為了實(shí)現(xiàn)這樣的使命，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全的自始至終的關(guān)切無(wú)疑是必要的，另一方面，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)造性不但是當(dāng)今建筑設(shè)計(jì)發(fā)展的必然要求，同時(shí)也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)自身發(fā)展的要求。國(guó)家大劇院、國(guó)家體育場(chǎng)、國(guó)家游泳中心以及新中央電視臺(tái)等建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的創(chuàng)造性探索可以為我們跟蹤當(dāng)今世界先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念提供一些線索，也可以讓我們檢視一下很多經(jīng)驗(yàn)的、傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思維是否還適應(yīng)現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展的要求。
“水立方”內(nèi)外效果圖
1.1剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的概述
通常來(lái)說(shuō)，一般剪力墻結(jié)構(gòu)的建設(shè)規(guī)模較大，可實(shí)際厚度較小。因此，這種特點(diǎn)也決定了剪力墻結(jié)構(gòu)的具體形狀以及承受能力的大小。其中，剪力墻結(jié)構(gòu)的組織形狀相似于板狀，自身具備了較高的承受能力，與柱子的受力程度非常相似。然而，在其他方面上，這兩者有著十分明顯的差異。并且，剪力墻結(jié)構(gòu)是建筑結(jié)構(gòu)中不可或缺的核心部分，設(shè)計(jì)人員在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要充分發(fā)揮剪力墻結(jié)構(gòu)固有的承載力大和平面內(nèi)剛度大的優(yōu)點(diǎn)，還應(yīng)該按照不同場(chǎng)所要求，設(shè)計(jì)出科學(xué)合理的剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，使其發(fā)揮最大化的使用性能。
1.2剪力墻結(jié)構(gòu)的分類
（1）雖然實(shí)體墻與截面剪力墻在某些方面，有著較大的差異?？墒?，這兩者的開通面積與不開通面積是基本相同的。并且，這種剪力墻結(jié)構(gòu)形式在發(fā)生變化時(shí)，也是呈現(xiàn)了曲線狀態(tài)，是一種固定不變的形態(tài)。
（2）即使剪力墻開口不大，但因?yàn)榧袅﹂_通面積已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了規(guī)定范圍。所以，此時(shí)的剪力墻結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)的是彎曲狀態(tài)，并且無(wú)任何的阻擋點(diǎn)，從而導(dǎo)致其位置和形態(tài)均發(fā)生了不同程度的變化。
2.剪力墻建筑結(jié)構(gòu)的厚度和長(zhǎng)度的選取
剪力墻墻肢截面的高度就是剪力墻墻肢的長(zhǎng)度，這個(gè)長(zhǎng)度一般不應(yīng)超過(guò)8m。在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)確保剪力墻結(jié)構(gòu)的延性，為了避免脆性的剪切破壞，可將高寬比大于2的細(xì)高剪力墻設(shè)計(jì)成彎曲破壞的延性剪力墻。但是有的墻體長(zhǎng)度很長(zhǎng)，為了確保墻體的高寬比值大于2，就要采取開設(shè)洞口的方法將長(zhǎng)墻分成均勻的、長(zhǎng)度較小的連肢墻，而其洞口則最好采用約束彎矩比較小的弱連梁。
3.剪力墻建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算的原則
設(shè)計(jì)人員在對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該遵守相應(yīng)的設(shè)計(jì)原則，真正做好考察工作，堅(jiān)決不可以采用盲目的設(shè)計(jì)方法。只有這樣，才能確保剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)范性，這也是保證建筑結(jié)構(gòu)安全可靠性的重要表現(xiàn)。
3.1樓層之間最小剪力系數(shù)的調(diào)整原則
一般情況下，為了防止安全隱患的發(fā)生，減輕建筑結(jié)構(gòu)的自身重量，設(shè)計(jì)人員在對(duì)建筑工程進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，可以采用減少剪力墻布置的方法。但是，這種設(shè)計(jì)形式有一個(gè)必要的前提條件，那就是短肢剪力墻的力矩必須保持在規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)要求內(nèi)。同時(shí)還可以應(yīng)用大開間的剪力墻結(jié)構(gòu)，以此來(lái)提高建筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，充分保證樓層剪力系數(shù)的安全性，并從一定程度上，大大降低了工程造價(jià)成本。
4.剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)建議
我們知道，剪力墻結(jié)構(gòu)作為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，其設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞將會(huì)對(duì)建筑工程建設(shè)質(zhì)量產(chǎn)生非常大的影響。而這種建筑結(jié)構(gòu)形式因?yàn)榫邆漭^高的強(qiáng)度以及良好的延展性的優(yōu)點(diǎn)，因此得到了十分廣泛的應(yīng)用，充分發(fā)揮了自身的有效價(jià)值。但是，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于建筑工程存在很多的不確定性，當(dāng)剪力墻結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的變化狀態(tài)時(shí)，常常會(huì)受到一些外力因素的破壞，使得剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能遭到了一定的影響，同時(shí)也大大降低了建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。一般情況下，剪力墻結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)是具備了十分理想的承載能力。并且，在剪力墻結(jié)構(gòu)的側(cè)面部分，也擁有著較大的平面內(nèi)剛度，這就充分保障了建筑物的安全性。