第04章结构布置

164结构布置4.1水平和竖向分体系建筑结构是由许多构件组成的一个结构体系。房屋建筑的上部结构体系虽然千变万化，但总是由水平分体系、竖向分体系两部分组成。结构的基本水平分体系指建筑物的楼盖和屋盖结构，它们一般由板、梁、等水平构件组成，结构的基本竖向分体系指建筑物的竖向结构，它们一般由柱、墙、筒体等竖向构件组成。房屋结构形成水平和竖向两个分体系，首先是由房屋的使用功能决定的。多层房屋的每层都必须有平放的楼盖，才能供人在上面活动。房屋的屋顶也必须有平放的屋盖来覆盖房屋空间，因此水平方向的构件不可缺少，这些构件就形成了水平分体系。屋楼盖必需被支撑起来，也就需要墙、柱等竖向构件，这些构件就形成了竖向分体系。楼盖等水平构件经常是完全水平放置，墙、柱等竖向构件经常是完全竖直放置，这也是由房屋的使用功能决定的。倾斜的楼盖会影响人的室内活动，倾斜的墙、柱会影响人的活动和家具、设备等的摆放，因此除特殊需要外很少使用。房屋结构形成水平和竖向两个分体系，还是由房屋结构受力合理性的要求决定的。水平分体系在结构中有双多重作用，一是承受楼面或屋面的荷载，并把它传递给竖向结构分体系；二是起到支承竖向构件的作用并保持竖向构件的稳定，三是将房屋承受的水平荷载均匀地分散到竖向体系中的各个构件。竖向分体系的作用也是多重的；一是承受由水平分体系传来的全部荷载，并把它们向下传递给基础；二是抵抗风力、地震等侧向力。由此可见，房屋结构中的水平和竖向构件之间是相互传力、相互支撑的。没有柱、墙等竖向构件的传力和支撑，屋楼盖不可能形成。没有屋楼盖中梁、板等的传力和支撑，多高层结构中几十米高的墙和柱不可能稳定直立，作用于外墙上的风荷载也不可能由结构整体来承受。竖向分体系中的纵、横方向上的墙体也起到相互传力、相互支撑或拉接的作用。在混合结构中考虑一片墙体的稳定性时，把对它起支撑或拉接这样稳定作用的、另一方向上的墙体称为横墙。名词“横墙”的这种用法与房屋纵、横方向上的纵墙、横墙有所不同。混合结构中的非承重墙是承重墙的横墙，对承重墙起支撑或拉接作用，也是结构的一部分，不能随意拆除。框剪结构中，两个方向上的剪力墙经常靠在一起，能相互支撑和拉接，起到更好的作用。筒体结构具有很好的抗侧力性能，原因之一也是由于闭合筒体中的各部分可以互相支撑和拉接。17竖向分体系的布置与房间的使用功能关系十分密切，墙、柱的布置都必须综合考虑建筑上的要求。水平分体系的布置与房间的使用功能虽有关系但不十分密切。建筑设计中主要考虑的是竖向分体系的布置，例如建筑平面方案和建筑平面图中就不画梁、板等水平构件。在结构设计中考虑结构布置时，必须同时考虑水平分体系和竖向分体系的问题，例如结构平面图中就既要画出承重墙、柱等构件，也要画出梁、板等构件。将结构作为一个整体，了解结构各部分之间相互的传力、支撑作用对于把握结构的安全性十分重要。4.2水平分体系布置屋楼盖中有些构件将力传递给其它水平构件，如楼板把力传递给次梁，次梁把力传递给主梁；也有些将力传递给结构的竖向构件；那些将力直接传递给竖向构件的，就是主要水平承重构件。结构水平部分的布置，最主要的就是决定主要水平承重构件是沿房屋的横向还是沿房屋的纵向放置。主要水平承重构件的布置决定后，次梁、板等其它水平承重构件的布置就只限于局部的考虑，不需要和结构整体一起考虑了。混合结构屋楼盖结构布置基本上可分为横墙承重、纵墙承重和纵横墙承重三种。横墙承重方式的楼板或屋面板支承于房屋横向的砖墙上。楼板是主要水平承重构件，沿房屋纵向布置，将力传递给横墙。此时板的跨度通常较短，从而比较经济。18纵墙承重有两种具体的方式。一种是将楼板或屋面板支承于房屋纵向的砖墙上，内走廊处往往就采用这种方式。如果将这种方式用于房间，板的跨度通常较长而不够经济；所以房间内很少采用这种方式。