建筑结构设计论文范文

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第1篇

结构设计的安全问题是所有从事结构设计与研究的人们一生都要面对的问题，本文作者结合自己的工程设计实践，简述了当代建筑师的设计思维对结构设计安全所提出来的挑战，并且，通过一个结构设计师对当今建筑设计潮流的感悟与认识，提出了保障结构设计安全所必须坚持的基本原则。文章最后，对参与当代中国结构设计实践的结构设计工作者们提出了一些期望。

关键词建筑表达结构设计安全建筑情感争议结构设计实践

■前言

一段时间以来，由法国巴黎戴高乐机场2E侯机厅通道部分倒塌事故引起的对结构安全问题的讨论成为业界甚至各种传媒的热门话题，由之引起的对国家大剧院以及各奥运在建项目进行结构安全再认识的声音也不时传起。特别是对正在设计施工中的奥运项目，按照政府决策部门的意见，建设单位组织结构有关专家逐个项目地进行了更为严格的结构设计安全评估。

结构设计安全是我们所有从事结构设计与研究工作者必须面对和回答的问题，巴黎戴高乐机场事故是结构在其设计使用寿命初期（投入运营一年），在常规荷载作用（没有恐怖袭击、没有恶劣的区域突发自然灾害）的情况下发生的，就是说，一定是在结构设计或施工的某个环节给结构留下了致命的内部缺陷才造成的，这一缺陷既可能是结构设计理论方面的，也可能是结构设计构造方面的，既可能是结构材料使用方面的，还可能是建造过程中的施工质量控制方面的，等等。无论什么原因，这种结构破坏形态都是结构设计原则所不允许的，引起我们的警觉也是应该的。

另一方面，我们也还是应该理性地、科学地、全面地分析和把握结构设计的安全问题。其实，追溯人类改造自然、改造世界的历史足迹，我们还是有理由对当代结构设计理论和建造技术的发展水平感到自豪的。虽然我们现在感觉是越来越累，越来越难，但是在力学和材料科学发展的有力支撑下，我们所从事的结构设计与建造技术的发展还是基本上满足了那些满脑子求新求奇，求高求广的所谓当代建筑师的表达欲望与需求的。

■世界上没有自由的结构设计师，但假如没有我们，也就没有建筑表达的自由

建筑师设计东西，无非表达两种需求，一种是传统意义上的功能需求，另外一种就是表达建筑情感，或者说是通过建筑表达情感。这种情感表达方面的需求可能是来自公众的，也可能是来自政府或领导意志的，还可能就是直接来自建筑师的美学修为的。建筑师可以利用建筑特有的元素，比如建筑材料的材质、装饰材料的色彩等进行其建筑情感的表达，但是这种表达的效果和能力是有限的，建筑师更重要的手段则是借助结构的能力完成这一表达需求，从这个意义上说，建筑师丰富的想象力既给结构设计提出了课题、带来了挑战，同时也就给结构工程师带来了风险。

国家大剧院超大超深的地下结构体量，椭球抛物面壳体屋顶和围绕壳体的环形水池都是安得鲁实现其剧院功能需求与其情感表达需求的手法和元素。为了在不超越人民大会堂的限定高度内，完成剧场功能对竖向尺度的需求，“深入地下”是其自然的（也许是无奈的）选择；椭球抛物面壳体屋顶罩住其下的三个功能剧场是建筑师进行区域空间整和的一种手段，在这块区域上的建筑物进行这样的整和处理我认为是必要的；建筑师设置环形水池的目的在于其制造区域宁静气氛的需要，这种建筑情感表达上的需求也是必要的。

国家大剧院总平面图

同样的，在建的国家体育场（简称“鸟巢”）以及国家游泳中心（简称“水立方”）等标志性建筑，她们不单单是承载着满足举办奥运会各单项体育功能方面的需求，也还要承载着通过其“别样”的建筑形象来表达全国人民百年奥运梦想成真的情感需求，承载着要为最出色的一届奥运会留下最出色的“建筑遗产”的使命。

