建筑设计原理：形式建构—建筑结构.ppt

*学院建筑工程系 2009-09,建筑设计原理：形式建构 建筑结构,目录,1.1 建筑结构选型的原则,建筑结构是形成一定空间及造型，并具有承受人为和自然界施加于建筑物的各种荷载作用，使建筑物得以安全使用的骨架。,建筑结构是建筑三大构成要素中建筑技术的组成内容，是保证房屋安全的重要手段。建筑结构的形式是为了满足建筑功能要求，为创造建筑的美而服务。建筑结构与建筑设计是两个既相互独立又紧密联系的专业工种。建筑结构是解决坚固问题，处于服务地位，由注册结构师完成；建筑设计是解决功能、适用和美观的问题，处于先行与主导地位，由注册建筑师完成。建筑设计必须和建筑结构有机结合起来，只有真正符合结构逻辑的建筑才具有真实的表现力和实际的可行性，富有建筑的个性。,1.1 建筑结构选型的原则,在建筑设计中，空间组合和建筑造型的主要环节是选择最佳结构方案，即结构选型。结构选型应遵循以下原则：（1）适应建筑功能的要求对于有些公共建筑，其功能有视听要求，如：体育馆为保证较好的观看视觉效果，比赛大厅内不能设柱，必须采用大跨度结构；大型超市为满足购物的需要，室内空间具有流动性和灵活性，所以应采用框架结构。,1.1 建筑结构选型的原则,（2）满足建筑造型的需要对于建筑造型复杂、平面和立面特别不规则的建筑结构选型，要按实际需要在适当部位设置防震缝，形成较多有规则的结构单元。（3）充分发挥结构自身的优势每种结构形式都有各自的特点和不足，有其各自的适用范围，所以要结合建筑设计的具体情况进行结构选型。,1.1 建筑结构选型的原则,（4）考虑材料和施工的条件由于材料和施工技术的不同，其结构形式也不同。例如：砌体结构所用材料多为就地取材，施工简单，适用于低层、多层建筑。当钢材供应紧缺或钢材加工、施工技术不完善时，不可大量采用钢结构。（5）尽可能降低造价当几种结构形式都有可能满足建筑设计条件时，经济条件就是决定因素，尽量采用能降低工程造价的结构形式。,1.1 建筑结构选型的原则,1.2 建筑结构的组成与分类,（1）板：板的长、宽两个方向的尺寸远远大于其厚度尺寸。板有平板、曲面板和斜板。（2）梁：梁的截面宽度和高度尺寸远远小于其跨度尺寸。梁有直梁、曲梁和斜梁。（3）桁架、网架由杆件组成，且杆件截面尺寸远远小于其长度尺寸。,1.2.1.1 承受竖向荷载的水平构件,（1）柱：柱截面尺寸远小于其高度，承受梁传来的荷载。（2）墙体：墙体的长、宽两个方向的尺寸远大于其厚度尺寸，承受梁、板传来的荷载。（3）基础：基础是建筑物与地基相联系的部分，承受建筑物的全部荷载并传至地基。,1.2.1.2 支撑水平构件或承担水平荷载的构件,1.2 建筑结构的组成与分类,（1）单层结构（13层，多用于单层厂房、食堂、影剧院、仓库）；（2）多层结构（26层）；（3）高层结构（一般在7层以上）；（4）大跨度结构（跨度为4050m）。,1.2 建筑结构的组成与分类,1.2.2.1 根据建筑结构的外形特点分类,（1）钢筋混凝土结构；（2）砌体结构（砖砌体、石砌体、小型砌块、大型砌块、多孔砖砌体）；（3）钢结构；（4）木结构；（5）塑料结构；（6）薄膜充气结构。