建筑结构设计的程序与方法研究.docx
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建筑结构设计的程序与方法研究
学校代码：
10128
学号：
科研训练
题目：
建筑结构设计的程序与方法研究
学生姓名：
学院：
土木工程学院
系别：
建筑工程系
专业：
土木工程专业（建筑工程方向）
班级：
指导教师：
建筑结构设计程序与方法
摘要：
（1）方案设计阶段结构专业设计人员要做到：
确定建筑结构安全等级，设计使用年限和建筑抗震设防类别等；根据建筑功能要求，多方案比较确定结构选型。
（2）各种类型的建筑结构，其构造是复杂多样的，节点往往是刚结的，都属于高次超静定的三维空间结构体系，其动力与地震反应分析和研究以及试验与计算都是非常复杂的，不论采用那种方法都有相当大的难度。
关键词：
房屋建筑结构方案设计研究方法
总则规定：
民用建筑工程一般应分为方案设计、初步设计和施工图设计三个阶段；对于技术要求简单的民用建筑工程，经有关主管部门同意，并且合同中有不作初步设计的约定，可在方案设计审批后直接进入施工图设计。
1.各阶段设计文件编制深度应按以下原则进行：
（1）方案设计文件，应满足编制初步设计文件的需要。
（注：
对于投标方案，设计文件深度应满足标书要求。
）
（2）初步设计文件，应满足编制施工图设计文件的需要。
（3）施工图设计文件，应满足设备材料采购、非标准设备制作和施工的需要。
对于将项目分别发包给几个设计单位或实施设计分包的情况，设计文件相互关联处的深度应当满足各承包或分包单位设计的需要。
2.在设计中应因地制宜正确选用国家、行业和地方建筑标准设计，并在设计文件的图纸目录或施工图设计说明中注明被应用图集的名称。
重复利用其他工程的图纸时，应详细了解原图利用的条件和内容，并作必要的核算和修改，以满足新设计项目的需要。
3.当设计合同对设计文件编制深度另有要求时，设计文件编制深度应同时满足本规定和设计合同的要求。
4.本规定对设计文件编制深度的要求具有通用性。
对于具体的工
程项目设计，执行本规定时应根据项目的内容和设计范围对本规定的条文进行合理的取舍。
结构设计应根据工程的实际情况有计划地分时段、分批次进行。
各阶段都有相同内容，但设计深度不同，应该逐步加深。
通过各个阶段各专业互提资料，有序实现各阶段各专业的设计内容。
通过加强结构设计过程的执行，减少错、漏、碰、缺，保证设计质量，提高工作效率。
一、方案设计
方案设计阶段结构专业设计人员要做到：
确定建筑结构安全等级，设计使用年限和建筑抗震设防类别等；根据建筑功能要求，多方案比较确定结构选型。
结构设计人员应深入了解工程项目的规模、使用性质、设计标准和投资造价等情况，在建筑专业初步方案的基础上，根据是否抗震设防和结构设计人员自身拥有的结构设计概念、经验选择技术先进经济合理的结构方案。
任何工程项目的结构方案至关重要，直接关系安全、使用、施工周期和造价，结构设计在方案阶段应该重视。
方案设计文件是用于设计投标的必要内容，至关重要，方案设计不仅仅是建筑专业图纸和说明，各专业应融合其中，尤其是较复杂的大型公共建筑，必须有明确的结构方案，经得起方案设计评比中责问和评议。
方案设计文件同时也用于办理工程建设的报批有关手续中。
方案设计阶段一般结构专业没有图纸，结构体系、柱网和墙体布置在建筑专业有关图纸中表达，而结构设计方案要有说明。
结构方案
设计的说明是非常重要的，尤其是要简要、通俗地说明本工程结构体系的选择合理性和先进性。
要做好设计方案介绍的准备。
