钢筋混凝土框架结构房屋设计.docx

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其次章 钢筋混凝土框架构造房屋设计
建筑设计阶段
建筑设计的预备工作
生疏设计任务书，明确建设工程的设计要求。
收集有关的原始数据和设计资料。包括地质水文资料，气象资料，水电线网设备资料以及有关地区的定额指标。
设计调研。学生要深入实际，调查争论，参考同类型的设计和图纸资料，或已建成的同类建筑，弄清建筑物的具体使用要求，建筑材料的供给和施工的具体条 件等状况。
学习有关的设计标准和标准。
借阅设计参考资料。
建筑设计的主要工作
建筑设计的目的及任务
建筑设计是建筑功能、工程技术和建筑艺术的综合。在接到设计任务书之后， 首先要完成的工作是依据任务书中所规定的建筑物的规模、重要性和使用性质，确定建筑设计方案。在预备工作的根底上，进展建筑总平面设计，建筑平面设计，建筑剖面设计。
建筑设计的根本步骤
首先，分析房间组成的功能关系，进展功能分区。其次，依据任务书的要求， 深入分析建筑物的特点，对建筑方案做一个初步设想，并通过勾画草图的方法表达 出来。第三是确定单体建筑方案，从平面设计入手，合理进展房间的平面组合，再 通过几个关键部位的剖面分析，建筑体型就可大体确定，在此根底上进展立面设计， 经反复推敲、调整，以使方案逐步合理化、具体化。最终绘制正式建筑施工图。
建筑平面设计。
建筑平面设计主要是针对建筑的室内使用局部进展的。在平面设计中，需要从建筑整体空间组合的效果来考虑，严密联系建筑剖面和立面，分析剖面、立面的可能性和合理性，不断调整修改平面，反复深入。各类建筑物，从组成平面的使用性质划分，主要为使用局部和交通联系局部，另外还有建筑的构造体系和围护体系。使用局部是由很多房间组成的。使用局部的房间由于功能上的不同又分为使用
房间〔包括生活用房、工作用房和公共活动用房等〕和关心房间。
使用房间要考虑有较好的朝向和采光与通风，房间面积、外形和尺寸要满足室 内使用活动和家具、设备合理布置的要求；房间的构成应使构造构造布置合理，施 工便利，也要有利于房间之间的组合，所用材料要符合相应的建筑标准；室内空间、以及顶棚、地面、各个墙面和构件细部，要考虑人们的使用和审美要求。设计中还 要留意解决安全疏散、视线、声学、照明、大跨度构造等问题。
关心用房在建筑中处于次要地位，在不影响使用的前提下，应尽量利用建筑物的暗间、死角及不利朝向，并要尽量节约面积。关心房间的平面设计，和使用房间的设计分析方法根本一样。如厕所、盥洗室等关心房间，通常依据各种建筑物的使用特点和使用人数的多少，先确定所需设备的个数，依据计算所得的设备数量，考虑在整幢建筑物中厕所、盥洗室的分间状况，最终在建筑平面组合中，依据整幢房屋的使用要求并确定这些关心房间的面积、平面外形和尺寸。
无论是使用房间还是关心房间，在平面设计中都要首先依据房间内部活动特点， 使用人数多少，家具和设备的多少等来确定其面积的大小。
平面设计中门大小及位置确实定。应依据人流出入房间的多少和搬进房间的家具、设备的大小确定门的宽度；依据室内面积的大小、人数的多少及防火要求，按百人指标〔〕确定房间门的数量。门的开启方式依据房间的使用特点来 打算。门的位置要便利使用。除此之外，门窗的大小和位置，应考虑房间的出入便利，疏散安全。房间应有良好的采光通风；用窗地比来限制窗的最小尺寸，房间室内光线应尽量均匀，多将窗居中布置，避开死角。
交通联系局部是指建筑物中各个房间之间、楼层之间和房间内外之间联系通行 的面积，主要由水平交通联系局部(走廊、过道、连廊)、垂直交通联系局部〔楼梯、电梯、坡道、自动扶梯〕和交通联系枢纽组成〔门厅、过厅〕。交通联系局部的宽度 应满足人流畅通和建筑防火的要求，交通路线要简洁明确，力求节约面积，还要满 足肯定的采光与通风要求，其位置应满足联系通行便利。交通联系局部设计的主要 要求有：交通路线简洁明确，联系通行便利；人流通畅，紧急疏散时快速安全；满 足肯定的采光通风要求；力求节约交通面积，结合空间处理等造型问题。