,1.2 建筑结构的组成与分类,1.2.2.2 根据结构所采用的材料分类,（1）墙体结构（以墙体作为支撑水平构件及承担水平力的结构）；（2）框架结构（由梁和柱刚性连接的骨架结构）；（3）框架剪力墙（抗震墙）结构；（4）剪力墙结构（墙体既承担水平构件传来的竖向荷载，同时也承担风力和地震力传来的水平荷载）；（5）筒体结构（由剪力墙组成或密柱框筒组成）；,1.2 建筑结构的组成与分类,1.2.2.3 根据建筑结构的主要结构形式分类,（6）桁架结构；（7）拱形结构；（8）网架结构（以网架做屋盖）；（9）空间薄壁结构（包括薄壳、折板、幕式结构）；（10）钢索结构（悬索结构，以钢缆或钢拉杆为主要承重构件）。,1.2 建筑结构的组成与分类,图1-1 建筑结构的各种形式（a）墙体结构；(b)框架结构；(c)深梁结构；(d)筒体结构；(e)拱结构；(f)网架结构；(g)空间薄壁结构；(h)钢索结构；(i)折板结构,（1）平面结构体系；（2）空间结构体系。,1.2 建筑结构的组成与分类,1.2.2.4 根据结构受力特点分类,1.3 常用的建筑结构形式,（1）混合结构的概念混合结构一般是指采用钢筋混凝土楼（屋）盖和砖或其他块体（如混凝土砌块）砌筑的承重墙组成的结构体系，也称墙承重结构体系。,1.3.1.1 混合结构结构,（2）混合结构的特点混合结构的墙体具有承重和围护的双重作用，所用材料便于就地取材，施工较简单，施工进度快，技术要求低，施工设备简单。由于砌体抗拉抗剪强度低，因此砌体结构的抗震性能差，一般不超过七层，故一般适用于多层住宅、办公楼、学校、小型庭院等。砌体结构一般不适用于高层建筑及需要大空间的建筑。由于墙体承重，在其上开设门窗受到限制，建筑立面效果显得厚实。,1.3 常用的建筑结构形式,（3）混合结构承重方案横墙承重方案（图1.2）楼层的荷载通过板、梁传至横墙，横墙作为主要的承重竖向构件，纵墙仅起维护、分隔、自承重及形成整体的作用。横墙承重方案具有横墙布置较密、横向刚度大、整体性好的特点，但房间布置的灵活性差。,1.3 常用的建筑结构形式,纵墙承重方案（图1.3）楼层的荷载通过板、梁传至纵墙，横墙的设置主要是为了满足房屋刚度和整体性的要求，其间距较大。纵墙承重方案具有平面布置灵活、房间空间可以较大的特点，但纵墙受力集中，房屋刚度较差。纵横墙承重方案（图1.4）根据房间功能要求的空间尺寸，可采取纵横墙同时承重的方案。纵横墙承重方案具有平面布置灵活、房屋双向刚度较好的特点。,1.3 常用的建筑结构形式,内框架承重方案（图1.5)外围用外墙承重，内部用梁、柱承重的结构为内框架承重方案。其特点是以柱代替内承重墙，在使用上可取得较大空间,1.3 常用的建筑结构形式,1.3 常用的建筑结构形式,图1.2 横墙承重方案,1.3 常用的建筑结构形式,图1.3 纵墙承重方案,1.3 常用的建筑结构形式,图1.4纵横墙承重方案,1.3 常用的建筑结构形式,图1.5 纵横墙承重方案,（一）框架结构的概念框架结构是由梁和柱刚性连接的骨架结构，如图1.6所示。材料的基本连接分为“滑接”、“铰接”、“刚接”三种形式。“滑接”靠材料的自重和加强接触面的摩擦力，达到材料的连接，此种结构牢固性较差；例如砖石堆砌的建筑，主要能承受重力，不擅长抵抗侧面推力，侧面推力过大便能使其毁坏。“铰接”是指材料的连接点能够转动，但不能够移动，需要时可分解开，其特点能承受各种力；铰接的典型形式有金属螺栓固定，竹木捆扎固定，家具的榫接等。