自然的，建筑师是无法单独承担这样的使命的，必须依靠结构工程师的支持来实现其“特别”的表达需求。或者说，结构工程师在这个时侯是没有选择的自由的，只有绞尽脑汁为建筑师的这种需求寻找“解决方案”，于是，百年之前的理论物理学命题“泡沫理论”被结构师拿来经过有趣的数学变换，最终成了表达建筑师“看似无序的水分子结构”的最好载体。

国家游泳中心总平面图

■建筑结构形式的争议多半不是“好与不好”的问题，而是“值与不值”的问题

为了满足建筑师们的“浪漫”需求，在传统的结构构成方式无能为力的时候，结构设计师就必须探索新的、非传统的结构构成方式。结构系统的基本形式，可以说已经被我们认识的差不多了，但是，这种说法只是限于基本体系，并不意味着创造新的结构形态可能性的减少，在拥有无限多样的物种的丰富多彩的世界里，限定结构形态的类型显然是不恰当的。

结构工程师的任务就是在既要保证结构安全同时又要满足建筑美学需求的杠杆上寻找一个平衡点。只是，世界上终究没有免费的午餐，当各种或是张扬的、或是陌生的结构形态出现的时候，在结构材料科学还没有长足的发展的时候，在我们还不得不用传统的结构材料去实现这样一个个“浪漫”的需求的时候，对结构安全的关注也就从来没有象现在这样引起一端又一端的“争议”。

从一个结构设计与研究工作者的角度看待这些“争议”，我认为很多时候我们是可以在力学或规范的原则内寻找到这个“平衡点”的，随后的问题是，这会要我们付出多大的“代价”，或者说要我们支付多大的“结构成本”？我认为对这个我们要支付的成本“值与不值”的不同看法是对建筑结构形式“争议”的焦点问题。

其实，作为一个结构工程师，常常是不能判断建筑的形象与情感“效益”与结构实现的“成本”之间到底谁高谁底的，因为前者是很难量化的。我们所能做的就是在保证建筑功能与美学需求的诸种可选择的结构实现方式中找到成本较低的解决方案。

国家游泳中心南北剖面图

国家大剧院南北剖面图

例如，在国家大剧院工程结构的第一轮初步设计时，法国ADP公司确定的结构底板的顶面标高为-26.0米，这个标高受到了中国建筑与结构工程师的质疑，如此深的基槽，且不说开挖与降水的成本会很高，结构寿命期内的抗浮设计成本更是一项很大的投入，为此，我们建议在保证其建筑功能需要的前提下，尽可能提高建筑底面标高，法方在修改后的初步设计中将这一标高提高到了-22.0米。

与上述情形相反，国家游泳中心工程的建筑设计由于采用了ETFE双层充气膜，这种膜材的造价很高，所以，在相对深挖（增加基础开挖与结构抗浮成本）和抬升建筑总高度（增加围护膜材的用量）的比较选择中建筑师完全依赖的就是综合成本最小化的原则。

■结构工程师要给浪漫的建筑师和建筑师的浪漫设定一条底线

作为一名结构工程师，我们还应该清醒地认识到，结构科学和材料科学的发展远没有达到可以令建筑师们的“浪漫思维”无约无束的境地。在实际结构的建造过程中影响结构安全的因素众多，一方面，建筑结构理论归根结底是一门实验科学，理论与实际的偏差不可避免，另一方面，建造技术的发展水平和区域差异以及施工质量控制等等方面的诸多因素，都会给实际建造完成的建筑结构安全性能带来某种程度的不确定性。

所以，建筑师们在通过建筑表达其美学或情感需求的时候，结构工程师们还是要给他们设定一条底线。这条底线不仅依赖于当代人类对自然界的认识水平，而且还依赖于现代结构技术与材料科学的发展水平，依赖于结构分析技术的发展水平。在某种程度上，我们可以允许他们突破某些“规范”条文的底线，但是不能允许他们突破“基本力学准则”的底线。尤其是当我们面对国外建筑师的时候，这一点做起来很难，譬如在和安德鲁的法国ADP团队合作设计国家大剧院的过程中，我们就经历了多次的“争执与说服”的过程。

