课程编号
06
第六课：建筑设计的基本结构原理（Basic Structural Principles in Architectural Design）
本课介绍了 建筑结构的基本原理，重点讲解了建筑如何应对不同类型的荷载（Loads），以及 梁、柱、支撑结构 在建筑稳定性中的作用。理解这些基本概念有助于优化建筑设计，确保建筑安全、稳定，并提高施工效率。
一、建筑结构的核心概念
建筑结构的主要目标是 承受荷载并将其传递至地基，保持建筑的 稳定性和耐久性。为此，我们需要理解：
1. 建筑所承受的荷载（Loads）
2. 荷载如何影响结构
3. 不同结构构件如何应对荷载
建筑结构的核心原则基于 牛顿第三定律：
“作用力与反作用力相等”
建筑必须保持 平衡状态（Equilibrium），否则会发生 沉降、变形或倒塌。
二、建筑结构中的荷载类型
建筑荷载主要分为 两大类：
1. 恒载（Dead Loads）
• 恒载 指始终存在、不变的荷载，主要包括：
• 建筑本身的重量（墙体、屋顶、楼板）
• 固定装置（中央空调、管道、固定家具）
2. 活荷载（Live Loads）
• 活荷载 指 随时间变化的荷载，如：
• 人员、家具、可移动设备
• 屋顶上的积雪、雨水
• 临时施工荷载
3. 横向荷载（Lateral Loads）
• 风荷载（Wind Load）：风对建筑侧面的推力，特别影响 高层建筑 和 幕墙结构。
• 地震荷载（Seismic Load）：地震引起的水平振动，影响 抗震设计。
• 冲击荷载（Impact Load）：如车辆撞击墙体，虽然较少考虑，但在 车库、工业建筑 需纳入设计。
总结：
• 恒载 + 活荷载 主要作用于 垂直方向（地面）。
• 横向荷载 主要作用于 水平方向（风、地震）。
三、荷载如何影响建筑结构
1. 结构变形：侧向变形（Racking）
• 当结构受到侧向力（如风力）时，建筑可能会向一侧倾斜，这种现象称为 侧向变形（Racking）。
• 解决方法：
• 剪力墙（Shear Wall）：增加坚固墙体，提高抗侧向变形能力。
• 斜撑（Diagonal Bracing）：在框架结构中加入对角支撑，如“X”形支撑。
• 刚性连接（Rigid Joint）：加强梁柱连接，提高整体刚性。
四、结构构件如何承受力
1. 拉力（Tension）
• 拉力是 使材料伸长 的力，例如：
• 钢索桥梁
• 悬挂结构（如玻璃幕墙的拉索）
• 典型材料：
• 钢材 具有良好的抗拉能力，常用于拉索结构。
2. 压力（Compression）
• 压力是 使材料缩短 的力，例如：
• 柱子承受上方楼板的重量
• 拱形桥梁
• 典型材料：
• 混凝土、砖石 具有较强的抗压能力，适用于承重墙、柱子。
3. 弯曲力（Bending）
• 当梁承受荷载时，顶部受 压缩力，底部受 拉力。
• 中性轴（Neutral Axis）：梁的 受压区和受拉区的中间层，不受应力影响。
4. 剪切力（Shear）
• 剪切力是 两个方向相反的力，可能导致材料滑移，例如：
• 地震作用导致楼板位移
• 风力使建筑外墙产生侧向滑移
• 解决方法：
• 加设剪力墙
• 采用钢筋混凝土结构
五、如何保证建筑的稳定性？
1. 框架结构（Frame Structures）
• 钢框架（Steel Frame）：适用于高层建筑，灵活且抗震。
• 混凝土框架（Reinforced Concrete Frame）：适用于住宅和办公楼，耐久性强。
2. 剪力墙结构（Shear Wall Structures）
• 在高层建筑中，剪力墙 用于抵抗风力和地震力。
• 例如：住宅楼的电梯井通常由剪力墙构成，增强结构稳定性。
3. 斜撑系统（Bracing Systems）
• 在框架结构中，通过 对角支撑 增加抗侧向变形能力。
• 例如：高层建筑常采用 X 形钢支撑。
4. 刚性连接（Rigid Joints）
• 通过 焊接、加固螺栓 使梁柱连接更稳固，减少变形。
六、梁的受力分析
1. 简支梁（Simply Supported Beam）
• 两端支撑，荷载作用时 中间下弯。
• 适用于 桥梁、楼板。
2. 悬臂梁（Cantilever Beam）
• 一端固定，另一端悬空，荷载作用时 产生弯矩。
• 适用于 阳台、挑檐。
3. 连续梁（Continuous Beam）
• 多个支撑点，荷载分布更均匀，减少单个梁的受力。
• 适用于 高架桥、大型建筑屋顶。
七、荷载的传递路径（Load Path）
• 建筑荷载需 层层传递到地基：
1. 屋顶 → 楼板
2. 楼板 → 梁
3. 梁 → 柱
4. 柱 → 地基
设计目标：
• 确保荷载能够顺畅传递，不会导致结构失衡。
八、建筑结构设计的关键点
1. 合理布置承重结构：
• 框架结构适用于高层建筑
• 剪力墙适用于抗风抗震
2. 优化荷载传递路径：
• 避免荷载过度集中，导致局部受力过大。
3. 控制建筑变形：
• 使用剪力墙、斜撑或刚性连接减少侧向变形。
4. 选择合适的结构材料：
• 钢材适用于拉力结构
• 混凝土适用于抗压结构
九、总结
1. 建筑荷载 主要包括 恒载、活荷载、横向荷载，必须合理设计以确保结构稳定。
2. 建筑结构主要承受拉力、压力、弯曲力和剪切力，不同材料适用于不同荷载情况。
3. 高层建筑常采用钢框架、剪力墙或斜撑系统，以应对风力和地震力。
4. 合理的荷载传递路径 使建筑安全稳定，避免局部应力过大。
本课为后续课程 建筑结构系统（Structural Systems） 奠定基础，未来将进一步探讨 不同结构体系的实际应用。
