目录 前言 I 第1章建筑结构概念设计概述 1 1.1建筑结构的作用 1 1.2结构概念设计的概念 1 1.3概念设计在建设过程中的地位 2 1.4建筑结构的基本构件类型 5 1.4.1基本构件的类型 5 1.4.2各种构件之间的区别与联系 10 1.5建筑结构的几个基本概念 14 1.5.1荷载和作用… 14 1.5.2结构失效和材料，结构受力和荷 16 1.5.3结构的可靠度和设计方法 17 1.5.4结构的三个基本分体系 19 1.5.5 关于地基的基本概念 20 1.5.6 梁、板设计中的几个基本概念 22 1.5.7 梁、拱和索 25 1.5.8 梁柱框架 28 1.5.9 平面桁架（含空腹桁架）和空间网架 29 1.5.10 从对比中认识壳体结构 32 1.5.11 折板结构和幕结构 35 1.5.12 帐篷、网索和充气结构 37 1.5.13 结构受力、变形的相对性 39 1.5.14结构构件的弯曲变形示意图 40 1.5.15 预应力和预应力结构 42 1.5.16结构抗设计的基本概念 44 1.5.17从总体概念上考虑结构设计 46 1.5.18对标准、规范、规程应有的知识 49 1.6结构概念设计的原则 50 第2章托罗哈结构概念设计作品案例 54 2.1关于E.托罗哈的评价 54
V建筑结构概念设计及案例 2.2运动场旁有轨电车站 56 2.3圆形手术教室 58 2.4 阿尔捷希拉集贸市场 60 2.5 阿罗丝渡槽 64 2.6半英里长的渡槽方案 68 2.7 考特温多斯飞机棚 70 2.8 马德里赛马场观众台 72 2.9拉斯考茨足球运动场观众台 79 2.10雷索莱多斯回力球场 83 2.11托雷琼和巴拉加飞机棚 88 2.12埃斯拉拱桥 92 2.13建筑结构小品 98 2.13.1蒂拉斯房屋工程 98 2.13.2马德里某蓄水池 103 第3章高层建筑结构概念和结构设计案例 105 3.1 高层建筑的定义和高层建筑的结构体系 105 3.1.1高层建筑的定义 105 3.1.2高层建筑的结构体系 105 3.2高层建筑结构受力概念 109 3.2.1高层建筑结构受力特征 109 3.2.2从对比中认识高层建筑结构 110 3.2.3高层建筑的风荷载 112 3.2.4高层建筑承受的地震作用 113 3.2.5高层建筑结构中的传力路线 114 3.2.6弯曲度指数和剪切刚度指数的概念 116 3.3 知名高层建筑结构设计案例 120 3.3.1香港中国银行 120 3.3.2香港汇丰银行 124 3.3.3 世界贸易中心和西尔斯大厦 127 3.3.4 帝国大厦和约翰·汉考克中心 133 3.3.5 塔拉纳特提出的高效能高层建筑结构概念 136 3.3.6 拟建超高层建筑——米格林-拜尔特大厦的结构概念设计 139 3.3.7 地王商业大厦和金茂大厦 141 3.3.8 核心筒外伸桁架结构体系概念及其概念设计案例 145 3.3.9错列架结构体系的概念及其概念设计案例 148 3.3.10 有转换层的结构概念设计案例 151
第1章建筑结构概念设计概述 V 第4章其他建筑结构概念设计案例 154 4.1一般肋形楼盖结构 154 4.1.1楼盖结构在建筑结构中的地位 154 4.1.2肋形楼盖构件的主要参数估计 155 4.1.3一般钢筋混凝土肋形楼盖案例 158 4.1.4扁梁楼盖案例 160 4.2盒子结构 164 4.2.1盒子结构概述 164 4.2.2盒子结构案例 165 4.3穹顶结构 170 4.3.1穹顶结构概述 170 4.3.2古近代弯顶结构案例 171 4.3.3现代穹顶结构案例 176 4.4拱结构 181 4.4.1拱结构特点 181 4.4.2拱结构案例 182 4.5悬索结构 190 4.5.1悬索结构特点 190 4.5.2悬索结构案例 191 4.6网架结构 203 4.6.1网架结构特点 203 4.6.2网架结构案例 205 4.7T.亨特结构概念设计案例(草图) 215 4.7.1东英格兰大学塞恩斯伯里中心 215 4.7.2布里斯托尔演奏中心 220 4.7.3结构小品两例 224 第5章课程作业案例 227 5.1本案例工程概况和结构特点 227 5.2本案例概念设计的任务 230 5.3教学组织及要求 231 5.4方案比较及方案的确定 231 参考文献 239 --