国家游泳中心的设计过程也给了我们很多启示，在建筑师浪漫的创意和结构的可实现之间还是有较长的一段路要走的，因此，我们投入很多精力进行了这种新型多面体空间钢框架结构的试验研究，最终才可以保证这种结构的安全、可靠。

钢骨架结构效果

ETFE充气枕结构

■不能认为结构设计安全与结构设计的创造性是永远的矛盾

实际上，对结构设计安全性的忧虑往往会束缚住我们结构设计创造性探索的步伐，虽然这种忧虑不是多余的。发生巴黎机场结构倒塌事故后，我们听到的几乎都是对安德鲁主持设计的建筑的一片怀疑之声，结构设计工程师们，尤其是从事重要公共建筑结构设计的工程师们更是增添了更多的谨慎与小心。

我认为，结构设计的任务始终是：按照建筑的功能与美学需求确定安全、合理的结构体系；进而依据建筑结构可靠度设计有关标准所确定的原则对结构作用效应与结构抗力进行符合结构实际工作条件（性能）的分析；最终应做到在规定的结构设计使用年限内，在现行规范规定的各种荷载作用下，所设计的结构是安全可靠、经济合理、技术先进的。

为了实现这样的使命，对结构设计安全的自始至终的关切无疑是必要的，另一方面，结构设计的创造性不但是当今建筑设计发展的必然要求，同时也是结构设计技术自身发展的要求。国家大剧院、国家体育场、国家游泳中心以及新中央电视台等建筑在结构设计方面的创造性探索可以为我们跟踪当今世界先进的结构设计理念提供一些线索，也可以让我们检视一下很多经验的、传统的结构设计思维是否还适应现代结构设计发展的要求。

“水立方”内外效果图

第2篇

1.1剪力墙结构设计的概述

通常来说，一般剪力墙结构的建设规模较大，可实际厚度较小。因此，这种特点也决定了剪力墙结构的具体形状以及承受能力的大小。其中，剪力墙结构的组织形状相似于板状，自身具备了较高的承受能力，与柱子的受力程度非常相似。然而，在其他方面上，这两者有着十分明显的差异。并且，剪力墙结构是建筑结构中不可或缺的核心部分，设计人员在对其进行设计时，不仅要充分发挥剪力墙结构固有的承载力大和平面内刚度大的优点，还应该按照不同场所要求，设计出科学合理的剪力墙结构设计方案，使其发挥最大化的使用性能。

1.2剪力墙结构的分类

（1）虽然实体墙与截面剪力墙在某些方面，有着较大的差异。可是，这两者的开通面积与不开通面积是基本相同的。并且，这种剪力墙结构形式在发生变化时，也是呈现了曲线状态，是一种固定不变的形态。

（2）即使剪力墙开口不大，但因为剪力墙开通面积已经远远超出了规定范围。所以，此时的剪力墙结构呈现的是弯曲状态，并且无任何的阻挡点，从而导致其位置和形态均发生了不同程度的变化。

2.剪力墙建筑结构的厚度和长度的选取

剪力墙墙肢截面的高度就是剪力墙墙肢的长度，这个长度一般不应超过8m。在剪力墙结构设计中应确保剪力墙结构的延性，为了避免脆性的剪切破坏，可将高宽比大于2的细高剪力墙设计成弯曲破坏的延性剪力墙。但是有的墙体长度很长，为了确保墙体的高宽比值大于2，就要采取开设洞口的方法将长墙分成均匀的、长度较小的连肢墙，而其洞口则最好采用约束弯矩比较小的弱连梁。

3.剪力墙建筑结构设计计算的原则

设计人员在对剪力墙结构进行设计时，应该遵守相应的设计原则，真正做好考察工作，坚决不可以采用盲目的设计方法。只有这样，才能确保剪力墙结构设计的规范性，这也是保证建筑结构安全可靠性的重要表现。