另一种方式是加设搁置在纵墙上的横向大梁来支承纵向布置的楼板，这时横向大梁成为主要水平承重构件，将力传递给纵墙，所以仍然属于纵墙承重。这种方式虽然不如横墙承重经济，但可以形成较大的房间如会议室、教室等，这是横墙承重做不到的。房屋内有的地方采用纵墙承重，又有的地方采用横墙承重就称为纵横墙承重方式。由于房屋平面设计日益复杂，很多房屋都采用了纵横墙承重方式。当现浇板式楼盖采用双向板时，该房间处也属于纵横墙承重。框架结构是由梁和柱组成的空间结构。在考虑结构布置时，经常把框架沿纵、横两个方向都看成是多榀平面框架；其中框架横梁沿房屋纵向的称为纵向框架，框架横梁沿房屋横向的称为横向框架；其中由主要水平承重构件作为框架横梁的，称为主要承重框架。主要承重框架往往横梁截面较大，抗侧力的能力通常比较高；但横梁大也有缺点，就是侵占室内净空或者侵占外窗的高度。框架结构楼盖的布置有主要承重框架沿房屋横向布置、主要承重框架沿房屋纵向布置和承重框架沿房屋纵横向布置这三种。1920框架结构楼盖布置的的基本原则之一是尽量使主要承重框架梁长度较短；这可以减小作为主要承重构件的框架梁的受力，也可以使框架梁的高度较小；除节省材料外，还可加大室内净空。框架结构楼盖布置的另一个经常提到的基本原则是尽量使主要承重框架沿横向布置。一般框架结构的房屋都具有宽度远小于长度的特点，这样的建筑体型造成纵向刚度强，横向刚度弱。当梁截面较大的主要承重框架沿横向布置时，则可有效提高房屋沿横向的抗侧力强度和刚度。承重框架沿房屋纵向与横向同时布置适用于房屋平面拐角处以及平面设计较复杂的房屋。上述这些原则有时是互相矛盾、互相制约的。在决定结构布置时常要综合考虑，要有所取舍。例如采用装配式预制楼板直接支承在框架梁上时，若采用主要承重框架沿房屋横向布置方案，则楼板沿纵向布置，跨度有可能相对小些，楼板结构比较经济合理，运输和吊装也较为方便。再如有集中通风要求的房屋，常采用主要承重框架沿房屋纵向布置方案。通风管道截面较大，一般又沿房屋纵向通长布置，由于横向框架不是主要承重框架，梁的高度可以较小，相应提高了室内净空高度。以上原则总体上是从结构“承重”，也就是承受竖向荷载情况下的结构合理性考虑的、是较传统的。当今抗震设计造成了纵、横两个方向上的框架梁高度接近，方形截面、对称配筋柱广泛使用；此外，为提高楼面刚性和隔音效果而使楼板厚度比过去增加，造成楼板的经济跨度也增大；双向板应用越来越多，板中普遍采用分离式配筋；再加之建筑功能划分和建筑平面布置也日趋复杂；这些都带来了楼盖布置上的一些变化。另一方面，在决定框架结构楼盖布置时还必须考虑建筑设计方面的要求。例如，由于较重的隔墙必须设置在梁上，所以对民用建筑经常要考虑到隔墙设置、甚至日后增设隔墙的要求，对工业建筑常要考虑生产工艺甚至日后改变生产工艺等方面等的要求等。另外，楼盖次梁的布置也要尽量做到各开间之间互相协调。图中对某框架结构中的同一开间给出了几种可能的次梁布置。从房间分隔的角度来看，其中（a）将分隔出宽度很小的窄长房间；其中（b）分隔出的房间面积太大，而进一步分隔21将形成套间，影响房间使用和采光、通风；其中（c）可分隔出面积、形状、采光、通风合适的较大房间；进一步改进得到的（d）既可分隔出面积、形状、采光、通风合适的房间也可再进一步分隔出套间，这样的套间可用于办公室、卫生间、设备间等。最终根据以上考虑选中了（d）。按照传统的楼盖布置原则来分析，其中（a）和（b）可形成跨度合适的单向板，在这一点上比（c）、（d）合理；（b）和（d）利用了横向框架承重，在这一点上比（a）、（c）合理。（d）形成双向板，在这一点上不如其它三个合理。按照当前常见的框架结构布置做法来分析，(d)充分利用了两个方向上框架梁尺寸接近的条件，比其它三个都要合理。