在工程方案设计评比时，不采用招投标方式，也需要给投资建设单位进行设计方案的全面介绍；不仅仅建筑专业（当然是主要的专业），其他有关专业也需要作介绍。
对于某些工程如大跨度体育馆建筑、机场候机楼、影剧院及超限高层建筑，结构设计方案介绍是重要内容。
结构专业接收各专业提供资料
提出专业
内容
深度要求
表达方式
备注
图
表
文字
建筑
设计
依据
工程设计有关的依据性文件
●
设计依据主要由建设单位提供资料，应由项目设计总负责人汇总，提供给各专业
建设单位设计任务书
●
政府有关主管部门对项目设计提出的要求，如根据城市规划对建筑高度限制，说明建筑物、构筑物的控制高度（包括最高和最低高度限值）；人防平战设置要求，防护等级等
●
城市规划限定的用地红线、建筑红线及地形测量图
●
设计基础资料：
气象、地形地貌、地质初（勘）察报告及外网条件
●
工程规模（如总建筑面积、总投资、容纳人数等）
●
简要
说明
列出主要技术经济指标，以及主要建筑或核心建筑的层数、层高和总高度等项指标；功能布局
●
●
设计标准（包括工程等级、建筑的使用年限、耐火等级、装修标准等）
●
●
总平面布置说明
●
设计图纸
总平面图
场地的区域位置、场地的范围
●
标注场地内与原有建筑及规划的城市道路和建筑物的距离，并注明需保留的建筑物、古树名木、历史文化遗存
●
场地内拟建道路、停车场、广场、绿地及建筑物的布置，表示出主要建筑物与用地界线（或道路红线、建筑红线）及相邻建筑物之间的距离，场地竖向控制设想
●
标注建筑物名称、出入口位置、层数
●
各层平面图
尺寸：
总尺寸、开间、进深尺寸和柱网尺寸
●
方案设计中也可用手绘图提交给各专业
各房间使用名称、主要房间面积
●
各楼层地面标高；屋面标高
●
室内停车库的停车位和行车路线
●
划分防火分区
●
立面图
选择一、二个有代表性的立面
●
各立面主要部位和最高点或主体建筑的总高度
●
平、剖面未能表示的屋顶标高或高度
●
标注外墙面所采用的饰面材料
●
剖面图
标出各层标高及室外地面标高、特殊指明的房间名称
●
选择典型剖面
标出各层竖向尺寸及总的竖向尺寸
●
如遇有高度控制时，还应标明最高的标高
●
结构专业接收给排水、暖通、电气专业提供资料
提出
专业
内容
深度要求
表达方式
位置
尺寸
标高
荷载
其他
图
表
文字
给排水
楼板、承重墙上要开的大洞（如设备运输、维修洞）
●
●
屋顶板或楼板上要放置较重设备（如中转层水箱、水泵房等）
●
估算荷载（kg/m2）
●
有特殊要求的空间（如需拔柱、去楼板的用房）
●
●
●
暖通
各专业机房（制冷机房、锅炉房、热交换站、空调机房等）
面积及净高要求、设置区域、荷载
●
电气
楼板、承重墙上要开的大洞（如设备运输、维修洞）
●
●
屋顶板或楼板上要放置较重设备（如卫星天线、中转层变配电所）
●
估算荷载（kg/m2）
●
有特殊要求的空间（如需拔柱、去楼板的用房）
●
●
●
结构专业提供资料
接受
专业
内容
深度要求
表达方式
图
表
文字
各专业
结构布置原则
开间、进深和柱网建议尺寸，剪力墙布置间距及数量，确认建筑的平面长宽比、高宽比、结构收进和突出的尺寸及高度等
●
●
上部结构选型
采用砌体结构、框架结构、框架剪力墙结构、剪力墙结构、筒体结构、混合结构、钢结构等
●
基础
初估基础埋深，地基基础设计等级，可能的基础形式
●
大跨度、大空间结构
结构可能的形式，网架结构，预应力混凝土结构等
●
结构单元划分
结构伸缩缝，沉降缝，抗震缝的预计位置和预计宽度
●
结构设计标准参数
结构抗震设防烈度；结构安全等级；设计使用年限
●
二、初步设计
