1、如何避免建筑结构设计中常遇的问题摘要：近年来，由于人们对于结构安全性、经济效益及施工可操作性等方面要求的日益严格，如何根据不同工程情况选择适合的设计软件，建立模型并剔除计算结果中具有缺陷的部分有了全新的要求。本文通过对近几年地震灾害过程中的人员和经济损失情况，以及最近今年出现的一些设计人员过度依赖设计软件结果的现象，提出了如何如何根据不同的工程情况选择设计软件，建立模型，通过掌握一定程度的建筑结构知识来对计算结果进行定性分析和判断并对相应的设计结果进行优化和深化设计。 关键词：建立模型；概念设计；深化设计；计算软件；刚度控制 中图分类号：TU318 文献标识码：A 如何根据不同的工程情况选择设
2、计软件，建立模型，通过掌握一定程度的建筑结构知识来对计算结果进行定性分析和判断并对相应的设计结果进行优化和深化设计是我们目前需要解决的一个非常重要的科学问题。因此我们可以从概念设计、选择计算软件和对结构整体刚度及构件的相对刚度控制三个主要的方面入手来解决这一问题。 选题背景 地震是对人类危害最大的自然灾害之一。据统计，二十世纪以来，震级在 8 级以上的震源深度在 300km 以内的地震共发生 47 次，直接死亡人数超过了 100 多万1。 我国的地理位置是位于欧亚地震带和环太平洋地震带的重叠交汇处，因此导致我国地质内部构造十分复杂，从而导致我国某些地区地震灾害频繁发生。我国是在当今世界中处于大
3、陆架上且地震发生非常频繁的少数几个国家之一。仅自 1900 年至 1995 年这前九十多年的地震数据显示，全世界由于地震而死亡的人数约 150 万人，其中有 61 万人是死亡在我国本土上，占全世界因地震死亡总人数的五分之二，其中一次地震死亡人数在 20 万人以上的两次大地震都发生在我国境内2。表 1.1 列出了自上世纪 50 年代以来，在国际上发生的 7 级以上并且所造成较大规模的人员伤亡和经济损失的地震1-3。 表 1.1 国际上近年来 7 级以上地震并造成较大规模损伤的地震 Tab. 1.1In recent years,over 7 magnitude and causeing heav
4、y damage of earthquake on international 时间 地点 震级 伤残人数 死亡或失踪人数 直接经济损失(美元) 1960.5 智利 8.3 - 1 万 5.5 亿 1970.05 秘鲁西部 7.8 10 万 6.7 万 - 1985.09 墨西哥湾 8.1 - 3.5 万 - 1990.06 伊朗 7.7 20 万 5 万 100 亿 1995.01 日本阪神 7.2 3.4 万 0.5 万 1000 亿 2010.01 海地 7.0 300 万 22 万 - 2010.02 智利 8.8 200 万 750 300 亿 2011.03 日本福岛 9.0 -
5、27475 12202350 亿 建筑物无法正常使用和房屋倒塌是地震过程中导致经济损失和人员伤亡的最主要原因。近年来发生的几次大地震：中国台湾省集集地震、汶川地震和青海玉树地震等让地震工程研究者认识到：“大震不倒、中震可修、小震不坏”的设防准则。然而由于设计者对于计算软件的过分信任，对于任何结构复杂程度、空间类型和安全等级的建筑结构均用一种软件进行计算和分析导致最近几次较大地震所导致的经济和人员损失巨大。具不完全统计仅集集地震、汶川地震和智利地震三个近年来比较大的地震就造成直接经济损失 492 亿美元1，其中的很大一部分是由于设计人员的设计失误或是施工人员的偷工减料造成的。针对设计人员过分依赖
