课程编号
07
第七课：建筑结构体系（Structural Systems in Architectural Design）
本课在 第六课（建筑结构原理） 的基础上，进一步探讨 建筑结构体系，重点介绍 超结构（Superstructure） 和 次结构（Substructure） 的概念，以及如何 正确传递荷载 以确保建筑的安全与稳定。本课还介绍了 框架结构的挑战 及 解决方案，包括 抗侧向变形、防止倾覆、避免地基问题。
一、建筑结构体系概述
建筑可以被分为 两大部分：
1. 超结构（Superstructure）：
• 指 地面以上 的建筑部分，包括：
• 屋顶（Roof）
• 楼板（Floors）
• 外墙（Walls）
• 窗户和门（Openings）
2. 次结构（Substructure）：
• 指 地面以下 的建筑部分，包括：
• 地基（Foundation）：承载整个建筑荷载，并将其传递至土壤。
• 地下墙体（Basement Walls）：如果建筑有地下层，则需要承受侧向土压力。
3. 防潮层（DPC - Damp Proof Course）：
• 超结构与次结构的分界线通常为 防潮层，用于防止地基中的水分渗入建筑主体。
二、荷载传递路径（Load Path）
建筑必须确保荷载能 顺畅地传递到地基，否则可能出现 变形、开裂或倒塌。荷载的传递路径如下：
1. 屋顶 → 楼板
2. 楼板 → 梁
3. 梁 → 柱
4. 柱 → 地基
5. 地基 → 土壤
目标：
• 所有结构构件必须连接紧密，确保荷载能逐层向下传递，不会造成局部受力集中。
三、基础（Foundation）的作用
建筑基础的核心作用是：
1. 均匀分布荷载：
• 通过扩大接触面积，使地面承受的 压强 降低，防止沉降。
2. 提供稳定性：
• 确保建筑 不会倾覆或滑移。
3. 适应地质条件：
• 依据 土壤类型 选择合适的地基设计。
常见地基类型
地基类型 | 适用情况 |
浅基础（Shallow Foundation） | 适用于 土壤坚实的地区，如独立住宅 |
条形基础（Strip Foundation） | 适用于 砖石结构建筑，能均匀分布荷载 |
筏板基础（Raft Foundation） | 适用于 软土地基，能防止 不均匀沉降 |
桩基础（Pile Foundation） | 适用于 松软或不稳定地基，通过 桩柱 传递荷载到更深的土层 |
四、框架结构（Frame Structures）
现代建筑多采用 框架结构，其特点是：
1. 提供开敞空间：
• 不同于传统承重墙，框架结构能创造 更大的开窗面积，提高建筑的 通透性和美观性。
2. 更轻、更经济：
• 框架结构 用材更少，成本更低，特别适用于 高层建筑。
框架结构的主要问题
框架结构在受力时可能遇到 三大挑战：
1. 侧向变形（Racking）：风荷载或地震可能导致 框架结构倾斜。
2. 倾覆（Overturning）：强风可能导致 整个建筑翻倒。
3. 滑移（Sliding）：建筑可能在地震或风荷载作用下 沿地基滑动。
五、框架结构的抗变形策略
1. 抗侧向变形（Racking Resistance）
• 解决方案：
• 剪力墙（Shear Walls）：使用 混凝土墙 增加建筑刚性。
• 斜撑（Diagonal Bracing）：在框架结构中 增加“X”形钢支撑。
• 刚性连接（Rigid Joints）：提高 梁柱节点 的刚度，减少变形。
2. 防止倾覆（Preventing Overturning）
• 解决方案：
• 连接构件（Holding Down Straps）：
• 使用 钢带 将 上部结构固定至地基，防止被风吹翻。
• 加重基础：
• 通过增加地基重量 增强建筑的稳定性。
3. 防止滑移（Preventing Sliding）
• 解决方案：
• 地基锚固（Anchor Bolts）：
• 使用 膨胀螺栓（Frame Anchors）固定框架至地基，防止地震时滑移。
六、建筑基础问题及应对措施
1. 地基沉降（Subsidence）
• 原因：
• 地基土壤承载力不足，导致建筑逐渐下沉。
• 解决方案：
• 采用 筏板基础 或 桩基础，确保建筑荷载均匀分布。
2. 地基膨胀（Heave）
• 原因：
• 黏土层受水分影响膨胀，导致地基 抬升。
• 解决方案：
• 排水系统 设计合理，防止水分滞留。
七、建筑结构体系的分类
1. 钢框架结构（Steel Frame Structure）
• 适用于 高层建筑、桥梁、工业厂房。
• 优点：
• 强度高、重量轻、施工快。
• 挑战：
• 需 防火涂层 保护，防止高温导致失效。
2. 混凝土框架结构（Reinforced Concrete Frame）
• 适用于 住宅、商场、办公楼。
• 优点：
• 耐久性强，抗火性能好。
• 挑战：
• 自重大，需要强地基支撑。
3. 砖石结构（Masonry Structure）
• 适用于 低层住宅、历史建筑。
• 优点：
• 保温、隔音效果好。
• 挑战：
• 抗震性能差，不能用于高层建筑。
八、总结
1. 建筑可分为超结构（Superstructure）和次结构（Substructure）：
• 超结构包括屋顶、楼板、外墙；
• 次结构包括地基、地下墙体。
2. 荷载必须顺畅传递至地基，确保建筑稳定：
• 通过 框架、剪力墙、基础锚固 来优化结构。
3. 框架结构需要额外支撑，防止侧向变形、倾覆和滑移：
• 采用 剪力墙、斜撑、刚性连接 增强稳定性。
4. 不同结构体系适用于不同类型的建筑：
• 钢框架 适用于高层；
• 混凝土框架 适用于住宅和商业建筑；
• 砖石结构 适用于低层建筑。
本课为 下一课（木结构建筑体系） 奠定基础，后续将探讨 木结构的特点、优缺点和施工方法。