进展交通联系局部的平面设计，首先需要具体确定走廊、楼梯等通行疏散要求的宽度，具体确定门厅、过厅等人们停留和通行所必需的面积，然后结合平面布局考虑交通联系局部在建筑平面中的位置以及空间组合等设计问题。防火疏散方面的要求参见《建筑设计防火标准》中的规定。
建筑平面组合设计。使用房间、关心房间和交通联系局部，在组合设计时要依据功能分析，确定其主次关系、内外关系，进展分组分区，确定其在平面中的具体位置，同时要考虑场地条件，四周环境，及建筑物的间距和朝向，并兼顾建筑的
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艺术表现形象，留意与构造布置的关系，使建筑物的平面组合切合实际。
建筑剖面设计。建筑剖面设计的主要任务是确定建筑物各局部应有的高度、建筑的层数和建筑空间的组合关系。
要依据房间的使用性质确定房间的高度，同时要考虑到室内的采光与通风、构造类型的特点及所占空间的高度、设备及管道的布置、室内空间的比例等因素。
依据房屋本身的使用要求、城市规划的要求、选用的构造类型以及建筑防火等主要影响因素确定房屋层数。
在建筑空间组合中，着重从垂直方向考虑各种高度房间的空间组合、楼梯在剖面的位置，以及建筑空间的利用等。
对于高度一样、使用性质接近的房间，可以组合在一起。高度比较接近，使用 上关系亲热的房间，考虑到房屋构造构造的经济合理和施工便利等因素，在满足室 内功能要求的前提下，可以适当调整房间之间的高差，尽可能统一这些房间的高度。
高度相差较大的房间，在单层剖面中可以依据房间实际使用要求所需的高度， 设置不同高度的屋顶。在多层和高层房屋的剖面中，高度相差较大的房间可以依据不同房间的数量多少和使用性质，在房屋垂直方向进展分层组合；对于其中少量高度较大的房间，依据这些房间和房屋中各局部使用联系上的具体状况，可以把高度较大的房间设置在顶层或附设在房屋的端部。
建筑立面设计。立面设计是在满足房间的使用要求条件下，运用建筑造型和立面构图的一些规律，结合平面、剖面的内部空间组合而进展的。
建筑物的体型和立面，必需受内部使用功能和技术经济条件所制约，并受基地环境群体规划等外界因素的影响。建筑物体型的大小和凹凸，体型组合的简洁或简单，通常总是先以房屋内部使用空间的组合要求为依据，立面上门窗的开启和排列方式，墙面上构件的划分和安排，主要也是以使用要求、所用材料构造布置为前提的。
建筑物的外部形象，并不等于房屋内部空间组合直接表现，建筑体型和立体设 计，必需符合建筑造型和立面构图方面的规律性，如均衡、韵律、比照、统一等等， 把适用、经济、美观三者有机地结合起来。
对房屋外部形象的设计要求，要反映建筑功能要求和建筑类型的特征；结合材料性能、构造构造和施工的特点；结合建筑标准和相应的经济指标；适应基地环境和建筑规划的群体布置；符合建筑造型和立面构图的一些规律。
确定建筑物外部体型的主要依据是建筑物内部空间的组合方式。建筑体型组合的造型要求主要有：主次清楚、交接明确；完整均衡，比例恰当；体型简洁、环境协调。
建筑立面可以看成是由很多构部件所组成：它们有墙体、梁柱、墙墩等构成房
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屋的构造构件，有门窗、阳台、外廊等和内部使用空间直接联通的部件，以及台基、勒脚、檐口等主要起到保护外墙作用的组成局部。恰当地确定立面中这些组成局部 和构部件的比例和尺度，运用节奏韵律、虚实比照等规律，设计出体型完整、形式 与内容统一的建筑立面，是立面设计的主要任务。
建筑立面设计的步骤，通常依据初步确定的房屋内部空间组合的平剖面关系， 例如房屋的大小、凹凸、门窗位置，构部件的排列方式等，描绘出房屋各个立面的根本轮廓，作为进一步调整统一进展立面设计的根底。设计时首先应当推敲立面各局部总的比例关系，考虑建筑整体的几个立面之间的统一、相邻立面间的连接和协调，然后着重分析各个立面上墙面的处理，门窗的调整安排，最终对入口门廊、建筑装饰等进一步作重点及细部处理。
建筑施工图设计和绘制。建筑施工图设计是建筑设计的最终一个阶段，即把设计意图转化为满足施工的蓝图。其工作内容如下。