6、设计软件的现象， 建筑抗震设计规范第 2.6.6 条， 高层建筑混凝土结构技术规程第 5.1.6 和混凝土结构设计规范第 11.6 中分别强调了对于软件计算结果要首先经过分析和判断其合理有效性后才可以用于工程设计4-6。因此如何根据不同的工程情况选择设计软件，建立模型，通过掌握一定程度的建筑结构知识来对计算结果进行定性分析和判断并对相应的设计结果进行优化和深化设计是我们目前需要解决的一个非常重要的科学问题。因此我们可以从概念设计、选择计算软件和对结构整体刚度及构件的相对刚度控制三个主要的方面入手来解决这一问题。 1、概念设计 概念设计是结构工程师展现先进设计思想的重要环节，结构工程师可以对特定
7、的建筑空间运用整体的概念来完成结构总体方案的设计，同时也要处理结构与结构、结构与构件、以及构件与构件之间的关系，并且还需要确定好细部构造的做法7-8。在细部构造做法这一环节中，结构工程师尤其应该注意： (1)全面认真的选择和建立与结构情况相对应的结构设计方案。建筑方案设计阶段，初步设计过程一般是不能够借助于计算机来实现的，这样的情况下，就需要结构工程师综合运用结构概念，依据成熟的工程经验所形成的设计原则，灵活的运用设计思想，综合考量并最终选择经济合理、结构安全的结构设计方案。 (2)客观、真实的理解结构的工作性能。结构工程师应能够客观、真实的理解结构的工作性能，由于现行的结构设计软件还不完善，
8、现行的结构设计理论与计算理论还存在许多的缺陷或不可计算性，如：基于弹性理论的内力计算方法与基于塑性理论的极限状态设计方法之间的矛盾，使计算结果与实际结构的受力状态相差甚远，要弥补计算理论的缺陷及计算软件计算的错误，实现对结构工程中大量无法直接计算的结构构件的设计，就需要通过概念设计和构造措施来达到结构设计的目的。在结构设计过程中，结构工程师需要深入理解结构工作机理，定性分析整体结构及各个不同部位的工作过程，剔除计算错误。在计算和分析过程中，且不可被计算机计算的“高精度”结果所迷惑，造成对结构工作性能的误解，为工程留下安全隐患。 (3)处理好结构的协同工作特性。结构工程具有良好的协同工作特性，可
9、以保证结构构件在结构整体工作过程共同受力，共同达到承载能力极限，避免出现木桶效应而影响整个工程的安全性和耐久性。如：基础与上部结构的共同工作性能应处理为一个有机整体；对结构中的各种“长、短”构件（长柱、短柱、长梁、短梁）应尽可能协调其跨高比与长细比，对边缘构件，如角柱、底层柱、剪力墙等，应恰当选择其构件截面，合理布置其空间位置，并通过结构措施保证其变形和强度，以满足结构受力、刚度和经济等方面的要求。 2、选择计算软件 首先，应根据工程情况了解设计计算软件的适用条件及工作条件。一般情况下可首选空间分析软件程序对结构进行整体性分析。例如：建筑平面中有一贯穿两层的中庭，在这种情况下楼面刚度将会受到较
10、大削弱，选用 TAT 程序计算就显得不妥，而应该选用具有楼板分块刚性假定9的 SATWE 计算。另外，应对所计算的工程特点有针对性地进行计算参数修改，例如：由于非结构构件的刚度存在，在计算上无法反映，房屋的实测周期（合理周期）将会大于计算周期的 23 倍，从而导致地震作用偏小，不能很好的反应最大层间位移角，也不能满足最小剪重比的限值，因此必须进行周期折减，而不能一味采用程序提供的缺省数值而造成计算误差。再者，应深入了解程序计算原理对实际操作的影晌，例如：一个工程由防震缝将上部结构分为独立的三个结构单元，在平面输入时为求画图方便，将其作为一个工程输入并计算，这样一来在整体分析时程序将会按照三个单元在同一振型下进行分析，这与实际工程情况是不符的。正确的做法应该是分成三个独立的工程进行建模、计算，以及将计算完成结果在绘图过程中拼成一个工程。最后，结构工程师还必须具有对结构分析软件的计算结果具有正确的判断能力，例如：不同场地土的底部剪力大小，不同工程结构的自振周期的范围等。