另外，在建筑內(nèi)部的剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，石柱與房梁都是隱蔽起來(lái)的，有效的提高了建筑室內(nèi)的美感。但是，剪力墻結(jié)構(gòu)也存在著較大的缺陷，無(wú)法為人們提供更多的可利用空間，經(jīng)常會(huì)給人們的日常生活造成許多的不便。通過(guò)相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)表明是剛韌性較強(qiáng)的剪力墻，在地震發(fā)生時(shí)，房屋所受到的損壞是最小的。但是，建筑設(shè)計(jì)人員一定要注意將其控制在合理的范圍內(nèi)，不允許其隨意的擴(kuò)散發(fā)展。從而確保剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的質(zhì)量和效率。其次，由于剪力墻結(jié)構(gòu)成本費(fèi)用較高，這無(wú)疑會(huì)對(duì)建筑工程建設(shè)成本上造成一定的壓力。因此，建筑企業(yè)要采取及時(shí)有效的解決對(duì)策，盡可能減少工程成本的浪費(fèi)，促剪力墻結(jié)構(gòu)能夠正常運(yùn)行。
5.結(jié)束語(yǔ)
在建筑形式和數(shù)量不斷增多的前提下，工程項(xiàng)目中所涉及的信息量也越來(lái)越大，這些信息如果得到及時(shí)收集，并加以利用，那么對(duì)于其他建筑工程的建設(shè)將會(huì)具有極大的推動(dòng)作用。不但能夠縮短工期，還能夠加有效節(jié)約成本，提高施工質(zhì)量，除此之外還能夠更好的避免很多施工事故的發(fā)生，因此，信息技術(shù)在我國(guó)建筑工程中的優(yōu)勢(shì)非常顯著。但是現(xiàn)階段，我國(guó)還是應(yīng)該采取一定的措施更好的發(fā)展和推廣這項(xiàng)技術(shù)，這樣才能夠?qū)⒋渭夹g(shù)的優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮出來(lái)，有效的節(jié)約成本，提高施工效率以及施工安全保障。在這個(gè)基礎(chǔ)之上，我國(guó)相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)該全方面，高效率的對(duì)BIM技術(shù)的核心技術(shù)原理進(jìn)行研究，可以說(shuō)，此項(xiàng)技術(shù)是我國(guó)建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的新起點(diǎn)，是一次革命性的開始，因此具有非常巨大的現(xiàn)實(shí)意義。
二、BIM模型所包含的設(shè)計(jì)項(xiàng)目
1.構(gòu)件方面
BIM技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)中具有非常重要的作用，其中內(nèi)容很豐富，包括構(gòu)建材料、幾何尺寸以及荷載等信息，這些信息能夠非常直觀的顯示出來(lái)，相關(guān)的設(shè)計(jì)人員能夠隨時(shí)進(jìn)行使用和分享。尤其是在結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方面，BIM技術(shù)的使用，能夠快速和直接進(jìn)行構(gòu)件作用的判斷，將梁、板以及墻、柱等部分的信息進(jìn)行定義，同時(shí)能夠?qū)B接構(gòu)件做出更加合理的判定，這樣是為了更好的將其與節(jié)點(diǎn)的進(jìn)行匹配，這樣就能夠?qū)⑺⒛Ｐ偷男畔⑦M(jìn)行科學(xué)地參數(shù)計(jì)算。比如，建筑設(shè)計(jì)中的混凝土構(gòu)件，BIM技術(shù)能夠?qū)⑵涫褂昧康亩嗌僖约颁摻畹挠昧窟M(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，并將其現(xiàn)實(shí)在模型信息中。
2.整體層次關(guān)系
使用BIM技術(shù)，必須要建模，而模型的構(gòu)件需要大量的信息數(shù)據(jù)，在虛擬的條件下，模型能夠非常正確完整將結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，為人們提供最合理、最具可行性的施工方案，同時(shí)，還可以緩解施工過(guò)程中所產(chǎn)生的突發(fā)問題，協(xié)調(diào)各部分施工之間的關(guān)系，BIM技術(shù)可以及時(shí)搜集并整理各種施工信息，并實(shí)現(xiàn)分享，施工人員以及技術(shù)人員在需要的時(shí)候可以隨時(shí)進(jìn)行查閱和使用，為建筑結(jié)構(gòu)整體分析計(jì)算提供更多依據(jù)。
三、BIM模型的層次應(yīng)用
1.BIM模型的集成化應(yīng)用
BIM模型采用的是參數(shù)化的描述方式，這種方法是目前最合理的信息單元描述方式，能夠非常準(zhǔn)確的將建筑結(jié)構(gòu)中的梁、墻以及柱等部分建立模型，在建立模型的時(shí)候，建筑物實(shí)際上就是真實(shí)的展現(xiàn)過(guò)程中，其內(nèi)部信息以及內(nèi)涵都會(huì)被描述出來(lái)。另外，在建立模型的這個(gè)過(guò)程中，系統(tǒng)還會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)中大量物理信息進(jìn)行全面的分析，進(jìn)行分類處理。技術(shù)人員能夠更加直觀，便捷、多方位的對(duì)建筑物的構(gòu)造情況進(jìn)行了解，從而有效避免很多設(shè)計(jì)上失誤，以及事故的發(fā)生。
BIM技術(shù)的核心就是利用數(shù)據(jù)庫(kù)模型體現(xiàn)出各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，這使很多結(jié)構(gòu)模型都和實(shí)體結(jié)構(gòu)參數(shù)相互一致，參數(shù)在形成模型化后，會(huì)根據(jù)不同的構(gòu)件特征形成相互的規(guī)則性，使模型設(shè)計(jì)能夠和實(shí)際施工相互聯(lián)系。
3.信息共享和交換
在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，BIM模型能夠直接讀取結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的信息，并且結(jié)合這些信息建立完整的結(jié)構(gòu)分析模型。三維模型的結(jié)構(gòu)布置保持與分析模型相互一致的狀態(tài)，使結(jié)構(gòu)狀態(tài)得到高度的統(tǒng)一，建筑信息模型在傳統(tǒng)的模型分析上往往以數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，BIM在讀取數(shù)據(jù)的過(guò)程中，使數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換為自身的結(jié)構(gòu)形式，最終實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)流程中的資源共享，以此提高資源的協(xié)調(diào)應(yīng)用能力。