⑴调整并完善尺寸。施工图中的尺寸要完全而准确，要符合建筑模数，便利施
工。
⑵做好构造设计。建筑构造是施工图设计的一个重要内容，它直接影响到构造
设计、建筑的使用质量、耐久年限及工程造价等。构造设计要选择适宜的建筑材料， 确定合理的构造层次和节点做法，并将工程做法表达出来。
⑶绘制建筑施工图。包括：图纸名目，建筑设计总说明，门窗汇总表，工程做法表，总平面图，建筑平面图，建筑立面图，建筑剖面图，节点构造详图等。
构造设计阶段
构造设计是在建筑设计的根底上进展的，在建筑设计阶段就应当考虑到主体构造方案，通过协调，力争将构造形式与建筑设计统一起来。
构造设计主要解决的问题是：构造的形式；构造的材料；构造的安全性、适用性和耐久性；构造的连接构造和施工方法。
构造设计的原则是安全适用、经济合理、技术先进、施工便利。
构造设计的目的是依据建筑布置和荷载大小，选择构造类型和构造布置方案， 确定各局部尺寸、材料和构造方法，同时表达构造设计原则。
构造设计的预备工作
正确使用工程地质勘查报告
通过阅读工程地质勘查报告，对场地土层的分布和性质有完整的概念，对报告提出的根底设计方案及地基处理建议，应认真分析，假设有疑问应准时提出，以保证工程质量。
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明确本地区抗震设防烈度和构造抗震等级。
地震作用是建筑构造承受的主要荷载之一。地震作用分为三个水准：即多遇地震〔小震〕，根本烈度地震〔中震〕，罕遇地震〔大震〕。设计原则为：小震不坏，中震可修，大震不倒。
地震的大小是用震级来表示，地震烈度是表示某一个地区地面和建筑物受到一次地震影响的强弱程度。抗震设防烈度是一个地区作为抗震设防依据的地震烈度， 一般状况下可承受该地区根本烈度作为抗震设防烈度。抗震设防烈度为6 度及以上地区的建筑，必需进展抗震设计。
建筑物患病的地震影响，与其所在地区的地震环境密不行分。表征地震影响的参数有设计根本地震加速度、设计特征周期或标准规定的设计地震惊参数，按《建筑抗震设计标准》取值。
由于建筑物的使用性质不同，地震破坏造成的后果也不一样，按其重要性对建筑物的抗震划分为四类：甲类建筑，属于重大建筑工程；乙类建筑，属于使用功能不能中断或需尽快恢复的建筑；丙类建筑，是除甲、乙、丁类以外的一般建筑；丁类建筑，属于抗震次要建筑。
甲类建筑的地震作用按特地的地震惊参数进展设计计算，实行特别的抗震构造措施。乙类建筑按本地区的设防烈度设计计算，相应提高一度实行抗震构造措施。丙类建筑按本地区设防烈度设计计算和实行抗震构造措施。丁类建筑按本地区设防烈度设计计算，抗震措施允许适当降低〔6 度时不应降低〕。
钢筋混凝土房屋由于总高度和构造体系的不同，抗震力量有很大差异，按其抗震力量将抗震等级分为四级，一级要求最严，四级要求最低。因此依据房屋总高度及构造体系打算抗震等级是设计的先决步骤。构造抗震等级依据《建筑抗震设计标准》确定。
收集相应的构造设计资料
构造设计的资料是设计标准，常用的构造设计标准有：《混凝土构造设计标准》、
《建筑构造荷载标准》、《建筑抗震设计标准》、《建筑地基根底设计标准》、《建筑构造制图标准》等。
构造设计的主要内容
建筑构造设计应当保证在荷载作用下构造有足够的承载力量和刚度，能保证构造正常使用条件下的安全性和耐久性要求。构造设计时，要考虑可能发生的各种荷载的最大值，以及荷载同时作用在构造上产生的综合效应。各种荷载性质不同，发生的概率和对构造的作用也不同，因此必需承受荷载效应组合的方法。
荷载作用下的构造设计内容
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建筑构造在竖向荷载及风荷载作用下，构造应满足承载力量及限制侧向位移的要求。在地震作用下，构造设计承受两阶段设计方法，到达三水准目标：第一阶段设计中，除要满足承载力及侧向位移限制要求，还要通过一系列抗震构造措施来满足延性要求；在罕遇地震作用下，要求进展其次阶段验算，以满足弹塑性层间变形 的限制要求。
承载力计算