初步设计阶段结构专业设计人员要做到：
确定结构设计原则、对方案设计阶段确定的结构体系的确认，并提出基本构件的控制尺寸；设计文件应尽量考虑周到、为施工图设计打下一个好基础，提供能为编制概算所需的结构简图及附加的文字说明。
（1）结构专业接收各专业提供资料
结构专业接收建筑专业提供资料
提出专业
内容
表达方式
备注
图
表
文字
建筑
经主管部门批准的方案设计审批意见
●
审批意见由建设单位提供资料
依据主管部门、建设单位审查意见，适当调整方案设计图纸（总平面布置、平、立、剖面图）
●
在初步设计过程中需要补充和调整的内容
●
结构专业接收建筑专业提供资料
提出专业
内容
深度要求
表达方式
备注
图
表
文字
建筑
设计
依据
补充设计任务书
●
设计依据由项目设计总负责人向见者单位索取
规划委员会审定后的设计方案通知书
●
建设单位对方案的修改意见和有关会议纪要等文件
●
建设单位提供的地形图、红线图、市政道路（现状、规划）、管线图（规划或现状）及地质勘测资料
●
●
简要
设计
说明
概述经过调整的方案设计（包括：
层数、层高、总高度。
结构造型和墙体材料。
建筑内部的交通组织、防火设计以及无障碍、节能、智能化、人防等）设计情况和采取的特殊技术措施
●
●
交通组织中的电梯、电动扶梯的功能、数量及吨位、速度等参数用表格
多子项工程的单子项可用建筑项目主要特征表作综合说明
●
●
建筑工程有特殊要求和其它需要另行委托设计、加工的工程内容
●
设计说明书
建筑说明部分
●
设计说明书为扩初设计文件的一部分
消防设计专篇（建筑部分）
●
人防设计专篇（建筑部分）
●
环保设计专篇（建筑部分）
●
设计图纸
总平面图
测量坐标网、坐标值，场地范围的测量坐标（或定位尺寸）道路红线、建筑红线或用地界线
●
简单的单子项工程，竖向布置同时与总平面图合并
场地四邻原有及规划道路的位置，道路和邻地的控制标高和主要建筑物及构筑物的位置、名称、层数、建筑距离
●
场地道路、广场的停车场及停车位、消防车道
●
绿化、景观（水景、喷泉等）及休闲设施的布置示意
●
主要道路广场的起点、变坡点、转折点和终点的设计标高，以及场地的控制标高
●
用箭头或等高线表示地面坡向，并表示出护坡、挡土墙、排水沟等
●
注明建筑单体相对定位，以及±0.000与绝对标高的关系。
室外地坪（四角标高、出入口标高）
●
各层平面图
注明房间名称
●
方案设计中也可用手绘图提交给各专业
注明承重结构的轴线及编号、柱网尺寸和总尺寸
●
主要结构和建筑构配件，如非承重墙、壁柱、门窗、楼梯、电梯、自动扶梯、中庭（及其上空）、平台、阳台、雨篷、台阶、坡道等
●
主要建筑设备的固定位置，如水池、卫生器具与设备专业有关的设备位置
●
结构专业接收建筑专业提供资料
提出专业
内容
深度要求
表达方式
备注
图
表
文字
建筑
设计图纸
各层平面图
建筑平面的防火分区和防火分区的分隔位置、面积及防火门、防火卷帘的位置和等级，同时应表示疏散方向等
●
对紧邻原有建筑，应绘出局部平面
变形缝位置
●
室内、室外地面设计标高及地上、地下各层楼地面标高
●
室内停车库的停车位和行车线路及机械停车范围
●
人防分区图、人防布置图，防护门、防护密闭门、口部、通风竖井等
●
管道井及其它专业需要的竖井位置，楼屋面及承重墙上较大洞口的位置
●
当围护结构采用特殊材料时，应注明与主体结构的定位关系；有特殊要求的房间放大平面布置
●
立面图
立面图两端的轴线号
●
立面外轮廓及主要结构和建筑部件的可见部分
●
平、剖面未能表示的屋顶标高或高度
●
外墙面上的装饰材料