第1章建筑结构概念设计概述 1.1建筑结构的作用 从分子到宇宙，结构无所不在。建筑物自然也有结构，它将建筑物的各部分有地组成一个完整的 整体，称之为建筑结构。 建筑结构的作用，首先表现为形成人类活动所需要的、功能良好和舒适美观的空间。它既有物质方 面的需要（如它的空间尺度、功能需求和通道联系），又有精神方面的需要（如它的文化内涵、新颗形 式和高雅表现)，这是建筑结构的根本自的和出发点。 建筑结构的作用，其次表现为能够抵御自然的和人为的作用力（前者如地球引力、风力、气温变化 和地惩作用等，后者如振动、燥炸等)，能使建筑物耐久使用，并在突发偶然事件时，保持整体稳定， 这是建筑结构之所以存在的根本原因。 建筑结构的作用，第三表现为充分发挥所采用材料的效能。建筑结构都是应用石、砖、混凝土、钢 材、木材乃至合金材料、化学合成材料等在土层或岩层上建造的。材料所需的资金占建筑工程投资的大 部分。材料是建造结构的根本物质条件。“有效地利用材料、尽可能地节约材料”往往是建筑结构设计 的重要指标 此外，建筑结构必须适应当时当地的环境，并与施工方法有机结合，因为任何建筑工程都受到当时 当地政治、经济、杜会、文化、科技、法规等因素的制约，任何建筑结构都是靠合理的施工技术来实现 的。因此，优秀的建筑结构应具有以下特点： (1》在应用上，要满是空间和功能的需求： (2)在安全上，要符合承载和耐久的需要： (3)在技术上，要体现科技和工程的新发展 (4)在造型上，要与建筑艺术融为一体； (5)在建造上，要合理用材并与施工实际相结合。 1.2结构概念设计的概念 建筑工程的概念设计在我国应成为一个先于建筑工程的初步设计，以功能优越、造型美观、技术先 进的总体方案为目标的设计阶段。建筑工程的慨念设计一般有建筑方面的概念设计和结构方面的概念设 计两大部分，它们之间相互影响、相互协调、相互结合
2 建筑结构概念设计及案例 在建筑工程的概念设计里，婴求在环境的布局和治理、建筑的空间和形式、结构的体系和材料、构 筑的方法和效花之间协调·致，做到“功能、结构、美观、建造”的统一。 结构景念设计的前提，是对地区规划和自然环境、建筑意图和使用功能需要的理解，以及对资金状 况、材料来源和建造条件的了解。 结构概念设计的成果，是确定结构的总体方案（指主要承重体系）、相应的分结构体系（指屋楼盖、 基础等)以及它们间的关系（含主要连接方法）。 结构概念设计的主要手段，是对力学概念、材料性能、结构体系和建造技术的娴熟运用，同时还要 有审美的眼光、工程的意识和丰富的实践经验。在结构概念设计过程中，要进行整体的考忠，全面的比 较，快速的估算，综合的评价和果断的选择。 结构概念设计所需的时间，既可能在短期内完成，也可能要经历一个反复比较的进程，甚至要进行 些模拟试验；它们都要摆脱设计作品的-·般化。 结构概念设计的目的，是在初步设计前为所设计的工程项目设想一个概念性的总体方案，使今后的 设计、施工和使用都能够微到“又好、又快、又省”。 做好结构概念设计的思维方式和传统相比，要有以下转变： (1)从习惯于纵向思维（从结构的方案、体系、布置、计算、构造到施工图》转变为兼注意横向思 维（规划、建筑、结构、设备、施工的结合）； (2)从习惯于重视设计规范，转变为更重视实践（工程经验积累和多观察工程实际现象）； (3)从习惯于重祝理论分析，转变为兼重视综合考虑（人.财、物、时间、空间…）： (4)从习惯于追求“绝对地确定”，转变为注意“相对地比较”（在比较中求相对地好、快、省）： (5)从习惯于标准、定型、传统，转变为改革、更新、创造 总之，要做到构思有新意，做法有创新，尽可能采用新技术，为新的实践提供新思路。 