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河北工业大学工程硕士专业学位论文开题报告河北工业大学工程硕士专业学位论文开题报告题目名称:新型住宅建筑结构体系分析研究姓 名: 李刚 入学时间： 2009/3/10 工程领域: 建筑与土木工程 所属学院: 土木工程学院 学校导师: 周明杰 企业导师: 董仕君 2010年 6 月 5 日新型宜居建筑结构体系分析研究一、课题研究的目标和意义本课题进行新型、宜居、节能、经济、高效住宅的结构体系研究。科研活动应来源于实践，其成果也要应用于实践、服务于实践。因此，搞清楚课题方向是至关重要的。当前，我国正在进行着几乎是世界上最大规模的工程建设，我国国情和广大人民群众对自身居住环境的要求越来越高的实际情况决定居住建筑规模也是世界最大规模的。但就全国而言，大多数的住宅目前仍采用多层砖混的结构体系。这种结构体系存在着很多缺陷与不足，如资源消耗量大，抗震能力不强,施工周期长，节能环保效果差，总体经济效益（包括直接就经济效益和社会综合效益）不好，使用环境的创造、利用、改造极不方便等诸多方面。针对这种情况,住建部相关领导指出,我国要紧紧围绕资源节约型和环境友好型社会的需求,将单一关注建筑本身的价值转变为关注其社会价值,在政府指导下,以市场为主体,以科技为动力,大力引导和发展新型建筑结构体系。随着我国全面建设小康社会的进程全面展开，必将为结构体系的创新和能力提升提供历史性的机遇。建筑最本质的内容是创造一种满足人们从事生产、生活、或社会活动的环境。环境是建筑的出发点和落脚点。通常建筑工程设计的基本思路是由建筑师根据功能要求提出有别于自然环境的人工环境，再由结构工程师根据人工环境要求提供必须的结构空间环境，最后由设备工程师、环艺工程师在结构环境的基础上提供各种具体的功能环境，最终实现最初提出的有别于自然环境的人工环境。从上述分析中可以看出，结构体系所提供的结构空间是其它所有功能空间乃至总体人工环境实现的物质基础，后两者的实现必须依赖结构体系所提供的三维物质空间。对于高素质的科研人员来说，上述建筑工程设计的过程不应成为固定不变的程式，良好的结构体系设计，可以为建筑功能的改善和整体建筑环境的优化与突破提供良好的基础和扩展余地。通过良好的结构体系设计，在相同的建筑面积下如果竖向承重构件所占面积越小，则相应使用面积则越大；基础设计越合理，地下室空间的利用就越方便；承重墙越少越有利于轻质保温节能材料的应用；优秀的结构体系设计也会使建筑结构自身的荷载传递、抗震、支撑稳定等方面更加优化简捷。本课题针对我国目前实际情况，提出一种新型集合住宅结构体系中央框架、伸臂柱、拉索结构体系并进行系统研究，力图实现宜居、节能、经济、高效的新型居住模式。其意义和目标可概括为以下四个方面：1、通过新型结构体系的研究，取代旧的多层砖混砌体结构体系，废止传统粘土砖及加气块在多层住宅中的使用，克服旧结构体系带来的功能实现难度大、资源消耗量大、施工效率低、不节能、不环保的落后状况。2、通过新型结构体系的研究，简化结构荷载传递方式，明确荷载传递路线，使力流更为通畅、简捷、抗震能力更强，结构构件功能更加明确合理，材料性能发挥更加充分，施工更加简单高效。3、通过新型结构体系的研究，优化居住建筑的各种功能，使之成为舒适宜居，节能绿色，节约空间的新型住宅。（1）、极大提高使用面积与建筑面积比例，减小竖向承重构件截面和数量，提高平面利用系数。（2）、极大提高功能空间划分的灵活性，可变性，实现在正常耐久年限内居室空间可多次重复变化而不改变结构设计。（3）、极大改善多元空间利用效果，以结构体系的改变增强空间利用效率，为节能环保、声光环境等具体功能设计的可创性提供坚实的结构支撑平台和良好的空间位置。4、通过新型结构体系的研究，实现巨大的经济、技术、社会综合效益。（1）、结构构件及其它功能构件（如保温、隔声）功能明确，使得构件大量使用装配施工，极大减少现场湿作业，减少施工过程的额定用水量，实现寒冷地区全年施工（目前我国大部分地区都需冬季停工），充分利用劳动力资源，提高经济、技术、社会综合效益。（2）、淘汰粘土砖、加气块等大量消耗能源、土地的材料。全部空间划分、围护材料、甚至结构材料采用轻质、高强、可多次利用材料，有效减轻建筑自重，提高材料重复利用率。充分利用材料自身性能，提高经济、技术、社会综合效有益。