四、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中BIM應(yīng)用的難點(diǎn)
1.應(yīng)用BIM技術(shù)的三維設(shè)計(jì)工具軟件（Revit釆等）用了較多的模塊參變量和系統(tǒng)參數(shù)，與二維創(chuàng)建視圖技術(shù)有很大的不同，軟件需要兼顧與二維設(shè)計(jì)習(xí)慣的一致性，所以模塊參變量和系統(tǒng)參數(shù)比常規(guī)工具軟件要復(fù)雜很多倍，這就使得應(yīng)用中因?yàn)橄到y(tǒng)參數(shù)設(shè)置不當(dāng)或參數(shù)與參數(shù)之間不匹配而導(dǎo)致很多意想不到的問題。
2.在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，很多結(jié)構(gòu)形式十分特殊，這就需要特殊的結(jié)構(gòu)模塊對(duì)其進(jìn)行控制，但是三維圖形和剖面視圖不能形成理想的施工效果，很多設(shè)計(jì)者會(huì)因此放棄BIM技術(shù)，而使用原始的二維繪圖設(shè)計(jì)方案
3.結(jié)構(gòu)工程師在建立BIM模型時(shí)，注重的問題主要是物理模型能否自動(dòng)生成平法施工圖文檔，以及能否正確轉(zhuǎn)化為可以被結(jié)構(gòu)分析軟件認(rèn)可的結(jié)構(gòu)分析模型。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，安全性分析計(jì)算是首要環(huán)節(jié)和重要問題。BIM建立的是完全的數(shù)據(jù)庫(kù)式模型，從理論上來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)BIM物理模型與結(jié)構(gòu)分析模型之間的雙向鏈接是完全可行的。
五、BIM在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的處理辦法
1.建立完整的項(xiàng)目樣板
在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，項(xiàng)目樣板是所有設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)，而項(xiàng)目樣板設(shè)計(jì)所包含內(nèi)容很多，具體為標(biāo)準(zhǔn)化處理的線型、字體以及符號(hào)等方面。而BIM技術(shù)的應(yīng)用，能夠快速有效的建立完整的樣板，并且能夠避免很多必要的重復(fù)，減少無(wú)用功，提高工作效率，現(xiàn)階段，我國(guó)已經(jīng)建立了一套符合我國(guó)實(shí)際情況的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)能夠?qū)ξ覈?guó)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)控并能夠更具不同用戶的需求，有針對(duì)性的進(jìn)行指導(dǎo)。
2.設(shè)計(jì)符合要求的結(jié)構(gòu)構(gòu)件
在建筑結(jié)構(gòu)中，梁、柱以及樓板等都是非常重要的基礎(chǔ)部件，因此這些部件對(duì)于建筑來(lái)說(shuō)，有著非常重要的支撐作用，通常來(lái)說(shuō)，它們一般為預(yù)制部件、現(xiàn)澆部件以及各種更結(jié)構(gòu)部件等。設(shè)計(jì)的時(shí)候，要從建筑物的實(shí)際情況出發(fā)，根據(jù)不同需要進(jìn)行設(shè)計(jì)。在這些形式中，比較常用的就是現(xiàn)澆部件。設(shè)計(jì)的時(shí)候，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該嚴(yán)格進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的選擇，部件功能不同，澆筑的方式也不同，要最大限度減少不同因素之間的沖突反映。保障結(jié)構(gòu)部件的作用能夠得以有效發(fā)揮。
3.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的平法表示
在鋼筋混凝土施工圖繪制中，通常采用平面方法進(jìn)行表示，在圖紙上采取特殊的標(biāo)點(diǎn)符號(hào)進(jìn)行標(biāo)注，施工技術(shù)人員通過(guò)工藝轉(zhuǎn)換形成樣圖。BIM技術(shù)可以使平面表示法的內(nèi)容多環(huán)節(jié)和多角度展示，BIM模型能夠更加輕松的提取出關(guān)鍵數(shù)據(jù)和核心信息，以滿足施工時(shí)間和放樣需求。
六、結(jié)束語(yǔ)
裝配式建筑是指用預(yù)制的構(gòu)件在工地裝配而成的建筑。這種建筑的優(yōu)點(diǎn)是建造速度快，受氣候條件制約小，節(jié)約勞動(dòng)力并可提高建筑質(zhì)量［1］。裝配式建筑最初出現(xiàn)于上世紀(jì)初期，并不需要現(xiàn)澆作業(yè)，只需要現(xiàn)場(chǎng)裝配即可，同時(shí)，這種建筑中的構(gòu)件成本并不高，性價(jià)比也很好，且?guī)в芯G色建筑特點(diǎn)。在生態(tài)環(huán)境保護(hù)備受重視的今天，裝配式建筑因具有綠色環(huán)保特征，受到人們的青睞。
2裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系
2．1種類劃分
對(duì)于裝配式建筑來(lái)說(shuō)，擁有多種類型，按照形式劃分有剪力墻形式、框架與核心筒形式、框架與剪力墻形式等;按照高度劃分有多層混凝土式、高層混凝土與低層混凝土式［2］。在我國(guó)應(yīng)用最多的裝配式建筑結(jié)構(gòu)形式為剪力墻結(jié)構(gòu)，但在商場(chǎng)等建筑項(xiàng)目中多采用框架式。
2．2抗震性能
在自然災(zāi)害頻發(fā)的今天，任何建筑最重要的一點(diǎn)莫過(guò)于具有良好的抗震性能。通過(guò)研究可以發(fā)現(xiàn)，裝配式混凝土建筑結(jié)構(gòu)大致可以分為兩種，一種是全裝配式;另一種是半裝配式，無(wú)論哪種裝配形式，其裝配程度的高低不會(huì)影響到建筑整體剛度，能夠影響結(jié)構(gòu)剛度的只有受力構(gòu)件剛度與節(jié)點(diǎn)剛度，如果它們的剛度不達(dá)標(biāo)，那么在地震等自然災(zāi)害發(fā)生以后，建筑使用者的安全將受到極大威脅，因此，應(yīng)提升受力構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)剛度［3］。同時(shí)，在裝配式建筑中有多個(gè)節(jié)點(diǎn)形式，不同結(jié)構(gòu)剛度所帶來(lái)的影響也不會(huì)不同，尤其是抗震性能存在一定差異，所以，在裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)與現(xiàn)實(shí)情況的聯(lián)系，提升建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。
3裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3．1框架結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)
對(duì)于裝配式建筑框架結(jié)構(gòu)體系來(lái)說(shuō)，在我國(guó)商場(chǎng)建設(shè)中應(yīng)用較多，也是應(yīng)用力度較大的裝配式建筑結(jié)構(gòu)。之所以采用這種結(jié)構(gòu)體系，主要是由于該體系質(zhì)地相對(duì)較輕，便于運(yùn)輸，同時(shí)它屬于綜合性能相對(duì)較好的高層框架。在利用框架結(jié)構(gòu)體系的過(guò)程中，無(wú)論是疊合板還是合梁都會(huì)在工廠內(nèi)部完成，然后利用運(yùn)輸設(shè)備將這些框架運(yùn)輸?shù)绞┕?chǎng)地，再在現(xiàn)澆處理節(jié)點(diǎn)或梁端鍵槽等方式的作用下完成下一階段的設(shè)計(jì)。為提高框架結(jié)構(gòu)體系裝配式建筑的受力能力，在實(shí)際設(shè)計(jì)中還需要關(guān)注以下幾點(diǎn)問題:一，強(qiáng)度等級(jí)控制。無(wú)論是柱混凝土還是預(yù)制框架柱底的強(qiáng)度等級(jí)至少要達(dá)到C30左右;二，平面設(shè)計(jì)原則。在設(shè)計(jì)梁柱中心線的過(guò)程中應(yīng)做到豎向平面相同，且呈現(xiàn)對(duì)齊形式，在縱向上也要以對(duì)齊為主;三，預(yù)埋件的處理。對(duì)于框架結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，預(yù)埋件屬于不可缺少的一部分，所以，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)保證處于不同區(qū)域的預(yù)埋件能夠很好的連接在一起，無(wú)論是承受軸力還是剪力都處于良好狀態(tài)。
3．2剪力墻結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)
剪力墻結(jié)構(gòu)體系在我國(guó)居民保障住房中的應(yīng)用較多，在設(shè)計(jì)這種結(jié)構(gòu)體系的裝配式建筑時(shí)，可以根據(jù)需求與工廠實(shí)際情況選擇剪力墻結(jié)構(gòu)，既可以是半預(yù)制式，也可以是全預(yù)制式，無(wú)論哪種形式都能滿足設(shè)計(jì)需求。為確保裝配式建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量，滿足使用需求，應(yīng)關(guān)注以下幾點(diǎn)內(nèi)容:一，設(shè)計(jì)好承重墻板。承重墻是裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)中不可缺少的一部分。為做好承重墻設(shè)計(jì)，保證建筑質(zhì)量，需要將承重墻搭建在兩側(cè)的山墻上。同時(shí)，做好內(nèi)力計(jì)算結(jié)果與抗側(cè)力設(shè)計(jì)。此外，在結(jié)構(gòu)豎向抗側(cè)力設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)保證現(xiàn)澆方式能夠?qū)⒇Q向主承力鋼筋漿錨與連接帶組合在一起，并做好抗震設(shè)計(jì)與連接設(shè)計(jì)，以便提升建筑結(jié)構(gòu)的整體性，避免出現(xiàn)中斷的情況;二，控制好鋼筋直徑與強(qiáng)度。在剪力墻結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)中應(yīng)保證各個(gè)預(yù)制構(gòu)建間的連接性處于良好狀態(tài)。在實(shí)際設(shè)計(jì)的過(guò)程中不僅要確保傳力良好，還要提高構(gòu)造的可靠性。如果發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的抗震能力較差，應(yīng)適當(dāng)提升鋼筋直徑與強(qiáng)度;三，注意與現(xiàn)場(chǎng)吊裝環(huán)境的聯(lián)系。對(duì)于剪力墻結(jié)構(gòu)體系來(lái)說(shuō)，如果在設(shè)計(jì)中采用的是分塊設(shè)計(jì)，那么在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)注意與現(xiàn)實(shí)情況的聯(lián)系，如房間構(gòu)造、拼接位置等。對(duì)于豎向接縫的部位，應(yīng)做到避免應(yīng)用到暗柱中，且盡量避免在同一個(gè)建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用多個(gè)構(gòu)件。此外，在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)要求操作，做好驗(yàn)算，避免出現(xiàn)配筋變形等情況，只有這樣才能保證設(shè)計(jì)合理，滿足人們實(shí)際需求。
4結(jié)語(yǔ)
通過(guò)以上研究得知，裝配式建筑是現(xiàn)代建筑中應(yīng)用較多的一種形式，它不僅可以降低勞動(dòng)強(qiáng)度，還有利于生態(tài)環(huán)境保護(hù)，但不同的裝配式建筑在結(jié)構(gòu)體系與設(shè)計(jì)上的方式并不相同，注意要點(diǎn)也存在差異，因此，本文聯(lián)系實(shí)際情況，分別對(duì)框架式裝配式建筑與剪力墻裝配式建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，希望能為相關(guān)人士帶來(lái)有效參考，加大裝配式建筑在我國(guó)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用力度。
作者:黎靜 單位:青島博雅置業(yè)有限公司
參考文獻(xiàn):
［1］陳秋實(shí)．預(yù)制裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系與設(shè)計(jì)［J］．江西建材，2017，(02):50－53．
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全問題是所有從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究的人們一生都要面對(duì)的問題，本文作者結(jié)合自己的工程設(shè)計(jì)實(shí)踐，簡(jiǎn)述了當(dāng)代建筑師的設(shè)計(jì)思維對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全所提出來(lái)的挑戰(zhàn)，并且，通過(guò)一個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師對(duì)當(dāng)今建筑設(shè)計(jì)潮流的感悟與認(rèn)識(shí)，提出了保障結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全所必須堅(jiān)持的基本原則。文章最后，對(duì)參與當(dāng)代中國(guó)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作者們提出了一些期望。