“刚接”是将连接的材料完全结合为一体，材料结合牢固，能抵抗各种力；材料的连接形式为焊接、熔接、粘接等。,1.3 常用的建筑结构形式,1.3 常用的建筑结构形式,图1.6 框架结构体系(a)横向框架体系；(b)纵向框架体系,（1）框架结构的承重结构和围护、分隔构件完全分开，墙只起围护和分隔作用。（2）框架结构平面布置灵活，能够满足生产工艺和使用功能的要求。（3）框架结构采用的材料是型钢和钢筋混凝土，有很好的抗压和抗弯能力，由于梁、柱刚接，抗侧移和抗振动能力强，因此，其抗震性、整体性和延通性较好，适用于多层和高度不超过60m的高层建筑。,1.3 常用的建筑结构形式,（二）框架结构的特点,（1）按构件组成划分有梁板式结构（由梁、板、柱三种基本构件组成的骨架结构）和无梁式结构（由板和柱子组成的骨架结构）两种类型。（2）按框架的施工方法划分现浇整体式框架框架全部构件均在现场浇注成整体，具有整体性和抗震性能好、构件尺寸不受标准构件限制的特点。,1.3 常用的建筑结构形式,（三）框架结构的类型,装配式框架框架全部构件采用预制装配，具有可加快施工进度、提供建筑工业化程度的特点，但节点构造刚性差，抗震性差。半现浇框架梁、柱现浇，楼板预制或现浇，预制梁板，具有梁柱整体性好、可节约模板的特点。装配整体式框架预制梁、柱，装配时通过局部现浇混凝土使构件连接成整体，结构的整体性和抗震性介于现浇和装配式构件之间，保证了节点的刚度，比全现浇节省模板，加快了施工进度，但增加了后浇混凝土的工序。,1.3 常用的建筑结构形式,（1）布置原则建筑平面形状和立面体型宜简单、规则，使各部分刚度均匀对称。控制结构的高宽比（一般高宽比设为57），减少结构在水平荷载下产生的侧移。房屋的总长度宜控制在最大伸缩缝间距内，减少温度裂缝。,1.3 常用的建筑结构形式,（四）框架结构的平面布置方式,框架梁宜拉通、对直，框架柱宜上下对中，梁柱轴线宜在同一竖向平面内。尽量统一柱网及层高，以减少构件种类规格，简化设计及施工。（2）柱网及层高 框架结构的柱网由柱距和跨度组成。框架结构的柱网尺寸和层高主要由使用功能的要求决定，并符合建筑模数，力求柱网平面简单规则，便于布置模板。,1.3 常用的建筑结构形式,民用建筑的柱网及层高民用建筑的类型多，功能要求各不相同，因此柱网和层高的变化也大，但对于一般民用建筑可以做到定型化。柱网一般以300mm为模数，如住宅、旅馆的框架结构柱网尺寸，柱距可采用6.3m、6.6m和6.9m，跨度可采用4.8m、5.1m、6.0m、6.6m和6.9m，层高为3.0m、3.3m、3.6m、3.9m和4.2m。,1.3 常用的建筑结构形式,工业建筑的柱网及层高工业建筑的柱网布置可分为内廊式和跨度组合式两种，如图1.7所示。内廊式柱网的常用尺寸：柱距为6.0m，跨度一般采用6.0m、6.6m和6.9m，走廊宽一般为2.4m、2.7m和3.0m。跨度组合式柱网的常用尺寸：柱网采用6.0m，跨度采用6.0m、7.5m、9.0m和12m。层高一般为3.6m、3.9m、4.5m、4.8m和5.4m。,1.3 常用的建筑结构形式,框架柱网布置简单、规则、整齐，对结构是非常有利的，经济效果也好。但有些建筑平面采用周边复杂的形式来表示建筑艺术的效果，这就出现了在复杂的建筑平面形式上力求简单的柱网布置的协调问题。图1.8是几种典型的平面形式及柱网布置方法。