3.1楼层之间最小剪力系数的调整原则

一般情况下，为了防止安全隐患的发生，减轻建筑结构的自身重量，设计人员在对建筑工程进行设计的过程中，可以采用减少剪力墙布置的方法。但是，这种设计形式有一个必要的前提条件，那就是短肢剪力墙的力矩必须保持在规范的标准要求内。同时还可以应用大开间的剪力墙结构，以此来提高建筑结构的强度，充分保证楼层剪力系数的安全性，并从一定程度上，大大降低了工程造价成本。

4.剪力墙结构优化设计的几点建议

我们知道，剪力墙结构作为建筑结构设计中至关重要的一个环节，其设计质量的好坏将会对建筑工程建设质量产生非常大的影响。而这种建筑结构形式因为具备较高的强度以及良好的延展性的优点，因此得到了十分广泛的应用，充分发挥了自身的有效价值。但是，在实际应用过程中，由于建筑工程存在很多的不确定性，当剪力墙结构发生明显的变化状态时，常常会受到一些外力因素的破坏，使得剪力墙结构的抗震性能遭到了一定的影响，同时也大大降低了建筑结构的稳定性。一般情况下，剪力墙结构最大的优点是具备了十分理想的承载能力。并且，在剪力墙结构的侧面部分，也拥有着较大的平面内刚度，这就充分保障了建筑物的安全性。另外，在建筑内部的剪力墙结构设计中，石柱与房梁都是隐蔽起来的，有效的提高了建筑室内的美感。但是，剪力墙结构也存在着较大的缺陷，无法为人们提供更多的可利用空间，经常会给人们的日常生活造成许多的不便。通过相关调查数据表明是刚韧性较强的剪力墙，在地震发生时，房屋所受到的损坏是最小的。但是，建筑设计人员一定要注意将其控制在合理的范围内，不允许其随意的扩散发展。从而确保剪力墙结构设计工作的质量和效率。其次，由于剪力墙结构成本费用较高，这无疑会对建筑工程建设成本上造成一定的压力。因此，建筑企业要采取及时有效的解决对策，尽可能减少工程成本的浪费，促剪力墙结构能够正常运行。

5.结束语

第3篇

在建筑形式和数量不断增多的前提下，工程项目中所涉及的信息量也越来越大，这些信息如果得到及时收集，并加以利用，那么对于其他建筑工程的建设将会具有极大的推动作用。不但能够缩短工期，还能够加有效节约成本，提高施工质量，除此之外还能够更好的避免很多施工事故的发生，因此，信息技术在我国建筑工程中的优势非常显著。但是现阶段，我国还是应该采取一定的措施更好的发展和推广这项技术，这样才能够将次技术的优势充分发挥出来，有效的节约成本，提高施工效率以及施工安全保障。在这个基础之上，我国相关技术人员应该全方面，高效率的对BIM技术的核心技术原理进行研究，可以说，此项技术是我国建筑设计领域的新起点，是一次革命性的开始，因此具有非常巨大的现实意义。

二、BIM模型所包含的设计项目

1.构件方面

BIM技术在建筑结构构件设计中具有非常重要的作用，其中内容很丰富，包括构建材料、几何尺寸以及荷载等信息，这些信息能够非常直观的显示出来，相关的设计人员能够随时进行使用和分享。尤其是在结构节点设计方面，BIM技术的使用，能够快速和直接进行构件作用的判断，将梁、板以及墙、柱等部分的信息进行定义，同时能够对连接构件做出更加合理的判定，这样是为了更好的将其与节点的进行匹配，这样就能够将所建立模型的信息进行科学地参数计算。比如，建筑设计中的混凝土构件，BIM技术能够将其使用量的多少以及钢筋的用量进行准确预测，并将其现实在模型信息中。

2.整体层次关系

使用BIM技术，必须要建模，而模型的构件需要大量的信息数据，在虚拟的条件下，模型能够非常正确完整将结构进行优化调整，为人们提供最合理、最具可行性的施工方案，同时，还可以缓解施工过程中所产生的突发问题，协调各部分施工之间的关系，BIM技术可以及时搜集并整理各种施工信息，并实现分享，施工人员以及技术人员在需要的时候可以随时进行查阅和使用，为建筑结构整体分析计算提供更多依据。