做好结构概念设计要处理好各种参与者的关系，重视和尊重业主代表、建筑和设备主持人、施工人 员的要求、思路、观点和意见，因为他们的根本出发点与结构是致的，他们与结构间的矛盾可以在互 相了解、相互协商、相互探讨中得到统一。 如果说在结构设计中选好设计程序称为用好“软件(sofware)”,运用计算机进行计算和绘图称 为使用“硬件(hardware)”；挪么，做好结构概念设计应称为有了“慧件(wiseware.)”"。在一项工程设 计中，有一个好的意件似平比正确地用好软件、硬件更为重要。做好慨念设计是设计者应该具备的能 力，也是他们具有高素质和高修养的表现：而对于学习者来说，则是高境界的学习阶段，是培养创新思 维和创造能力的组成部分。 1.3概念设计在建设过程中的地位 我国现行建筑工程建设的程序如图1-1所示。初步设计以前的“设计构思”，以及在综合地合理处 理规划、建筑、结构、设备、能工诸方面关系后所形成的“总体设计方案”，是概念设计的成果。它为 完成初步设计文件提供了正确的概念和思路。因而可以认为，概念设计既是设计的灵魂，也是整个建设 过程中的灵魂
第1章建筑结构既念设计概述3 △阳建议书 架胶的民接所。 甜选址 技木份 △可片性研究 定华产艺 经价 上级准可行性报 限餐出生 招投标骑定设计卓位 服危及计（目前无比明确的设计阶段） 初设叶 一轻主晋部门 公编制设计文件 技本设计坡术复杂项月有此设计价设) 工管机构 设计单位技术交 注：△难设单位负费 ▲建设单位到织有笑规如设计位进打 公设计单位安费 瘦工验收，复付使用 全座工化向大 围1~】我国现行魂筑工程建设程序示意 1.概念设计与初步设计的关系 初步设计文件应包括以下三方面：
4 建筑结构概念设计及案例 (1)设计说明 含设计依猎、设计规模、设计围、设计指导思想和特点（对总体布局、选用标 准和结构选型的综合叙述)、总指标（古地面积、建筑面积、能源和主要建筑材料消耗量、概算等）。 (2)设计图纸—含区域位置图、总平面图、建筑平立剖示意图、竖向布置图。 (3)结构设计 含结构设计总说明（自然条件、安全等级、使用荷载、抗展烈度和其他特殊要 求)和结构设计主要内容的说明（结构选型、地基处理、基础型式、材料选用，构造处理等）。 由此可见，概念设计的深度以能够进行上述初步设计的需要为前提。对于结构的概念设计来说，则要按 照长期安使用的要求，建筑设计的需要，技术经济的可能，以及结构受力的分析，巧妙地做到以下儿点： 一确定主体结构的体系（和其相应的楼盖、屋盖、承重结构和基础结构系统）： 选择主要的结构用材料： 考虑关健部位的构造措施 合理地建议先进的施工技术。 2建设过程中各类工程师的职责 建筑物的建设过程是建筑师、结构工程师，设备工程师、施工工程师共同合作的多边复杂过程。各 类工程师要解决的主要问题如表1-1所示。 表1一1建设过程中各类工程师的职责 难结师的职泰 结构工程师的飘青 ()与规划办南，房屋体型和国环境的没计 1}魔定房居结构震受的背载并合刻洗用结构材数」 今)正商塔用生场仕系和地物剧求. 生好光通风照男、隔青、然等建筑技术同题 3】想决好结灼爱数力、变形、稳定、航倾覆等技术问期： (④)艺术处是和室内外装饰 (4)解决好结构的连接构查和施工方法问题。 设备工程师的取责 施工工程师的 ()确定水给排水标准、系统、装登： 1)施工组织没计 装置 8 使用 备 、系统、装置 料约 (4)使水、、电暴统和建筑、结构布置的调政。 5)确保工质量和上期进度 其中，建筑师和结构工程师的密切配合与合作，是最基本的要求。结构工程师和建筑师的关系有4 个层次： (1)合作一 一即“你做你的设计，我做我的设计，遇到矛盾，合作协商解决”，这是最低层次的要求。 (2)结合一即“虽然各做各的，但都能懂得对方，主动结合，互相补充”。结构工程师要懂得建 筑设计原理，理解建筑艺术需要，熟悉建筑技术问题，清楚本工程的建筑设计思路；同样，建筑师要懂 得结构设计原理和结构技术、构造问题，清楚本工程的结构设计思路，这是较高层次的要求。 (3)融合—即“你中有我，我中有你，融为一体”。结构工程师要自觉地考虑建筑问题，建筑师 也要自觉地考虑结构问题。实际上，建筑平面和体型是所采用结构体系的反陕，面结构选型又受到建筑 设计思路和效果的影响。它们之间客观上存在者更高层次的融合关系。 (4)统一 一即·结构工程师就是建筑师，建筑师也是结构工程师”，两类人才的素质都统一在 个人的身上。如意大利的奈尔维(P.L.Neni)和西班牙的托罗哈(E.Torroja)就是这种人物。罗