,1.3 常用的建筑结构形式,（3）平面布置横向框架承重布置（图1.9（b）这种布置以横向框架作为主要承重框架，横向的梁为框架主梁，纵向的梁为连系梁，具有结构合理，利于立面处理和屋内采光等特点，但只适用于非地震区。纵向框架承重布置（图1.9c）这种布置以纵向框架作为主要承重框架，纵向的梁为框架主梁，横向的梁为连系梁，有利于楼层净高的有效利用，同时房间的划分比较灵活，但横向刚度差，不适用于地震区。,1.3 常用的建筑结构形式,主要承重框架纵横两个方向布置（图1.9（d）当房屋平面为正方形（或接近正方形）或房屋有抗震设防要求时，两个方向的受力相差较小，此时两个方向的框架都应具有足够的强度和刚度，故应采用纵横两个方向的框架作为主要承重框架，这种布置适用于地震区。,1.3 常用的建筑结构形式,1.3 常用的建筑结构形式,图1.7 工业建筑框架结构体系,1.3 常用的建筑结构形式,图1.8 框架结构柱网平面布置举例,1.3 常用的建筑结构形式,图1.9 框架结构平面布置,（1）剪力墙的概念剪力墙是一种抵抗竖向荷载引起的轴向作用和风、地震等水平荷载引起的剪切、弯曲作用的结构单元。,1.3 常用的建筑结构形式,（一）剪力墙的概念和作用,（2）剪力墙的作用剪力墙是建筑物的承重墙，同时也是围护墙和分隔墙，因此，剪力墙的布置必须满足建筑平面布置和结构布置的要求。剪力墙有较强的承载能力，同时也具有很好的整体性和空间作用，因此，剪力墙作为抗侧力构件用于高层建筑。受剪力墙间距的限制，建筑物的平面开间布置不灵活，所以用于旅馆、公寓住宅等建筑较为适宜。,1.3 常用的建筑结构形式,剪力墙结构的楼盖结构一般采用钢筋混凝土平板，可不设梁，这样可节约层高。,1.3 常用的建筑结构形式,（1）框架剪力墙结构框架剪力墙结构的概念框架剪力墙是由框架与剪力墙组合而成的结构体系。在整个框架剪力墙结构体系中，框架与剪力墙同时存在，剪力墙承担绝大部分的水平荷载，而框架则承担竖向荷载为主，两者共同受力，合理分工。如图1.10所示。,1.3 常用的建筑结构形式,（二）剪力墙结构体系的类型及适用范围,框架剪力墙结构的剪力墙布置a.剪力墙宜均匀布置在建筑物的周边、楼梯间、电梯间、平面形状变化和竖向荷载较大等部位。b.平面形状凹凸较大时，宜在凸出部分的端部附近布置剪力墙。c.纵横剪力墙宜组成L形、T形和槽形等形式。d.剪力墙不宜太长，总高度与长度之比宜大于2。,1.3 常用的建筑结构形式,e.不宜在伸缩缝和防震缝两侧同时布置剪力墙，纵向剪力墙不宜布置在端部，而应布置在中部。f.剪力墙宜贯通建筑物的全高，避免刚度突变。图1.11是框架剪力墙结构根据建筑平面几何图形进行剪力墙布置的典型平面。,1.3 常用的建筑结构形式,框架剪力墙的适用范围由于框架剪力墙是以框架为主体、以剪力墙为辅助，以补救框架结构不足的一种组合体系，适用于25层以下的建筑，最高不宜超过30层。,1.3 常用的建筑结构形式,（2）普通剪力墙结构普通剪力墙结构的概念普通剪力墙结构是全部由剪力墙组成的结构体系，其墙体的布置实际上等于将砌体结构的块体承重墙换成现浇的钢筋混凝土墙。普通剪力墙结构的结构布置普通剪力墙结构通常采用平面布置的形式。钢筋混凝土墙承受全部竖向荷载和水平力，所以剪力墙应双向或多向布置，并且拉通对直，如图1.12所示。