（3）、利用结构体系提供的结构空间，安装多种无碳能源设备，高效集水设备，如根据气候条件安装太阳能或风力发电设备，地下室集水设施等；合理利用结构体系提供的功能空间，如将地下室敞通空间用做地下车库，提高经济、技术、社会综合经济效益。二、国内外关于该课题的研究现状及发展趋势 建筑结构体系是指结构抵抗竖向荷载和水平荷载的传力途径和构件组成方式,是用一定的材料和技术,在一定的力学原理指导下而建立起来的“建筑骨骼”。结构体系的核心内容，就是以力学规律和美学意识来追求最佳和最切实可行的结构方案。一方面，结构体系是一个能够符合科学规律传导各种建筑荷载的受力系统；另一方面，结构体系还应成为整合建筑功能要求与建筑艺术要求、经济要求、环保节能要求的主要物质技术手段。结构体系中的力学意识，要求结构工程师从安全、经济、节能、环保、高效等多个角度去判断结构体系是否正确、合理，从而决定是进一步去优化结构方案还是从根本上进行新的体系设计。因此，各种结构体系工作原理的最基本要点与力学原理密不可分，是结构体系构思、优化结构方案必须遵从的基本出发点。结构体系关注结构的系统传力，如路线、方式、稳定、效率等内容的同时，必须与建筑环境创作中有关功能空间的创造、视觉空间的创造、经济价值的创造等非结构体系直接研究内容紧密结合起来，因为任何建筑最终都是作为一个整体存在发挥其现实用途的。人类社会对建筑功能需求的不断求新、求变是结构体系创新的动力；结构理论的发展是结构体系创新的理论基础；结构材料的发展是结构体系创新的物质基础；结构试验的发展是机构体系创新的验证保障；结构施工技术的发展是结构体系创新的实现途径。现代结构体系的类型、形式繁多，目前结构体系的研究主要从两个方面考虑问题：（一）、按结构受力构件所采用的材料进行分类研究。建筑结构材料的发展经历了土、木、石、钢筋混凝土、钢、新型高强轻质材料的发展过程。进入新世纪，建材的发展呈现出三个主要特征：功能化、可持续发展化和多样综合化。目前主要结构体系类型有： 砖木结构、砖混结构、钢结构、钢-混凝土混合结构、 合金材料（不锈钢、铝合金、铝镁锰合金）、陶瓷、玻璃、碳纤维、有机高分子膜等材料结构（二）、按结构体系的力学工作原理进行分类研究。主要体系类型有：1、平面结构体系墙体承重的梁板结构：以粘土砖等砌块墙为竖向承载构件和以钢筋混凝土楼盖为水平承载构件的结构体系。骨架类承重结构主要包括：框架结构：由梁、柱等通过结点连接构成，具有平面布置灵活，方便设置大空间 等优点。剪力墙结构：利用建筑物墙体承受竖向何在，同时抵抗水平何在的结构体系，剪力墙还作为建筑的空间围护和分隔构件。特点是建筑抗震性能好但空间划分、平面布置不灵活框剪、框筒结构：在框架结构中布置一定数量的剪力墙就形成框剪结构，两个方向的剪力墙围成筒体就形成筒体结构。板柱（无梁楼盖）结构：直接用柱支撑楼板的结构体系。特点是受力体系中不设梁、剪力墙或井筒，空间布置灵活。刚架结构：梁柱间连接为刚性连接的骨架结构体系。拱结构：梁柱在平面内按某一曲率成为连续的弯曲构件，即为拱结构体系。2、空间结构体系折板结构：是由若干狭长的薄板以一定角度相交连成折线形的空间薄壁体系。适宜于长条形平面的屋盖，常用有V形、梯形等型式的折板，具有制作简单、安装方便与节省材料等优点。薄壳结构（shell structure）： 由曲面形板与边缘构件（梁、拱或桁架）组成的空间结构体系，具有很好的空间传力性能，能以较小的构件厚度形成刚度大、承载力强的结构体系，能围护大跨空间不需中间支柱，兼做承载结构和围护构件的双重作用。网架结构：由多根杆件按照一定的网格形式通过节点连结而成的空间结构体系。具有重量轻、刚度大、空间受力、抗震性能好等优点。悬索结构：由钢丝绳、钢铰线、钢丝束、圆钢、链条等柔性受拉索及其边缘构件所形成的承重结构。悬索结构能充分利用高强材料的抗拉性能，可以做到跨度大、易施工、材料省、自重小。膜结构 (Membrane) ：是20世纪中期发展起来的一种新型建筑结构形式，由高强薄膜材料(PVC或Teflon)及加强构件(钢索、钢柱或钢架)使其内部产生预张应力以形成空间形状作为覆盖结构,并承受外荷载作用的一种空间结构形式.膜结构可分为充气膜结构和张拉膜结构两大类。充气结构：以高分子材料制成的薄膜制品中充入空气后而形成建筑承载结构。索杆结构、索膜结构：以拉索和拉杆、充气膜组合承载的空间结构体系。突显结构体系的意义和作用，是现代建筑活动的一个重要组成内容。