三、BIM模型的层次应用

1.BIM模型的集成化应用

BIM模型采用的是参数化的描述方式，这种方法是目前最合理的信息单元描述方式，能够非常准确的将建筑结构中的梁、墙以及柱等部分建立模型，在建立模型的时候，建筑物实际上就是真实的展现过程中，其内部信息以及内涵都会被描述出来。另外，在建立模型的这个过程中，系统还会对结构中大量物理信息进行全面的分析，进行分类处理。技术人员能够更加直观，便捷、多方位的对建筑物的构造情况进行了解，从而有效避免很多设计上失误，以及事故的发生。

BIM技术的核心就是利用数据库模型体现出各个设计参数，这使很多结构模型都和实体结构参数相互一致，参数在形成模型化后，会根据不同的构件特征形成相互的规则性，使模型设计能够和实际施工相互联系。

3.信息共享和交换

在结构设计完成后，BIM模型能够直接读取结构设计中的信息，并且结合这些信息建立完整的结构分析模型。三维模型的结构布置保持与分析模型相互一致的状态，使结构状态得到高度的统一，建筑信息模型在传统的模型分析上往往以数据作为基础，BIM在读取数据的过程中，使数据文件转换为自身的结构形式，最终实现设计流程中的资源共享，以此提高资源的协调应用能力。

四、结构设计中BIM应用的难点

1.应用BIM技术的三维设计工具软件（Revit釆等）用了较多的模块参变量和系统参数，与二维创建视图技术有很大的不同，软件需要兼顾与二维设计习惯的一致性，所以模块参变量和系统参数比常规工具软件要复杂很多倍，这就使得应用中因为系统参数设置不当或参数与参数之间不匹配而导致很多意想不到的问题。

2.在进行结构设计时，很多结构形式十分特殊，这就需要特殊的结构模块对其进行控制，但是三维图形和剖面视图不能形成理想的施工效果，很多设计者会因此放弃BIM技术，而使用原始的二维绘图设计方案

3.结构工程师在建立BIM模型时，注重的问题主要是物理模型能否自动生成平法施工图文档，以及能否正确转化为可以被结构分析软件认可的结构分析模型。在结构设计中，安全性分析计算是首要环节和重要问题。BIM建立的是完全的数据库式模型，从理论上来说，实现BIM物理模型与结构分析模型之间的双向链接是完全可行的。

五、BIM在结构设计中的处理办法

1.建立完整的项目样板

在建筑结构设计中，项目样板是所有设计中的基础，而项目样板设计所包含内容很多，具体为标准化处理的线型、字体以及符号等方面。而BIM技术的应用，能够快速有效的建立完整的样板，并且能够避免很多必要的重复，减少无用功，提高工作效率，现阶段，我国已经建立了一套符合我国实际情况的设计标准，这项标准能够对我国结构设计中的各个环节进行监控并能够更具不同用户的需求，有针对性的进行指导。

2.设计符合要求的结构构件

在建筑结构中，梁、柱以及楼板等都是非常重要的基础部件，因此这些部件对于建筑来说，有着非常重要的支撑作用，通常来说，它们一般为预制部件、现浇部件以及各种更结构部件等。设计的时候，要从建筑物的实际情况出发，根据不同需要进行设计。在这些形式中，比较常用的就是现浇部件。设计的时候，设计人员应该严格进行设计方案的选择，部件功能不同，浇筑的方式也不同，要最大限度减少不同因素之间的冲突反映。保障结构部件的作用能够得以有效发挥。

3.钢筋混凝土结构中的平法表示

在钢筋混凝土施工图绘制中，通常采用平面方法进行表示，在图纸上采取特殊的标点符号进行标注，施工技术人员通过工艺转换形成样图。BIM技术可以使平面表示法的内容多环节和多角度展示，BIM模型能够更加轻松的提取出关键数据和核心信息，以满足施工时间和放样需求。

六、结束语