,1.3 常用的建筑结构形式,对于矩形、L形、T形平面，剪力墙沿两个正交的主轴方向布置；对于三角形平面、T形平面，剪力墙沿三个方向布置；对于正方形、圆形和弧形平面，剪力墙可沿径向及环向布置。剪力墙的数量在方案设计阶段就要合理地确定，尽量对称、均匀，且数量适当。剪力墙长度不宜过长，过长会导致结构刚度过大，加大抗震能力，不经济。剪力墙为67m的大开间比33.9m的小开间经济，能降低材料用量，增加使用面积。剪力墙上的洞口宜上下对齐，并列布置。,1.3 常用的建筑结构形式,普通剪力墙结构的适用范围由于普通剪力墙结构全部由纵横墙体组成，其刚度比框架剪力墙结构更好，对于40层以下的高层住宅、高层旅馆、公寓十分通用。普通剪力墙结构的建筑物高宽比不宜大于6，其高度要考虑抗震要求，地震区7度设防时为139m左右，8度设防时为120m左右，9度设防时为70m左右。,1.3 常用的建筑结构形式,（3）框架剪力墙结构为满足高层建筑多功能、综合用房的需要，顶部楼层采用普通剪力墙结构以满足旅馆和住宅的要求，中部办公用房则需要中、小室内空间同时存在，则宜采用框架剪力墙结构，底部做商店或停车场需要大空间，则宜加大柱网，尽量减少墙体，这样的结构布置称为框架剪力墙结构，如图1.13所示。,1.3 常用的建筑结构形式,框架剪力墙结构由于结构底部与上部结构刚度不同，易产生突变，故抗震性差。对抗震要求较高的房屋，宜经过专门的试验研究后方可使用框架剪力墙结构。,1.3 常用的建筑结构形式,1.3 常用的建筑结构形式,图1.10 框架剪力墙结构,1.3 常用的建筑结构形式,图1.11 框架剪力墙结构的剪力墙布置典型平面,1.3 常用的建筑结构形式,图1.12 普通剪力墙结构平面布置示意,1.3 常用的建筑结构形式,图1.13 框架剪力墙结构,由若干纵横交接的剪力墙集中到房屋内部或外部形成封闭筒体的骨架称为筒体结构。筒体可以由剪力墙组成，也可以由密柱框筒组成。,1.3 常用的建筑结构形式,（一）筒体结构的概念,筒体结构的空间结构有很大的抗侧力刚度和抗扭能力，同时剪力墙集中布置使建筑平面设计具有很大的灵活性，因此主要用于各种高层和超高层公共建筑。如美国的汉考克大楼、西尔斯大楼、芝加哥标准石油公司大楼和纽约世界贸易中心大楼等结构都是筒体结构体系。,1.3 常用的建筑结构形式,（二）筒体结构的适用范围,（1）筒体框架结构由中央剪力墙核心筒和周边外框架组成的结构称为筒体框架结构，也称框架核心筒结构。（2）框筒结构中央为内框架，周边由间距较密的柱子与每层楼层处的深肩梁刚性连接在一起组成矩形网络的外筒体称为框筒结构。,1.3 常用的建筑结构形式,（三）筒体结构的类型,（3）筒中筒结构由中央剪力墙内筒和周边外框筒组成的结构称为筒中筒结构。内筒可布置服务设施，外筒则可安装立面玻璃幕墙。（4）多筒体结构由中央剪力墙内筒和周边角筒组成的结构为多筒体结构，也称组成筒。各种筒体结构如图1.14所示。,1.3 常用的建筑结构形式,1.3 常用的建筑结构形式,图1.14 各种筒体结构（a）筒体框架结构（内筒式）；（b）筒体框架结构（外移式）；（c）框筒结构；（d）筒中筒结构；（e）多筒体结构,（1）筒体结构平面形式选用方形、圆形为好，也可用对称的三角形或人字形平面。当采用矩形平面时，长宽比不宜大于2。（2）外框筒密柱间距一般为1.23m。