■前言
一段時(shí)間以來(lái)，由法國(guó)巴黎戴高樂機(jī)場(chǎng)2E侯機(jī)廳通道部分倒塌事故引起的對(duì)結(jié)構(gòu)安全問題的討論成為業(yè)界甚至各種傳媒的熱門話題，由之引起的對(duì)國(guó)家大劇院以及各奧運(yùn)在建項(xiàng)目進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全再認(rèn)識(shí)的聲音也不時(shí)傳起。特別是對(duì)正在設(shè)計(jì)施工中的奧運(yùn)項(xiàng)目，按照政府決策部門的意見，建設(shè)單位組織結(jié)構(gòu)有關(guān)專家逐個(gè)項(xiàng)目地進(jìn)行了更為嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全評(píng)估。
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全是我們所有從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究工作者必須面對(duì)和回答的問題，巴黎戴高樂機(jī)場(chǎng)事故是結(jié)構(gòu)在其設(shè)計(jì)使用壽命初期（投入運(yùn)營(yíng)一年），在常規(guī)荷載作用（沒有恐怖襲擊、沒有惡劣的區(qū)域突發(fā)自然災(zāi)害）的情況下發(fā)生的，就是說(shuō)，一定是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或施工的某個(gè)環(huán)節(jié)給結(jié)構(gòu)留下了致命的內(nèi)部缺陷才造成的，這一缺陷既可能是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論方面的，也可能是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)造方面的，既可能是結(jié)構(gòu)材料使用方面的，還可能是建造過(guò)程中的施工質(zhì)量控制方面的，等等。無(wú)論什么原因，這種結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)都是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則所不允許的，引起我們的警覺也是應(yīng)該的。
另一方面，我們也還是應(yīng)該理性地、科學(xué)地、全面地分析和把握結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全問題。其實(shí)，追溯人類改造自然、改造世界的歷史足跡，我們還是有理由對(duì)當(dāng)代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和建造技術(shù)的發(fā)展水平感到自豪的。雖然我們現(xiàn)在感覺是越來(lái)越累，越來(lái)越難，但是在力學(xué)和材料科學(xué)發(fā)展的有力支撐下，我們所從事的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建造技術(shù)的發(fā)展還是基本上滿足了那些滿腦子求新求奇，求高求廣的所謂當(dāng)代建筑師的表達(dá)欲望與需求的。
■世界上沒有自由的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師，但假如沒有我們，也就沒有建筑表達(dá)的自由
建筑師設(shè)計(jì)東西，無(wú)非表達(dá)兩種需求，一種是傳統(tǒng)意義上的功能需求，另外一種就是表達(dá)建筑情感，或者說(shuō)是通過(guò)建筑表達(dá)情感。這種情感表達(dá)方面的需求可能是來(lái)自公眾的，也可能是來(lái)自政府或領(lǐng)導(dǎo)意志的，還可能就是直接來(lái)自建筑師的美學(xué)修為的。建筑師可以利用建筑特有的元素，比如建筑材料的材質(zhì)、裝飾材料的色彩等進(jìn)行其建筑情感的表達(dá)，但是這種表達(dá)的效果和能力是有限的，建筑師更重要的手段則是借助結(jié)構(gòu)的能力完成這一表達(dá)需求，從這個(gè)意義上說(shuō)，建筑師豐富的想象力既給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了課題、帶來(lái)了挑戰(zhàn)，同時(shí)也就給結(jié)構(gòu)工程師帶來(lái)了風(fēng)險(xiǎn)。
國(guó)家大劇院超大超深的地下結(jié)構(gòu)體量，橢球拋物面殼體屋頂和圍繞殼體的環(huán)形水池都是安得魯實(shí)現(xiàn)其劇院功能需求與其情感表達(dá)需求的手法和元素。為了在不超越人民大會(huì)堂的限定高度內(nèi)，完成劇場(chǎng)功能對(duì)豎向尺度的需求，“深入地下”是其自然的（也許是無(wú)奈的）選擇；橢球拋物面殼體屋頂罩住其下的三個(gè)功能劇場(chǎng)是建筑師進(jìn)行區(qū)域空間整和的一種手段，在這塊區(qū)域上的建筑物進(jìn)行這樣的整和處理我認(rèn)為是必要的；建筑師設(shè)置環(huán)形水池的目的在于其制造區(qū)域?qū)庫(kù)o氣氛的需要，這種建筑情感表達(dá)上的需求也是必要的。
國(guó)家大劇院
同樣的，在建的國(guó)家體育場(chǎng)（簡(jiǎn)稱“鳥巢”）以及國(guó)家游泳中心（簡(jiǎn)稱“水立方”）等標(biāo)志性建筑，她們不單單是承載著滿足舉辦奧運(yùn)會(huì)各單項(xiàng)體育功能方面的需求，也還要承載著通過(guò)其“別樣”的建筑形象來(lái)表達(dá)全國(guó)人民百年奧運(yùn)夢(mèng)想成真的情感需求，承載著要為最出色的一屆奧運(yùn)會(huì)留下最出色的“建筑遺產(chǎn)”的使命。
自然的，建筑師是無(wú)法單獨(dú)承擔(dān)這樣的使命的，必須依靠結(jié)構(gòu)工程師的支持來(lái)實(shí)現(xiàn)其“特別”的表達(dá)需求?；蛘哒f(shuō)，結(jié)構(gòu)工程師在這個(gè)時(shí)侯是沒有選擇的自由的，只有絞盡腦汁為建筑師的這種需求尋找“解決方案”，于是，百年之前的理論物理學(xué)命題“泡沫理論”被結(jié)構(gòu)師拿來(lái)經(jīng)過(guò)有趣的數(shù)學(xué)變換，最終成了表達(dá)建筑師“看似無(wú)序的水分子結(jié)構(gòu)”的最好載體。
國(guó)家游泳中心總平面圖
■建筑結(jié)構(gòu)形式的爭(zhēng)議多半不是“好與不好”的問題，而是“值與不值”的問題
為了滿足建筑師們的“浪漫”需求，在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成方式無(wú)能為力的時(shí)候，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師就必須探索新的、非傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成方式。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的基本形式，可以說(shuō)已經(jīng)被我們認(rèn)識(shí)的差不多了，但是，這種說(shuō)法只是限于基本體系，并不意味著創(chuàng)造新的結(jié)構(gòu)形態(tài)可能性的減少，在擁有無(wú)限多樣的物種的豐富多彩的世界里，限定結(jié)構(gòu)形態(tài)的類型顯然是不恰當(dāng)?shù)摹?/p>