按极限状态设计的要求，承载力计算的一般表达式为：
无地震作用组合时： S≤R 〔〕
E E RE
有地震作用组合时： S ≤R /γ 〔〕
式中：R 为无地震作用组合时构件的承载力量，不同的构件承受不同的承载力量计算公式，如抗弯承载力、抗剪承载力等； RE 为抗震设计时的构件承载力； γRE 为承载力抗震调整系数〔地震作用是一种偶然作用，所以对抗震设计的承载力量作相应调整〕，混凝土构造承载力抗震调整系数见表 ，当仅考虑竖向地震作用组合时，各类构件均取 。
表 混凝土构造承载力抗震调整系数
构件
梁
轴压比小于
的柱
轴压比不小于
的柱
剪力墙
各类构件
节点
类别
受力
受弯 偏压 偏压 偏压 局部承压 受剪偏拉 受剪
状态
γRE







整体稳定和抗倾覆验算
①整体稳定性验算
一般要求高层建筑的高宽比掌握在 5 之内。对于高宽比大于 5 的高层建筑，需要进展整体稳定性验算。
②抗倾覆验算
抗倾覆验算时，倾覆力矩应按风荷载或地震作用计算其设计值；计算抗倾覆力矩时，楼面活荷载取 50%，恒载取 90%。抗倾覆力矩不应小于倾覆力矩设计值。
⑷弹塑性变形验算
过大的侧移会使构造产生附加内力，影响正常使用，严峻时会加速倒塌，因此， 要限制构造的侧向变形。要进展正常使用状态下的水平位移限值验算。
要实现第三水准设防目标，一般可通过实行抗震构造措施来实现，但某些状况下，对于钢筋混凝土多、高层建筑构造，宜进展罕遇地震作用下薄弱层的抗震变形验算，具体验算方法见《建筑抗震设计标准》。
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钢筋混凝土框架构造设计计算
所示：
构造选型及构造布置
截面尺寸及
材料强度确定
荷载及计算简图
确实定与计算
水平荷载作用下构造
内力及侧移的计算
竖向荷载作用下构造内力的计算
构造的内力组合
截面的设计与计算
节点与构件设计与计算
图 钢筋混凝土框架构造设计流程图
构造选型及布置
构造体系的选择
构造体系是指构造抵抗外部作用的构件组成方式。建筑构造抗侧力体系确实定 和设计是构造设计中的关键问题。根本的抗侧力单元有框架、剪力墙、井筒、框筒 和相应的支承等。由这几种单元可以组成多种构造体系。常见的钢筋混凝土构造体 系有框架构造、框架－抗震墙构造、抗震墙构造及筒体构造等。不同的构造体系， 其抗震性能、使用效果和经济指标也不一样。《建筑抗震设计标准》在考虑地震烈度、场地土、抗震性能、使用要求及经济效果等因素和总结地震阅历的根底上，对地震 区现浇钢筋混凝土多高层房屋的构造类型和最大高度给出了相应的规定，。
表 现浇钢筋混凝土房屋适用的最大高度〔m〕
构造类型
烈度
6
7
8
9
框架
60
55
45
25
框架－抗震墙
130
120
100
50
抗震墙
140
120
100
60
局部框支抗震墙
120
100
80
不应承受
框架－核心筒
150
130
100
70
筒中筒
180
150
120
80
板柱－抗震墙
40
35
30
不应承受
注：1〕房屋高度指室外地面到主要屋面板板顶的高度〔不包括局部突出屋面局部〕
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框架－核心筒构造指由周边梁柱框架和核心筒组成的构造
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局部框支抗震墙构造指首层或底部两层框支抗震墙构造
乙类建筑可按本地区抗震设防烈度确定适用的最大高度
超过表内高度的房屋，应进展特地争论和论证，实行有效地加强措施
表中的“抗震墙”即《混凝土构造设计标准》〔GB50010〕中的剪力墙。
除了建筑高度等因素外，选择构造体系还要考虑建筑物的刚度与场地条件的关系。当建筑物自振周期与地基土的卓越周期全都时，简洁产生共振从而加重建筑物的震害。建筑物的自振周期与构造本身的刚度有关，因此在选择构造类型时应当了解场地和地基土及其卓越周期，调整构造刚度，避开共振周期和共振现象的发生。选择构造体系时还要留意选择合理的根底型式。对建筑物层数不多且地基条件