平面四角处的柱子截面做成L形或八字形，截面尺寸加大23倍。（3）内筒边长尺寸一般是外筒边长的1/3为好。（4）在框筒顶部设置12层高的刚性环梁，以提高整体框筒的空间整体性。,1.3 常用的建筑结构形式,（四）简体结构平面布置要点,（6）排架结构排架结构是由屋架（或屋面梁）、柱和基础组成。屋架与柱顶铰接，柱与基础刚接。（7）其它形式的结构大跨度建筑的结构组成包括屋盖结构和竖向承重结构。能够表现建筑造型的是屋盖结构。现代大跨度屋盖结构主要包括门式刚架结构、薄腹梁结构、桁架结构、拱结构、薄壳结构（图1.15）、网架结构（图1.16）悬索结构（图1.17）等，其中前四种屋盖结构属于平面结构体系，后三种属于空间结构体系。,图1.15薄壳结构示例双曲扁壳结构,图1.16网架结构示例平板网架,图1.17悬索结构示例马鞍形悬索结构,1.3 常用的建筑结构形式,1.3.2.1混凝土结构 优点：1）强度高；2）耐久性好；3）耐火性好；4）可模性好；5）整体性好；6）易于就地取材。缺点：结构自重大、抗裂性较差、一旦损坏修复比较困 难、施工受季节环境影响较大等。,1.3 常用的建筑结构形式,1.3.2.2 砌体结构 优点：1)可就地取材。2)具有很好的耐火性，较好的化学稳定性和大气稳定。3)一般较钢筋混凝土结构可以节约水泥和钢材，可以节 约木材，可连续施工。4)采用砌块或大型板材作墙体时，可以减轻结构自重，快施工进度，进行工业化生产和施工。,2.砌体结构 缺点：1)自重大。2)砌筑工作相当繁重。3)砂浆和砖石间的粘结力较弱。4)粘土砖用量很大，往往占用农田，影响农业生产。5)砌块结构造价略高于砖石结构。,1.3 常用的建筑结构形式,1.3 常用的建筑结构形式,3.钢结构 优点:1)钢结构自重轻而承载力高。2)钢材最接近于匀质等向体。3)钢材的塑性和韧性好。4）钢材具有可焊性。5)钢结构具有不渗漏的特性。6)钢结构制造工厂化、施工装配化。缺点:1)钢材耐腐蚀性差，应采取防护措施。2)钢结构耐热性能好，但防火性能差。,1.3 常用的建筑结构形式,1.3 常用的建筑结构形式,1.混凝土结构的工程应用(1)房屋建筑工程(2)桥梁工程(3)特种结构与高耸结构(4)水利及其他工程,2.砌体结构(1)一般民用建筑中的基础、内外墙、柱、过梁、屋盖和地沟等构件。(2)在工业厂房中，用来砌筑围护墙、烟囱、料斗、地沟、管道支架、对渗水性要求不高的水池等特殊结构。(3)农村建筑如猪圈、粮仓等。(4)在交通运输方面，砌体结构除可用于桥梁，隧道外，各式地下渠道，涵洞，挡土墙也常用砌筑。(5)在水利建设方面，可以用石料砌筑坝、堰和渡槽等。,1.3 常用的建筑结构形式,3.钢结构(1)重型工业厂房(2)大跨度结构(3)高耸结构和高层建筑(4)受动力荷载作用的结构(5)可拆卸和移动的结构(6)容器和管道(7)轻型钢结构(8)其他建筑物,1.3 常用的建筑结构形式,易腐蚀，需经常油漆维护，故维护费用较高；钢结构的耐火性差，当温度达到250时，钢结构的材质将会发生较大变化；当温度达到500时，结构会瞬间崩溃，完全丧失承载能力,4.木结构（1）概念 指全部或大部分用木材制作的结构。,1.3 常用的建筑结构形式,（2）特点 主要优点：易于就地取材，制作简单。主要缺点：易燃、易腐蚀、变形大，并且木材使用受到 国家严格限制。,