結(jié)構(gòu)工程師的任務(wù)就是在既要保證結(jié)構(gòu)安全同時(shí)又要滿足建筑美學(xué)需求的杠桿上尋找一個(gè)平衡點(diǎn)。只是，世界上終究沒有免費(fèi)的午餐，當(dāng)各種或是張揚(yáng)的、或是陌生的結(jié)構(gòu)形態(tài)出現(xiàn)的時(shí)候，在結(jié)構(gòu)材料科學(xué)還沒有長(zhǎng)足的發(fā)展的時(shí)候，在我們還不得不用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料去實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)個(gè)“浪漫”的需求的時(shí)候，對(duì)結(jié)構(gòu)安全的關(guān)注也就從來(lái)沒有象現(xiàn)在這樣引起一端又一端的“爭(zhēng)議”。
從一個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究工作者的角度看待這些“爭(zhēng)議”，我認(rèn)為很多時(shí)候我們是可以在力學(xué)或規(guī)范的原則內(nèi)尋找到這個(gè)“平衡點(diǎn)”的，隨后的問題是，這會(huì)要我們付出多大的“代價(jià)”，或者說(shuō)要我們支付多大的“結(jié)構(gòu)成本”？我認(rèn)為對(duì)這個(gè)我們要支付的成本“值與不值”的不同看法是對(duì)建筑結(jié)構(gòu)形式“爭(zhēng)議”的焦點(diǎn)問題。
其實(shí)，作為一個(gè)結(jié)構(gòu)工程師，常常是不能判斷建筑的形象與情感“效益”與結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的“成本”之間到底誰(shuí)高誰(shuí)底的，因?yàn)榍罢呤呛茈y量化的。我們所能做的就是在保證建筑功能與美學(xué)需求的諸種可選擇的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方式中找到成本較低的解決方案。
國(guó)家游泳中心南北剖面圖
國(guó)家大劇院南北剖面圖
例如，在國(guó)家大劇院工程結(jié)構(gòu)的第一輪初步設(shè)計(jì)時(shí)，法國(guó)ADP公司確定的結(jié)構(gòu)底板的頂面標(biāo)高為-26.0米，這個(gè)標(biāo)高受到了中國(guó)建筑與結(jié)構(gòu)工程師的質(zhì)疑，如此深的基槽，且不說(shuō)開挖與降水的成本會(huì)很高，結(jié)構(gòu)壽命期內(nèi)的抗浮設(shè)計(jì)成本更是一項(xiàng)很大的投入，為此，我們建議在保證其建筑功能需要的前提下，盡可能提高建筑底面標(biāo)高，法方在修改后的初步設(shè)計(jì)中將這一標(biāo)高提高到了-22.0米。
與上述情形相反，國(guó)家游泳中心工程的建筑設(shè)計(jì)由于采用了ETFE雙層充氣膜，這種膜材的造價(jià)很高，所以，在相對(duì)深挖（增加基礎(chǔ)開挖與結(jié)構(gòu)抗浮成本）和抬升建筑總高度（增加圍護(hù)膜材的用量）的比較選擇中建筑師完全依賴的就是綜合成本最小化的原則。
■結(jié)構(gòu)工程師要給浪漫的建筑師和建筑師的浪漫設(shè)定一條底線
作為一名結(jié)構(gòu)工程師，我們還應(yīng)該清醒地認(rèn)識(shí)到，結(jié)構(gòu)科學(xué)和材料科學(xué)的發(fā)展遠(yuǎn)沒有達(dá)到可以令建筑師們的“浪漫思維”無(wú)約無(wú)束的境地。在實(shí)際結(jié)構(gòu)的建造過(guò)程中影響結(jié)構(gòu)安全的因素眾多，一方面，建筑結(jié)構(gòu)理論歸根結(jié)底是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，理論與實(shí)際的偏差不可避免，另一方面，建造技術(shù)的發(fā)展水平和區(qū)域差異以及施工質(zhì)量控制等等方面的諸多因素，都會(huì)給實(shí)際建造完成的建筑結(jié)構(gòu)安全性能帶來(lái)某種程度的不確定性。
所以，建筑師們?cè)谕ㄟ^(guò)建筑表達(dá)其美學(xué)或情感需求的時(shí)候，結(jié)構(gòu)工程師們還是要給他們?cè)O(shè)定一條底線。這條底線不僅依賴于當(dāng)代人類對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)水平，而且還依賴于現(xiàn)代結(jié)構(gòu)技術(shù)與材料科學(xué)的發(fā)展水平，依賴于結(jié)構(gòu)分析技術(shù)的發(fā)展水平。在某種程度上，我們可以允許他們突破某些“規(guī)范”條文的底線，但是不能允許他們突破“基本力學(xué)準(zhǔn)則”的底線。尤其是當(dāng)我們面對(duì)國(guó)外建筑師的時(shí)候，這一點(diǎn)做起來(lái)很難，譬如在和安德魯?shù)姆▏?guó)ADP團(tuán)隊(duì)合作設(shè)計(jì)國(guó)家大劇院的過(guò)程中，我們就經(jīng)歷了多次的“爭(zhēng)執(zhí)與說(shuō)服”的過(guò)程。
國(guó)家游泳中心的設(shè)計(jì)過(guò)程也給了我們很多啟示，在建筑師浪漫的創(chuàng)意和結(jié)構(gòu)的可實(shí)現(xiàn)之間還是有較長(zhǎng)的一段路要走的，因此，我們投入很多精力進(jìn)行了這種新型多面體空間鋼框架結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究，最終才可以保證這種結(jié)構(gòu)的安全、可靠。
鋼骨架結(jié)構(gòu)效果
ETFE充氣枕結(jié)構(gòu)
■不能認(rèn)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)造性是永遠(yuǎn)的矛盾
實(shí)際上，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性的憂慮往往會(huì)束縛住我們結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)造性探索的步伐，雖然這種憂慮不是多余的。發(fā)生巴黎機(jī)場(chǎng)結(jié)構(gòu)倒塌事故后，我們聽到的幾乎都是對(duì)安德魯主持設(shè)計(jì)的建筑的一片懷疑之聲，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師們，尤其是從事重要公共建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工程師們更是增添了更多的謹(jǐn)慎與小心。
