簡述影響建筑結構選型的因素

吳  瑩

(陜西省輕工業研究設計院710054西安)

    在建筑工程建設中，建筑物的安全性和耐久性主要取決于建筑物的結構能否滿足要求。此外，工程造價中2／3左右的費用用于結構工程，而結構工程的施工工期也約占建筑物施工總工期的一半以上。因此搞好結構工程對于建筑工程建設的質量控制、投資控制和進度控制有十分重要的作用。搞好結構工程的關鍵在于結構選型。一個好的結構形式的選擇，不僅要考慮建筑上的使用功能，結構上的安全合理，施工上的可能條件，也要考慮造價上的經濟價值和藝術上的造型美觀。如果選型不當，給結構的安全使用及耐久性帶來無法彌補的缺陷，同時也會延誤工期，提高造價。因此在建筑物方案設計中必須將結構選型放在重要地位。

    影響建筑結構選型的因素主要有：建筑物的功能、建筑結構材料、施工技術水平、結構設計理論及計算手段、經濟因素等。

1、建筑物的功能要求

    建筑物的功能要求是建筑物設計中應考慮的首要因素。任何建筑物都具有對客觀空間環境的要求，根據這些要求可大體確定建筑物的尺度、規模與相互關系。如工業建筑通過考慮車間的使用性質、工藝流程及工藝設備、垂直及水平運輸要求以及采光通風功能要求初步定出建筑物的跨度、開間及最低高度。在結構選型時應使所選擇的結構形式剖面與建筑物使用空間相適應，盡可能降低結構構件的高度，才能提高空間的使用效率、節省維護結構的初始投資費用、減少照明采暖空調負荷、節省維護費用，從而降低建筑物全壽命期費用。如散粒材料倉庫，采用落地拱型式最適宜。其次通過對結構體系裸露和藝術加工，將結構形式與建筑的空間藝術形象融合為一體來表現建筑美。建筑界公認的典型例子意大利佛羅倫薩運動場的大看臺，是一個鋼筋混凝土梁板式結構，雨蓬的挑梁伸出l7m，它的彎矩圖是二次拋物線，建筑師把挑梁的外形與其彎矩圖統一起來，同時利用混凝土的可塑性，對挑梁的外輪廓進行藝術處理，在挑梁支座附近挖了一個帶有橢圓弧線的三角形孔，既減輕了結構自重，又獲得良好的藝術效果。直接將結構的自然形體進行恰如其分的藝術加工而又不做任何多余的裝飾，使結構形式與建筑空間藝術形象高度地融合起來。

2、建筑結構材料對結構選型的影響

    建筑結構材料是形成結構的物質基礎。木結構、磚石結構、鋼結構，以及鋼筋混凝土結構各因其材料特征不同而具備各自的獨特規律。如磚石結構抗壓強度高，但抗彎、抗剪、抗拉強度低，而且脆性大，往往突然破壞。鋼筋混凝土結構有較大的抗彎、抗剪強度，而且延性優于磚石結構，但仍屬于脆性材料而且自重大。鋼結構抗拉強度高，自重輕，但其當長細比比較大時在軸向壓力作用下的桿件容易失穩。因此選擇材料時充分利用其長處，避免和克服其短處，選擇能充分發揮材料性能的結構。如建筑結構的桿件，其軸心受壓時比偏心受壓或受彎時更能充分利用材料強度。以簡支梁為例，其屬于受彎構件，在均布荷載作用下，彎矩圖是拋物線，跨中彎矩最大而支座彎矩為零，在每個截面上，彎矩應力以上下邊緣處最大，中和軸處應力為零。但為了使構件形狀簡單便于施工，常按等截面梁設計并采用矩形截面，選擇截面尺寸時只能以跨中處最大邊緣應力作為最危險部位來驗算，因此梁的大部分材料應力遠遠低于許用應力。為了使材料應力充分發揮同時節約材料，可按彎矩圖設計梁的形狀，即成為魚腹式梁。

3、施工技術水平對建筑結構型式的影響

    建筑施工的生產技術水平及生產手段對建筑結構形式有很大影響。先進的施工技術是實現先進結構型式的前提。如果施工技術條件不具備或結構方案不適應現有的技術能力將給工程建設帶來很大困難。如薄殼結構是一種薄壁空間結構，主要承受曲面內的薄膜內力(或無矩內力)作用，所以材料強度能得到充分作用，同時由于它的空間工作所以具有很高的強度和很大的剛度。因此可以采用很薄的結構厚度來建造大跨度結構，自重輕，材料省。但由于采用現澆的施工方法來實現薄殼結構有很大的局限性，其支設曲面模板耗費工料多施工速度慢。為了解決此問題，曾使用工具式移動模板來進行現澆薄殼施工。但此種施工方法只適用于結構形式及斷面尺寸不變的薄殼結構。隨著施工技術的不斷發展，出現裝配式薄殼施工方法，將薄殼殼體劃分為若干塊小殼板，分件預制后拼裝成一個整體薄殼，此種僅需設置小殼板的模板進行重復澆注，從而提高了結構的施工速度，節省工程造價。

4、結構設計理論的發展及計算手段的改進對結構選型的影響

    過去由于計算手段上的困難，盡管人們希望在制定結構方案時能進行多方案比較，但常因工作量大、工時過長而難以實現。只憑經驗制定出一二個可行方案進行簡單比較確定。隨著計算機的發展，運算速度及貯存的增大，縮短了計算時間，提高了計算精度，使各種較復雜的空間結構的靜力及動力計算問題迎刃而解，設計人員可較方便的采用各種較復雜的結構形式而且還可進一步對各種型式的結構進行經濟比較以取得優化結果。因此，計算手段的改進對于結構方案的構思產生了重要影響。目前，正在研究的“工程建設中的智能輔助決策系統”也將對結構選型優化帶來重大影響。

5、經濟因素對結構選型的影響

    任何國家的工程建設都必須考慮提高投資的經濟效益。綜合經濟分析是衡量結構方案經濟性的手段。不但要考慮某個結構方案實施時的一次投資費用，還要考慮其全壽命期的費用；其次除了以貨幣指標核算結構的建造成本外，還要從節省材料消耗和節約勞動力等各項指標來衡量，同時還應該考慮節約資源這一人類長遠利益；再有某些生產性建筑如能早日投產交付使用，可以較快地回收投資資金及得到較好的經濟效益。因此在結構方案比較時應綜合考慮一次性初始投資和建設速度之間的關系。

    總之，進行結構方案設計和選型設計的構思是一項很細致的工作，只有充分考慮各種影響因素并進行全面綜合分析才能選出優化的方案。

參考文獻：

[1]陳章洪《建筑結構選型手冊》中國建筑工業出版社

[2]宋秉譯《建筑結構方案與選型設計》天津大學教材

[3]布正偉《現代建筑的結構構思與設計技巧》天津科學技術出版社

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)