●
剖面图
建筑物两端的轴线
●
必须标注所剖切的轴线号，转折剖切时应标注转折处的轴线号
主要结构和建筑构造配件部分，如：
地面、檐口、女儿墙、梁、柱、内外门窗、阳台、挑郎、共享空间，电梯机房、楼板、屋顶等，或其它特殊空间
●
各层楼地面和室外标高，以及室外地面至建筑檐口或女儿墙顶的总高度，各楼层之间尺寸
●
楼地面、屋面、吊顶、隔墙、外保温、地下室防水处理示意
●
结构专业接收给排水、暖通、电气专业提供资料
提出
专业
内容
深度要求
表达方式
位置
尺寸
标高
荷载
其他
图
表
文字
给排水
消防水池、生活水池、屋顶水箱（池）、集水井（坑）等水专业构筑物
●
●
●
贮水容积、水有无腐蚀性
●
给排水设备（水泵、热交换器、冷却塔、水处理设备等
●
●
●
位于承重结构上的大型设备吊装孔（洞）
●
●
●
穿基础的给排水管道
●
●
套管管径
●
管沟
●
●
●
三、施工图设计
施工图设计阶段，结构专业应完成图纸目录、设计说明、设计图纸、计算书（计算书应一式两份，一份单位内部存档）。
施工图设计阶段各专业分三个时段互提资料，做为各专业在施工图设计过程中的依据。
第一时段结构专业接收建筑专业提供的资料后，通过各专业的配合，对提供的资料进行复核和确认，及时提出调整补充意见反馈给建筑专业。
第二时段结构专业接收建筑专业提供的资料后开始分批（次）反提资料，反提资料可采用文字、图、表等形式。
第三时段结构专业接收建筑专业提供的资料后反提资料，与各专业间细微修改、调整及配合，按设计进度同期进行。
四、结构设计后期服务
结构设计后期服务主要是施工图技术交底、基础验槽、结构验收、现场配合。
（一）施工图技术交底提纲
（二）基础验槽
（三）结构验收
（四）现场施工配合
五、设计资料归档
建筑工程施工过程中产生的设计变更，应一式五份签字盖章，一份单位内部存档用，其余交给建设单位分配。
在建筑工程竣工验收后，将所有设计变更、结构计算书、施工图CAD文件及PKPM建模计算文件整理，交付工程负责人存档。
（二）建筑结构的研究方法方法综述:
各种类型的建筑结构，其构造是复杂多样的，节点往往是刚结的，都属于高次超静定的三维空间结构体系，其动力与地震反应分析和研究以及试验与计算都是非常复杂的，不论采用那种方法都有相当大的难度。
1力法
力法是国内外长期沿用的一种较为繁杂的传统的研究方法。
力法以多余未知力为基本未知量，多余未知力的数目为结构的超静定次数；力法所利用的基本体系是从原结构中去
掉多余的联系，并以未知力来代替多于联系的静定体系；力法的基本方程表示基本体系
恢复到原结构的条件和基本体系沿每一多余未知力方向的位移为零；力法体现了建筑结
构的变形连续条件。
力法的应用效果评论：
高而庞大的构造复杂多样的各种类型的建筑结构都属于三维空间体系，只有将三维力系简化为二维后才能应用力法，且仍要得出高阶线性方程组。
对这
些现行方程组的求解或计算相当麻烦，并且还很可能难于实现，还必须进行大量的简化
处理，这就失去了结构变形的真实特性与特征，失去了结构动力分析的可靠性和真实意
义。
2位移法
位移法也是长期沿用的既复杂繁琐而有传统经典的一种方法。
位移法以独立的节点位移为基本未知量，独立的节点位移数目与超静定次数无关；位移法所用的基本体系是从原
结构中沿独立位移方向添加约束并引入未知位移而得到的体系，在体系中各杆都变成两
端固定的构件，无论是由于结点的单位位移或由于荷载作用，杆端的弯矩都可以由转角
位移方程来确定；位移法方程表示基本体系每一附加约束处的反力为零；位移法体现了
静力或动力的平衡条件。