以上图中的结构布置，（a）和（c）为纵向框架承重，（b）为横向框架承重，（C）为纵横向框架承重。4.3竖向分体系布置结构竖向部分的布置主要是决定竖向构件之间的距离和竖向构件的具体位置。由于竖向构件的间距和位置与房间的使用功能密不可分，在考虑结构竖向构件的布置时要始终顾及建筑设计的要求。房屋中的结构竖向构件在房屋纵向上的距离称为“开间”。房间中外纵墙到相邻内纵墙的距离称为“进深”。开间是沿房屋纵向量度的，进深是沿房屋横向量度的。进深和开间与房屋使用功能有密切关系，也与房屋结构布置有密切关系。房间沿房屋纵向量度的尺度称为面宽，它与开间不同，不能混为一谈。混合结构的开间就是承重横墙的间距，也就是指房间能够达到的最大面宽；框架结构的开间是沿房屋纵向的柱子间距，它不一定是房间能够达到的最大面宽。开间、进深、面宽这些术语都来源于中国传统建筑。22结构的主要水平承重构件是由竖向构件支承的。竖向构件之间的距离越大，主要水平承重构件的跨度就越大。水平构件的跨度大到超出一定范围时就不经济甚至无法实现。对于常用的水平承重构件，大致有一个经济跨度的范围。例如现浇单向板的经济跨度为2-3m，次梁的经济跨度为4-6m，主梁的经济跨度为6-12m等。结构竖向构件之间的距离越大，房屋在设计、使用、改建等方面越灵活；但距离过大又会造成主要水平构件的跨度过大而不经济。因此决定竖向构件之间距离的基本原则是“够用就好”。工程经验综合考虑了“够用”和经济两方面的要求，总结出了不同房屋、不同结构类型的竖向构件距离的合理范围；这在房屋建造中都有体现。例如预制空心楼板的跨度大于4.2m就很不经济，一般讲4米2的开间对于一般住宅也足够用，因此一般混合结构居民住宅的开间较少超出4米2。混合结构横墙承重时，为配合预制板的规格，常用开间为2.7m，3.0m，3.3m，3.6m，3.9m，4.2m等。框架结构中主要承重框架方向上柱子之间的距离称为跨度，柱子之间在另一个方向上的距离称为柱距。框架柱经常成行成列、互相对齐，因此形象地称为柱网。框架结构竖向结构的布置也称为柱网布置。工业和民用房屋框架柱网布置的常用跨度为6-12m，柱距为3.3-6m。23高层结构中的剪力墙和筒体的主要作用是抗侧力而不是用于竖向承重。它们一般都布置在按建筑要求本来就需要有墙的地方，在一定限制下也允许在上面开洞，对房屋使用功能没有大的影响。结构竖向部分的布置一般在建筑方案中就已确定。4.4讨论和其它混合结构中的横墙对纵墙起到稳定和支撑、拉接作用。多数混合结构的横墙间距较小、横墙片数较多，房屋横向的刚度较大；在侧力作用下，楼盖上各点产生相同的位移，各片墙体的顶端也产生相同的位移。混合结构中这样的结构布置称为刚性方案。当由于房屋功能需要而横墙间距很大，不能保证在侧力作用下各片墙体的顶端产生相同的位移时，这样的结构布置称为弹性方案。介于两者之间的称为刚弹性方案。当前一般的混合结构，如居民住宅等，都属于刚性方案。在过去，礼堂、影剧院、厂房等为降低造价常采用刚弹性或弹性方案的砌体结构，现在基本上都被钢筋混凝土框架或钢筋混凝土柱的排架结构所取代。混合结构中的有些墙体虽然自身不承重，但对承重墙体起到拉接、支撑作用。房屋装修、改建中随意拆除非承重墙，会削弱房屋的整体性，降低房屋抵抗侧向力的能力，从而降低房屋抵抗地基不均匀沉降的能力和大大降低抗震性能。高层建筑承受较大侧向风力，地震时房屋也要承受较大的侧向力。结构中用于抵抗侧向24力的部分称为抗侧力结构。结构层数较少时，只要竖向承重结构能满足抗侧力的要求就可以了；例如混合结构中的砖墙和框架结构中的框架既是竖向承重结构也是抗侧力结构。结构层数较多时，就要布置专门的抗侧力结构，如剪力墙、筒体等；它们的承重作用是次要的，主要作用是用来抗侧力。