较好时可选择独立根底、十字穿插带形根底等，对脆弱的地基宜选择桩基、筏基或箱基等。
另外，选择构造体系，必需留意经济指标。多高层房屋一般用钢量大，造价高， 因而要尽量选择轻质高强和多功能的建筑材料，以减轻自重降低造价。
构造选型是一个综合性的问题，在实际设计中应依据建筑物所在地区的设防烈度、建筑物的高度及使用功能、建筑物的地基状况和工程造价等因素选择适宜的构造体系。对于框架构造由于其抗侧移刚度较差，在地震区一般用于十层左右体型较简洁和刚度较均匀的建筑物。对于层数较多、体型较简单、刚度不均匀的构造，为了减小侧向变形并减小震害，应中选择抗侧移刚度更大的构造形式。
框架构造的组成与分类
框架构造在平面上布置敏捷，可以做成有较大空间的会议室、餐厅、车间、营业室、教室等。需要时，可以用隔断分割成小房间，或撤除隔断改成大房间，因而在使用功能上格外敏捷。框架构造的墙体一般只做围护和分割使用，因此，建筑立面的设计也敏捷多变，假设承受轻质隔墙，还可大大降低房屋自重，节约材料。
框架是由梁、柱构件通过节点连接形成的骨架构造，由梁、柱承受竖向和水平 荷载，墙仅起围护作用。框架梁一般为水平布置，有时为便于屋面排水或者建筑造 型等的需求，也可布置成斜梁。为便于构造受力，同一轴线上的梁宜拉通对直，并 与柱轴线位于同一铅垂平面内。框架柱的截面形式常为矩形，有时由于建筑上的要 求，也可设计成圆形、八角形、L 形和 T 形等。为便于构造受力，同一平面位置上的上下层框架柱的形心宜位于同一铅垂线上，否则上柱轴力会对下柱产生附加弯矩。同时框架柱网布置宜上下全都。框架梁柱间的节点一般为刚性连接，有时为了施工 或者其它构造要求也可将局部节点设计成铰结或半铰结的形式。
框架构造在水平力作用下的变形特点如图 所示。其侧向位移主要由两局部组成：第一局部是由柱和梁的弯曲变形产生。在水平荷载作用下，梁和柱都有反弯点，形成侧向变形。框架下部的梁、柱内力较大，层间变形也大，愈到上部变形愈
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小，使整个构造呈现剪切型变形。其次局部侧移由柱的轴向变形产生，在水平荷载作用下，柱的拉伸和压缩使构造消灭侧移。这种侧移在上部各层较大，而愈到底部愈小，使整个构造呈现弯曲变形。框架构造中第一局部的侧向变形是主要的，随着建筑高度的增加，其次局部变形比例渐渐增加，但合成后整个构造仍主要呈现为剪切型变形特征。
图 框架侧向变形
框架构造抗侧刚度主要取决于梁、柱的截面尺寸。通常梁柱截面惯性矩小，侧向变形较大，这是框架构造的主要缺点，也因此而限制了框架构造的使用高度。
框架构造按材料可分为钢框架和钢筋混凝土框架。钢框架具有自重轻、抗震性能好、施工速度快等优点，但具有用钢量大、造价高、耐水和耐腐蚀性差等缺点， 目前应用相对较少；钢筋混凝土框架构造由于其造价低、取材便利、耐久性好和可模性好等优点，在我国得到广泛的应用。
钢筋混凝土框架按其施工方法可分为：现浇式框架、半现浇式框架、装配式框架及装配整体式框架；其中现浇整体式框架梁、柱、楼板全部现浇，它的优点是整体性和抗震性能好，缺点是现场施工量和支模量大，地震区的框架构造宜优先选用现浇式框架构造体系。
框架构造布置
⑴ 柱网布置及层高
钢筋混凝土框架构造民用建筑的柱网和层高依据建筑使用功能确定；工业建筑的柱网布置和层高要满足生产工艺流程和建筑平面布置的要求，同时柱网布置要使构造受力合理，施工便利。
①、柱网布置应满足生产工艺流程的要求
在多层工业厂房设计中，生产工艺流程的布置是厂房平面设计的主要依据，根 据各生产工段的使用要求，厂房的平面布置一般为内廊式、统间式、大宽度式等。 内廊式的边跨跨度一般为 6～8m，中间跨为 2～4m；等跨式的跨度一般为 6～12m； 柱距一般为 6～；层高为 ～。
②、柱网布置应满足建筑平面布置的要求
对于各种平面的建筑物，构造布置应满足建筑功能及建筑造型的要求。建筑内
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