位移法效果评论：
与力法有着相同和相似的结论。
3糖葫芦串方法
糖葫芦串方法是一种沿用较久应用比较广泛的简单方便的方法。
糖葫芦串法就是将某个建筑结构物的所有竖向构件简化为一个一维的竖向悬臂梁，而将各层不同的标高处的所
有水平向构件简化为集中质量分布于悬臂梁上，形如插在地上的糖葫芦串，然后应用位
移法或力法建立地震与动力方程再进行求解，并进行地震随机反应分析与研究。
糖葫芦串方法应用效果研究：
这种方法确实是一种简单方便的研究方法，但是，无论哪
一种建筑结构，一般都属于三维空间力系，简化为二维平面时就已丧失了空间力系的力
学特性及变形特征，再简化为一维悬臂梁又丧失了平面力系的力学特性及变形特征，再
由于力法或位移法的高阶线形代数方程组的简化，可想而知，这种糖葫芦方法是何等的
粗糙，与建筑结构的真实变形状态和实际力学特性相差就更远了。
4有限差分法
有限差分法是对连续体作"数学"上近似的较为一般的数值方法，亦是长期沿用的复杂繁琐的又传统经典的一种方法，有限差分法之所以是数学上的近似，主要就是将所需求解
的振动微分方程式根据微分原理以近似的有限差分式来代替，亦即将其变成一组有限个
线形代数方程式，其未知数的个数等于要决定的方程式的数目，不同类型的问题可用不
同形式的离散点来建立不同形式的格网进行求解，但其置换的法则有多种，可任意取其
中的一种。
有限差分法应用效果评论：
对于某一个受力构件用有限差分法来近似研究或计算时，差分的误差值与所取得网格点的多少密切相关，格点愈少误差值愈大；格点愈密误差值愈
小，可是构成这个方程组的线形代数方程式就愈多，相应的计算量就愈大；然而，对于
一幢庞大的建筑物而言，有大量的梁、柱、墙和其他构件，需建立大量的方程组，而每
组又包括极多的代数方程式，其工作量和计算量相当可观，这还只是结构的二维问题。
对于三维问题不仅力学问题相当复杂，而且计算问题也相当困难，所以，有限差分法的
近似性和粗糙性以及难易性更是可想而知了。
5有限单元法
有限单元法是对连续体作"物理"上近似的一般数值计算方法，也是应用时间比较长的、复杂传统的、比较广泛应用的一种方法。
有限单元法之所以是物理上近似的，主要就是把一个连续体分割成有限多个单元体，也就是把原来的连续体看成是由这些有限多个单
元在结点上互相连接所构成的集合体，然后，在根据能量原理寻求物理平衡状态的一种
非常近似的方法。
有限单元法主要借助力法和位移法来解决实际问题，一般比较常用的
是位移法。
有限单元法应用效果评论：
有限单元法是人为的将一个构件连续体分割成有限多个单元体，只有将单元体分割的充分小而又相当多的时候，建立高阶线性方程组并进行求解与
计算，才能较真实地近似体现这一构件的动力特性及变形特征。
但是，对于一幢建筑结
构，由于其高大及其内部的构造和受力变形问题的复杂，使其自由度数目相当庞大，未
知数目过多而导致单元数目惊人，所建立的高阶线性代数方程组及各组的方程式数目惊
人，这就使计算量过大而导致难以实现，只有在大量压缩简化高阶线性方程组和方程式
后才能进行粗略的计算，这使计算的结果失去了真实性。
如果将单元分割的充分大而又
相当的少，就会导致这近似性很差，使建筑结构实际动力特性与变形特性的计算结果失
真。
同时还需将三位空间结构进行大量的简化之后才能应用这种方法进行计算，这就更
显示了这种方法的粗糙性。
有限单元的应用中，还有的将建筑结构的一个方向的水平层作为一个单元或者将一个方向的竖向墙、柱等国各种构件归为一个单元来研究。
对于一幢建筑结构，主要是由横向
和竖向各种构件构成一个庞大的空间体系及力系，在沿某一方向受力变形时，这一方向