我認(rèn)為，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)始終是：按照建筑的功能與美學(xué)需求確定安全、合理的結(jié)構(gòu)體系；進(jìn)而依據(jù)建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)所確定的原則對(duì)結(jié)構(gòu)作用效應(yīng)與結(jié)構(gòu)抗力進(jìn)行符合結(jié)構(gòu)實(shí)際工作條件（性能）的分析；最終應(yīng)做到在規(guī)定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，在現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的各種荷載作用下，所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)是安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)的。
為了實(shí)現(xiàn)這樣的使命，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全的自始至終的關(guān)切無(wú)疑是必要的，另一方面，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)造性不但是當(dāng)今建筑設(shè)計(jì)發(fā)展的必然要求，同時(shí)也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)自身發(fā)展的要求。國(guó)家大劇院、國(guó)家體育場(chǎng)、國(guó)家游泳中心以及新中央電視臺(tái)等建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的創(chuàng)造性探索可以為我們跟蹤當(dāng)今世界先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念提供一些線索，也可以讓我們檢視一下很多經(jīng)驗(yàn)的、傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思維是否還適應(yīng)現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展的要求。
“水立方”內(nèi)外效果圖
1．1高層建筑結(jié)構(gòu)受力特征
高層建筑結(jié)構(gòu)在模型上一般可以假想為一個(gè)從地基出發(fā)并不斷上升的懸臂構(gòu)件。高層建筑主要承受水平作用效應(yīng)和豎向作用效應(yīng)，水平作用效應(yīng)一般指風(fēng)荷載，在抗震設(shè)防地區(qū)還包括水平地震作用。豎向作用效應(yīng)則一般由結(jié)構(gòu)自重荷載產(chǎn)生，在抗震設(shè)防烈度為8、9度時(shí)的大跨度和長(zhǎng)懸臂結(jié)構(gòu)及9度時(shí)的高層建筑，還應(yīng)考慮豎向地震作用。在這些作用效應(yīng)下，結(jié)構(gòu)整體及主體構(gòu)件均需具有足夠的承載能力、剛度和延性，整體的設(shè)計(jì)注重概念，應(yīng)符合相關(guān)規(guī)定中對(duì)于建筑形體的規(guī)則性要求，包括平面布置的規(guī)則性及豎向布置的規(guī)則性。結(jié)構(gòu)在抵抗彎曲方面來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)體系務(wù)必滿足:不能使建筑物產(chǎn)生傾覆;在承受荷載時(shí)，它的支撐體系的某些部位不應(yīng)被壓屈、壓碎或者直接被拉伸破壞;同時(shí)彎曲側(cè)移不能超出彈性極限的范圍。而結(jié)構(gòu)在抵抗剪力方面來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)體系務(wù)必滿足:建筑物不至于發(fā)生剪切破壞;同時(shí)結(jié)構(gòu)的整體剪切側(cè)移不能超過(guò)彈性極限的范圍。最后對(duì)于結(jié)構(gòu)的地基和基礎(chǔ)來(lái)說(shuō)，由于高層建筑一般是高次不靜定結(jié)構(gòu)，所以結(jié)構(gòu)體系在支承點(diǎn)處應(yīng)避免較大的不均勻變形，從而可以防止出現(xiàn)較大的二次內(nèi)力。
1．2高層建筑結(jié)構(gòu)的傳力路線
高層建筑的豎向平面結(jié)構(gòu)和水平平面結(jié)構(gòu)都必須有明確的傳力路線。以某個(gè)作用在樓面上的重力荷載為例，它要通過(guò)樓蓋構(gòu)件的彎曲傳遞給豎向結(jié)構(gòu)的某個(gè)構(gòu)件，直到建筑物的基礎(chǔ)和地基。傳力路線的模式根據(jù)結(jié)構(gòu)的類別和布置而異。高層建筑的底層往往只允許有少量的立柱，以便有足夠的空間可以設(shè)置寬敞的入口、前廳或廣場(chǎng)。這時(shí)，有較密柱間距的上層結(jié)構(gòu)的重力荷載，就要通過(guò)另一種結(jié)構(gòu)體系傳給底層立柱以及底層立柱基礎(chǔ)。當(dāng)高層建筑的樓層平面有突變時(shí)(如樓層有收進(jìn)，或由矩形平面變成其他形狀的平面時(shí))，或結(jié)構(gòu)體系有變化時(shí)，它們的傳力路線也會(huì)發(fā)生改變，這時(shí)往往既要有豎向的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，也要有水平方向的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。在高層建筑結(jié)構(gòu)傳力路線中還有一個(gè)區(qū)別于底層建筑結(jié)構(gòu)的特殊問題，那就是高層建筑的每個(gè)立柱都承受著上層傳來(lái)的重力荷載，要考慮它們各自在施工和使用過(guò)程中豎向壓縮量的差異。這既要在設(shè)計(jì)中加以考慮，也要在施工過(guò)程中及時(shí)加以調(diào)整，以保證各層樓面的水平度，減小因不同柱的壓縮量有過(guò)大差異而引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力。
2概念設(shè)計(jì)
2．1抗關(guān)于側(cè)力構(gòu)件合理布置規(guī)定
對(duì)于一個(gè)單獨(dú)的結(jié)構(gòu)單元，在設(shè)計(jì)上的通常做法是，一般會(huì)盡力避免設(shè)計(jì)出應(yīng)力集中的縮頸和凹角部位;而且盡量不要在這些部位設(shè)置樓、電梯間。整個(gè)結(jié)構(gòu)外形也要避免外挑，尺寸內(nèi)收也不宜過(guò)急，避免在結(jié)構(gòu)上形成薄弱部位。最大限度地防止因局部結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞，而出現(xiàn)全部結(jié)構(gòu)失去承載力的情況。
2．2關(guān)于高寬比的規(guī)定
高寬比的規(guī)定是對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度、整體穩(wěn)定、抗傾覆能力、承載能力以及經(jīng)濟(jì)合理性的綜合考慮，是長(zhǎng)期工程經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，根據(jù)當(dāng)前的實(shí)際工程來(lái)看，這一限值是比較經(jīng)濟(jì)合理與實(shí)用。但隨著目前高層建筑的快速發(fā)展，設(shè)計(jì)師們發(fā)現(xiàn)其實(shí)高寬比并不是必須要滿足的。實(shí)際工程已有一些超過(guò)高寬比限制的例子(如深圳京基100大廈高441．8m，共100層，高寬比為9．5，天津117大廈，高597m，共117層，高寬比為9．7)，當(dāng)然高寬比超過(guò)限值時(shí)，應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行更加準(zhǔn)確的受力分析，并施加可靠的構(gòu)造措施。
