影响建筑结构选型的因素及其优化策略

在建筑工程建设中，工程造价中2/3左右的费用用于结构工程。而结构工程的施工工期也约占建筑物施工总工期的一半以上。因此搞好结构工程对于建筑工程建设的质量控制、投资控制和进度控制有十分重要的作用，搞好结构工程的关键在于结构选型。一个好的结构形式的选择，不仅要考虑建筑上的使用功能、结构上的安全合理、施工上的可能条件，也要考虑造价上的经济价值和艺术上的造型美观。如果选型不当会给结构的安全使用及耐久性带来无法弥补的缺陷，同时也会延误工期，提高造价。因此选择一个最佳的结构形式，往往需要进行多方面的调查研究，结合具体建设条件做出多种方案进行综合分析，才能做出最终的选定。结构选型时应考虑如下因素。

1.建筑物的功能要求对结构选型的影响

建筑物的使用功能要求是结构选型中应该考虑的首要因素，功能要求包括使用空间要求、使用要求以及美观要求，考虑结构选型时应该满足这些要求。

1）使用空间的要求

建筑物所覆盖的空间除了使用空间，还包括非使用空间，后者包括结构体系所占空间，当结构所覆盖的空间与建筑物的使用空间接近时，可以提高空间的使用率，节省能源。所以在结构选型时，首先应该使所选择结构的剖面形式与建筑物的使用空间相适应。例如体育馆屋盖选用悬索结构体系时，场地两侧看台座位向上升高与屋盖悬索的垂度协调一致，既能符合使用功能要求又能经济有效地利用室内空间，立面造型也可处理成轻巧新颖的形状。对于要求建筑物中间部分有较高空间的房屋（如散粒材料仓库），采用落地拱最适宜。例如：某散装盐库在结构选型中比较了两种方案，方案Ⅰ为钢筋混凝土排架结构［图1.3（a）］，方案Ⅱ为拱结构［图1.3（b）］。方案Ⅰ的主要缺点是3/5的建筑空间不能充分利用，而方案Ⅱ采用落地拱，由于选择了合适的矢高和外形，建筑空间得到了比较充分的利用。

图1.3　两种结构方案比较

其次，尽可能减小结构体系本身所占用的空间高度。例如：钢桁架构造高度一般为跨度的1/8～1/12，而平板网架结构的构造高度仅为跨度的1/20～1/25，选择适当，可使室内空间得到较充分的利用。

2）建筑物的使用要求与结构的合理几何形体相结合

首先，在结构选型设计中应注意和善于利用结构几何体形对声学效果的影响，这方面，我国北京天坛回音壁是人们熟悉的实例。现代大型厅堂建筑对声学条件有较高的要求，为了得到良好的声学效果，应尽量选择与其适应的结构形式。例如可选择曲率半径较大的曲面屋盖。此外，下垂的凹曲面屋顶可避免声聚焦，例如倒置的壳体单元及悬索结构。

其次是采光照明结构的合理几何形体相结合，例如利用桁架上下弦杆之间设置下沉式天窗，在结构受力、空间利用与采光效果方面都比“Π”形天窗要好。

最后，结构选型设计中，屋面排水也是另一个需着重考虑的问题。例如大跨度平板网架结构一般通过起拱来解决屋面排水问题，由于网架结构构件的组合方案和节点构造方案的不同，结构起拱的灵活性也不一样。

3）美观功能要求(www.xing528.com)

建筑结构选型设计中应考虑建筑美观的功能要求，把结构形式与建筑的空间艺术形象融合起来，使两者成为统一体。建筑结构形式对建筑风格和建筑艺术的影响极为明显。图1.4为三栋使用功能相同的食堂建筑，它们都具有较大跨度的室内空间，但由于结构形式的不同，便产生了完全不同的建筑风格和形成了完全不同的立面效果。

图1.4　三栋食堂不同结构所产生的不同形式

2.建筑结构材料对结构选型的影响

结构形式有很多，如梁板、拱、刚架、桁架、悬索、薄壳等，组成结构的材料有钢、木、砖、石、混凝土及钢筋混凝土等，结构的合理性首先表现在组成结构的材料的强度能不能充分发挥作用，所以我们在进行结构选型时首先应选择能充分发挥材料力学性能的结构形式，在设计中应该力求使结构形式与内力图一致。

图1.5为结构形式由简支梁到桁架的变化过程，比较梁式结构和轴心受力结构的受力状态，不难看出，梁的截面应力分布极不均匀，除边缘纤维达到最大容许用应力外，大部分材料的应力远远低于容许用应力，即材料强度并未充分利用，而轴心受力状态因截面应力分布均匀更能充分利用材料强度。为节约材料，可把梁截面中和轴附近的材料减少到最低程度，从而形成工字形截面构件，它比矩形截面构件获得更大的抗弯惯性矩。设想再进一步把梁腹部的材料挖去，就由梁式结构转化为了平面桁架结构。由于桁架的各杆件均为轴向受力，可以认为桁架结构比梁式结构更能充分利用材料强度。若将桁架的外形与简支梁的弯矩图图形相吻合，则桁架内各弦杆内力将保持一致而腹杆内力接近零，这样就最大限度地节约了材料。

图1.5　由简支梁发展成为桁架

其次应合理地选用结构材料。木结构、砖石结构、钢结构，以及钢筋混凝土结构各因其材料特征不同而具备各自的独特规律。因此选用材料的原则是充分利用它的长处，避免和克服它的短处。对于建筑结构的材料的基本要求是轻质、高强，具有一定的可塑性和便于加工。特别在大跨度和高层建筑中，采用轻质高强材料具有极大的意义。

3.施工技术水平及经济指标对结构选型的影响

影响建筑结构形式的因素还包括建筑施工的生产技术水平以及经济指标等。建筑施工的生产技术水平及生产手段对建筑结构形式有很大影响，在手工劳动的时代只能用小型砖石块来建造墙柱拱，或采用木骨架的结构形式。近代大工业生产出现后，在钢铁工业及机械工业得到很大发展的基础上，大型起重机械及各种机械相继问世才使高层建筑及大跨度建筑的各种结构形式成为现实。施工技术是实现先进结构形式的保障，例如装配式薄壳施工方法使薄壳结构得以迅速发展。同时结构选型要考虑实际施工条件，施工技术条件不具备或结构方案不适应现有技术能力将给工程建设带来困难。

衡量结构方案经济性的手段是进行综合经济分析，所谓综合经济分析就是要从以下几个方面综合考虑问题：①不但要考虑某个结构方案付诸实施时的一次投资费用，还要考虑其全寿命期费用。②除了以货币指标核算结构的建造成本外，还要从节省材料消耗和节约劳动力等各项指标来衡量。此外从人类长远利益考虑，还要特别考虑资源的节约。③在结构方案比较时还应综合考虑一次性初始投资和建设速度的关系，以便较快地回收投资资金，获得较好的经济效益。