的各种构件有些要受拉伸、有些要受压缩、有些还可能本身就有一部分受拉一部分受压，
并且有些构件还可能受扭，这些构件都可能受到弯曲、剪切、扭转、压缩和摇摆等变形的影响；而另一方向的各种构件就有可能起到支撑、增强这一方向的刚度和增加惯性力的
作用，并对弯曲、剪切、扭转、压缩和摇摆产生影响。
作为一个构件繁多、构造复杂的
空间建筑力系，不仅体系是连续的，而其各种力的构成也是相当复杂的，取水平向或竖
向的某一单方向的所有构件作为一个单元，这是经过了大量简化处理后的一种较为粗糙
的做法，但这样处理后便于利用有限单元法对建筑结构的三维空间问题进行计算，尽管
其计算结果是非常粗糙近似的，但是，与力法、位移法、糖葫芦串方法及有限差分法相
比较，还是一个相当大的进步，是一个非常大的历史跨越。
而且随着计算机技术的不断发展，高性能的计算机已经日益普及，新的快速高效的计算方法不断被提出，所以大量繁琐的工作可以较快的解决。
正因为如此，有限元法正是现在工程上，科研上被大家广泛使用的计算方法。
6试验方法
试验方法主要是应用相似律将足尺原型建筑结构微缩后制成模型上试验台进行试验的一种研究方法，也是一种长期以来一直沿用的复杂繁琐但又经典传统的经验方法。
试验方法应用效果评论：
在建筑结构中，对于某个构件而言，其刚度与材料的几何及弹性模量等的物理特性有关，弹性模量与材料的应力及应变有关，应力及应变与内力及变形有关。
如果微缩模型的材料与足尺原型结构的材料相同，这是物理上的相同而非相似,根本就不符合相似律。
因此，对于一个构件如果在其应力、应变、弹性模量和几何尺寸这四者中若是有1～2个因素不相似，就会造成另外2～3个因素不相似。
如果这个建筑结构只有一个构件的话，虽然有难度，总还可以做得出，那么这个建筑物就只是一个插在地上的悬臂梁或者是桩。
对于一幢庞大的建筑结构体系，要进行试验，就需要按相似律设计出这个原型结构的微缩模型。
可是，高而庞大的建筑结构千姿百态、形态各异、内部构件千变变化、复杂多
样，那么模型的每个构件都能设计得相似吗?
相似律不满足，其试验结果就令人难以相信，
又如何谈论其真实意义和正确性呢?
对于一幢原型足尺建筑结构而言，其弯曲变形成份和转动惯量成份比较大、而剪变形成份比较小。
相对而言，微缩模型的弯曲变形成份和转动惯量成份比较小，而剪变形成份比较大，所以在力与变形问题上，微缩模型的试验结果很难与足尺的原型建筑结构有满意的相似结果。
场地地基一般都是层状的，每层的物理、几何及力学特性都是很不相同的。
试验台与这层状场地地基相比相差很大，很不符合相似律。
地震通常都发生在大面积区域上，相对来讲，场地为无限大，而一幢建筑就是有限小，然而对于有限大的试验台而言，模型应做成无限小才能与足尺的原型建筑符合相似律，这是难以实现的。
原型结构上的荷载很难与模型上的荷载相似，地震波在场地中传播的波动力很难与振动台的激振力相似，这也不符合相似律。
根据以上所评析的各种情况，可想而知，目前一些试验方法的结果有多大的真实性与可信度可言呢?
7混合法
混合法是将试验方法分别同力法、位移法、分布质量法、有限差分法、有限单元法等相结合的一种方法。
混合法应用效果评论：
混合法的具体做法，是将某幢建筑结构的某些部分制成微缩模型进行试验，而另外部分用上述某种方法进行研究。
将一幢建筑结构分开分别运甲这两种方法混合研究，相似律怎样确定呢?
两部分怎样结合在一起呢?
那么弯曲、剪切、扭转、压缩和摇摆等各种力及变形在三
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