2．3短肢剪力墻的設(shè)置問題
在新的規(guī)范中，將墻肢截面高度與厚度比為5－8的剪力墻定義為短肢剪力墻，且根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)短肢剪力墻在高層建筑中的應(yīng)用增加了相當(dāng)多的限制。比如在剪力墻設(shè)計(jì)等級(jí)為四級(jí)，短肢剪力墻的配筋率要求是1%以上，而普通剪力墻則為0．2%。高厚比較小的構(gòu)件的脆性破壞較大，不利于抗震。所以，在具體的高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)里，設(shè)計(jì)師們應(yīng)該充分利用其它現(xiàn)有構(gòu)造形式來(lái)代替短肢剪力墻，減少不必要的麻煩。
2．4嵌固端的設(shè)置問題
在結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的選擇上，如何準(zhǔn)確地確定嵌固端位置是一個(gè)十分關(guān)鍵的問題，這直接關(guān)系到實(shí)際的受力狀態(tài)與選擇的計(jì)算模型是否符合以及內(nèi)力等相應(yīng)計(jì)算結(jié)果是否無(wú)誤。因?yàn)楝F(xiàn)在高層結(jié)構(gòu)通常會(huì)設(shè)有一層或者是二層的地下室(可以當(dāng)作人防工程來(lái)使用)，而嵌固端的選擇，可以結(jié)合各層的剛度變化，再根據(jù)它的實(shí)際布置狀況，可以選擇在一層頂板的位置，也可以是二層頂板的位置，同時(shí)在地下室其他樓層等部位也是有很大可能的。但是在這個(gè)問題上，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師們往往會(huì)忽略了一系列需要注意的問題，例如嵌固端的設(shè)置和剛度比的限制等問題，忽視這些問題將會(huì)對(duì)工程的質(zhì)量和后期數(shù)據(jù)的分析造成很大的隱患。
3地基與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
在基礎(chǔ)的具體設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)地基復(fù)雜程度、建筑物規(guī)模和功能特征以及由于地基問題可能造成建筑破壞或影響正常使用的程度來(lái)確定基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)。首先，地基計(jì)算應(yīng)滿足承載力計(jì)算的有關(guān)規(guī)定;其次，由于高層建筑的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)均為甲級(jí)或乙級(jí)，因此均應(yīng)按地基變形設(shè)計(jì);若地下室存在上浮問題時(shí)，還應(yīng)進(jìn)行抗浮驗(yàn)算。下面就高層建筑中不同的基礎(chǔ)類型分別闡述在設(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)注意的事項(xiàng):在對(duì)箱基和筏基的梁板進(jìn)行配筋計(jì)算時(shí)，務(wù)必相應(yīng)地扣除底板上直接作用的梁板荷載和自重，當(dāng)出現(xiàn)箱筏的四邊區(qū)格和地基反力過(guò)大的情況，這時(shí)要對(duì)梁板進(jìn)行加強(qiáng)配筋;而在進(jìn)行箱基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮洞口上下的連梁的影響，驗(yàn)算其截面面積，若洞口的位置或者大小有變動(dòng)，要復(fù)核連梁的抗剪強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度;若是進(jìn)行整體箱基和筏基的設(shè)計(jì)，必須考慮樁土的因素，其共同工作會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成一定程度的影響。
4結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析
4．1結(jié)構(gòu)整體計(jì)算的軟件選擇
當(dāng)前比較常用的計(jì)算軟件一般包括:建科院PKPM其中的SAT-WE，MIDAS，ANYSYS，ETABS，SAP等。由于各個(gè)軟件使用的計(jì)算模型有一定區(qū)別，所以在各個(gè)軟件計(jì)算結(jié)果上就會(huì)有或大或小的差異。實(shí)際工程中，務(wù)必考慮結(jié)構(gòu)類型和計(jì)算模型的具體特點(diǎn)，在進(jìn)行整體分析時(shí)選擇最恰當(dāng)?shù)能浖⑹褂貌煌浖M(jìn)行對(duì)比分析計(jì)算，從不同軟件計(jì)算的相差較大的結(jié)果中，選擇最接近工程實(shí)際情況的數(shù)據(jù)。若不能選擇合適的計(jì)算軟件，不但會(huì)消耗大量的時(shí)間和精力，更重要的是會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)埋下安全隱患，造成日后的工程問題。所以為了保險(xiǎn)起見，通常在布置復(fù)雜的高層設(shè)計(jì)中，宜使用不少于兩種不同的模型來(lái)進(jìn)行內(nèi)力分析和計(jì)算。
4．2剪力墻底部加強(qiáng)部位墻厚的確定
在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，剪力墻的底部加強(qiáng)部位一般采取增加邊緣構(gòu)件箍筋和墻體的布筋來(lái)防止地震荷載的影響，預(yù)防結(jié)構(gòu)出現(xiàn)脆性破壞，從而能夠比較有效的改善結(jié)構(gòu)的抗震性能，在現(xiàn)行的規(guī)范中，明確指出剪力墻結(jié)構(gòu)底部加強(qiáng)部位的高度可以參考?jí)χ?/8和底部?jī)蓪佣咧械妮^大值;而部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)底部的取值，可考慮以上兩層的高度及墻肢總高度1/8中的較大值。一般情況下，高層建筑結(jié)構(gòu)底部加強(qiáng)部位的剪力墻截面厚度bw的取法按照以下規(guī)定，按照一、二級(jí)級(jí)抗震標(biāo)準(zhǔn)的情況，bw宜選擇剪力墻無(wú)支長(zhǎng)度的1/16或?qū)痈?按照三、四級(jí)抗震標(biāo)準(zhǔn)的情況，bw宜選擇剪力墻無(wú)支長(zhǎng)度的1/20或?qū)痈摺５趬Φ资芰^小且結(jié)構(gòu)層高相對(duì)較高的情況下，其厚度還按上述要求取值，就顯得很不經(jīng)濟(jì)。所以，根據(jù)具體的工程實(shí)踐，厚度可以適當(dāng)減小，而且必須按照下面的公式計(jì)算穩(wěn)定性。
5結(jié)束語(yǔ)