第1瑾建筵结检概会设计橙术5 马小体育馆（见节4,3.3）和马德里赛马场观众台（见节2.8）是他们各自的代表作。这是最高层次的 关系，应该作为结构工程师和建筑师的方向。 概念设计时，结构工程师和建筑师之间至少是“结合”关系，应该是“融合”关系。做到“功能 结构、关观、建造的统一“，是概念设计的高标准要求。 如果把建筑物比作一个人，建筑相应于人的气质、精神、体型、容貌，结构相应于人的骨路、肌肉、耐 力、寿命。如果把建筑物比作一棵树，建筑相应于树种、树叶、树形，它的根是文化：结构相应于树干、树 茎、树枝，它的根是材料。要融文化的内语于建筑之中，依靠材料和结构的发展，才能促使建筑的繁荣。要 充分掌握材料的性能，充分发挥材料的作用，靠社会和建筑的需求，才能促使和充实结构的发展。 西班牙著名结构工程师托罗哈的座右铭，应该成为进行结构概念设计时的指导思想： "Myfinal aybnfor the function strutural and aesthetic aspeetsofa prjecto presentan 1.4建筑结构的基本构件类型 建筑结构是在-一个空间中用各种基本的结构构件集合成的有者某种特征的有机体；有了各种基本的 结构构件，才能够将它们组织成一个具有使用功能的空间，才能够使这个有机体作为·个整体结构将作 用在它上面的荷载传递给地基。建筑结构概念设计的一个重婴成果，就是确定一个由这些基本的结构构 件集合成的合理的主体结构体系，并将它们有效地联系起来，形成需要的某种特征。可以认为，对任何 事物的基本认识都是从对该事物的类型群进行系统的、有序的认识开始的：对建筑结构和结构瓶念设计 的基本认识，也将从对组成结构的基本构件类型群开始。 1.4.1基本构件的类型 常用可供选择的基本结构构件大体有以下12种类型。 1.板 (1)板的特点 板是厦盖·个具有较大平面尺寸，但却具有相对较小厚度的平面形结构构件。它通常水平设置（有 时也可能斜向设置)，承受垂直于板面方向的荷载，受力以弯矩、剪力、扭矩为主，但在结构计算中剪 力和扭矩往往可以忽略 (2)板的分类 1)按平面形状分，有方形、矩形、圆形、扇形、三角形、梯形和各种异形板等。 2)按截面形状分，有实心板、空心（如圆孔、矩形孔）板，槽形板、单（双）T形板、单（双）向 密肋板、压型钢板、叠合板（如压型钢板与混凝土板叠合、预制预应力薄板与现浇混凝土板叠合）等。 3)按受力特点分，有单向板、双向板：按支承条件又可分为四边支承、三边支承、两边支承
6建结构摄念没计及案例 边支承和4角点支承板；按支承边的约束条件还可分为简支边（沿支承边无弯矩，板端可发生转角） 固定边（沿支承边有反力、弯矩，无转角）、连续边（沿支承边有反力、弯矩、转角）、自由边（沿支承 边无反力、无夸矩)板；按设置方向分，有平板、斜板（如楼梯板）、竖板（如墙板）。板可以仅支承在 梁上、墙上、柱上或地平面上，也可以一部分支承在梁上，一部分支承在境上或柱上。 4)按所用材料分，有钢筋混凝土板、预应力（含无粘结预应力）混凝土板、钢板、压型钢板、实 木板、胶合木板等。 5)除以上分类外，板还可以组合成空间结构，如V形折板结构、幕结构或其他空间折板结构。它 们的受力情况就不仅是承受垂直于板面的荷载，更要作为该空间结构的一些组合构件，承受空间作用时 相应的内力，详见节1.5.1。 2.梁 (1)柔的特点 梁一般指承受垂直于其纵轴方向荷载的线型构件，它的截面尺寸小于其跨度。如果荷载重心作用在 梁的纵轴平面内，该梁只承受弯矩和剪力，否则还受有扭矩。如果荷载所在平面与梁的纵对称轴面斜交 或正交 ,该梁便处于双向受弯、受剪状态，甚至还可能同时受扭矩作用。 (2)梁的分类 )按儿何形状分，有水平直梁、斜直梁、曲梁、空间曲梁（螺旋形梁属此）等。 2)按面形状分，有矩形、T形、倒T形、L形，倒L形、形、工字形、槽形、箱形、空腹 薄腹、扁腹（指截面宽度大于裁面高度）等。还有等截面（指全桑的截而等高）、变栽面（如鱼腹式、 折线式，即全梁的裁面不等高)、叠合（指两次浇筑成型）梁等。 3》按受力特点分，有简支梁 仲臂梁、悬臂梁、两端固定梁、一端简支另端固定梁、连续梁等。 梁的受力特点还与它在结构中所处位置以及所受荷截情况有关，如在平面楼盖中有次梁、主梁、密助 梁、交叉梁（即井宇梁）、挑梁，在楼梯中有斜梁，在工业厂房中有承受动力荷载的吊车粱，在桥梁中 有桥面梁等；至于圈梁，则是面体结构中埋置在墙体内的一种构件，不直接承受荷载，主要作用是承 受因墙体不均匀沉降引起的内力，增加楼（屋）盖的水平刚度。梁的高跨比般为116-18，悬臂梁 要高达16-15，预应力混凝土菜可小至125~120。高跨比大于1/4的梁称为深梁。 4)按所用材料分，有钢筋混凝士梁、预应力混凝土粱、型钢梁、钢板梁、组合梁（如型钢与混凝 土组合)、实木梁、胶合木梁等。 3.柱 （:)柱的特点 柱是承受平行于其纵轴方向荷载的线形构件，它的截面尺寸小于它的高度，一般以受压和受弯为 主，故柱也称压弯构件。 2)柱的分举 1)按截面形状分，有方（矩）形、四（环）形、工(L、十)字形截面柱，双肢柱、格构柱，单（双）阶 柱（用于有吊车的单层厂房结构）等。 2)按受力特点分，有轴心受压柱和偏心受压柱两种；至于构造柱，则是墙豳体中的一种构件，不 直接承受荷载，其作拥主要是增加墙体的延性
鹤1童速筑结构抵念设计凝述7 3)按所用材料分，有石柱、砖柱、砌块柱、钢筋混凝土柱、钢柱、组合柱（如型钢与混凝土组合。 砌块与钢筋混凝上组合)、木柱等。 4.框架 (1)框架的特点 框架是由横梁和立柱联合组成能同时承受竖向荷载和水平荷载的结构构件。在一般建筑物中，框 的横梁和立柱都是刚性连接，它们间的夹角在受力前后是不变的：连接处的刚性给予框架在承受竖向和 水平荷载时衡量承载能力和稳定性的尺度，使框架的梁和柱既受轴力（框架梁在设计时轴力可忽略）又 受弯曲和剪切（框架柱在设计时剪切可忽略）。在单层厂房中，由横梁和立柱性连接的柜架也称刚接 排架；横梁和立柱间用铰支承连接的框架则称饺接排架，简称排架。 (2)框架的分类 1)按跨数、层数和立面构成分，有单跨、多跨框架，单层、多层框架，以及对称、不对称框架。 单跨对称框架又称]式框架。 2)按受力特点分，若框架的各构件轴线处于·平而内的称平面框架，若不在同·平面内的称空间 框架，空间框架也可由平面框架组成。 3)按所用材料分，有钢筋混凝土框架、预应力混凝土框架、钢框架、胶合木框架和组合框架（如 钢筋混凝土柱和型钢梁，组合砖柱和钢筋混凝土梁)等。 5.桁架 (1)粉架的特点 析架是由若干直杆组成的一般具有三角形区格的平面或空承重结构构件。它在竖向和水平荷载作 用下各杆件主要承受轴向拉力或轴向压力（当有侧向荷载作用在桁架的个别杆件上时，它们也会像粱 样受弯曲)，从面能充分利用材料的强度；故适用于较大跨度或高度的结构物，如屋盖结构中的屋架 高层建筑中的支系统或格构墙体 桥梁工程中的跨越结构、高耸结构（如榄杆塔、输电塔〉以及佩 门等。 (2)析架的分类 )按立面形状分，有三角形、梯形、平行弦、折线形、拱形以及空腹桁架等：其中空腹桁槊的腹 杆间没有斜杆，参见图1-17。 2)按受力特点分，有静定桁架和超静定桁架，平而析架和空司桁架（其中网架就是空间桁架中的一种） 3)按所用材料分，有钢筋混凝土、预应力混凝士、钢结构、预应力钢结构、木结构、组合结构 (如钢和木组合，制筋混凝土和型钢组合)等。 6.网架 (1)网架的特点 网架是由多根杆件按照一定的网格形式，通过节点连接而成的空间结构。各杆件主要承变拉力或压 力。网架具有重最轻、刚度大、抗震性能好等优点，主要用于大跨度屋盖结构。 (2)网案的分类（参见图1-19） 1)按外形分，有双层平板网架、立体交叉桁架、单（双）层曲面壳型网架等