现代建筑创作要在更高的水平上，把握好结构体系和建筑构思二者相互渗透、彼此互动的辩证统一关系，实现更好的资源上“有即用之，物尽其用”的基本原则和可持续发展、和谐发展的基本精神。在当今充满生机，多姿多彩的建筑实践中，这一理念已在许多实际工程中得以展现。从奥运场馆鸟巢、水立方到上海世博会的中华之冠及其它多个场馆都很好的体现了这一原则。但是，在我国建设量最大，使用量也最大的普通住宅建筑中，这一原则却差强人意，特别是广大的二线、三线城市，其普通住宅的建设仍广泛采用墙体承载的砖混结构。究其原因是多方面的，但对经济、合理、便于施工的结构体系研究的缺乏是其中最重要的原因。统计表明，我国的二线、三线城市在量上是居于绝大多数的，其住宅建设量总和也远大于少数的一线城市建设量总和。因此，对普通多层，小高层住宅的结构体系研究是非常必要的。本课题就是针对这种实际情况展开的结构体系研究，目的是创造一种适用、经济、安全、环保节能、高效的宜居建筑结构体系。本课题提出的结构体系从材料角度是一种钢-钢筋混凝土混合结构体系，从结构体系的力学工作原理角度是一种中央框架、伸臂柱、拉索结构混合结构体系。三、拟研究主要内容及预期目标和成果（一）、本课题针对我国目前实际情况，提出一种集合式住宅的新型结构体系并进行系统研究，实现宜居、节能、经济的革新。主要内容如下：1、 提出新型结构体系并在功能实现优化上进行研究，突破旧体系对功能实现的限制。2、 对新型结构体系的结构设计、建造施工进行研究，实现建筑设计、施工的高效、经济、均衡、全年施工。3、 对新型结构体系为建筑、设备、装修等其它专业提供更多的便利性、良好的专业协调性进行研究。提高建筑整体可适应性、兼容性。4、 对新型结构体系为节能、绿色、环保设计方面提供的结构支持内容进行研究。使结构体系成为经济、低碳、充分利用多种可再生资源的基本平台。5、 对新型结构体系进行技术经济分析研究，通过与传统混合结构的对比，综合考虑直接、间接、社会整体经济效益。为推广做好准备工作。 （二）、重点解决的关键问题1、新结构体系的结构模型建立及结构计算。2、与普通砖混结构的对比分析。3、新结构体系在节能、空间提供、资源利用方面的平台保证分析。（三）、主要创新处：1、采用中央框架作为建筑全部竖向承重构件，建筑其它部位不设竖向承重构件，极大的方便保温、隔热、隔声、空间划分等具体功能实现，并减轻建筑整体荷载。2、采用伸臂柱与中央框架组合的受压承力体系，充分钢筋混凝土的材料性能。3、楼板荷载通过钢拉索巧妙传给伸臂柱及中央框架，即充分发挥钢索受拉性能优异性能，又使中央框架柱的稳定性得以增强。4、楼板与中央框架梁连接处设连接抗震构造，通过钢索和弹簧双向弹性设计实现建筑结构的弹性抗震体系。既有效耗散地震能量，又使得传到中央框架的地震力最小，且充分利用结构自重平衡地震水平荷载。此外，通过弹簧钢板和弹簧减震的合理组合，既保证了建筑楼层和建筑整体水平荷载向中央框架的传递，又有效分阶段的解决多遇地震和罕遇地震抗震问题。5、通过多重受力、稳定钢索的设置，有效保证结构体系整体安全稳定的同时，实现抗震的多重防线设计。通过合理的基础、地下室设计，既实现地下室自然采光的突破又有效保证中央框架的稳定和加强抗剪能力的设计思路。（四）、拟采取的具体研究方法和实施方案 1、选定建筑设计方案，并根据建筑方案分别按照新型结构体系和传统砖混结构体系进行结构设计。 2、依据完成的结构体系设计分别建立计算机结构模型并进行结构计算，得出结构设计具体资料。 3、依据已有的资料并结合工程施工、预算、环境、工期等方面进行综合社会经济、资源、效益评析，得出结论。四、预期成果和提供的形式 形成专题论文，包括结构体系分析，结构图纸及必要计算说明，综合社会经济、资源、效益评析报告，施工可行性分析。五、课题安排和计划2010年6月2010年9月底 搜集与本课题相关的论文，资料2010年10月2010年10月底 完成开题报告及进入研究阶段相应准备工作 2010年11月2011年2月底 进行结构体系建模，结构分析研究2011年2月 2011年3月初 进行结构体系结构计算，经济、节能、环保等分析研究，并形成论文初稿，2011年 6月 完成论文的修改工作并提交评审2011年6月9月 准备答辩六、参考文献1、林同炎 S.D, 斯多台斯伯利，结构概念和体系（第二版），1999，022、布正伟，结构构思与现代建筑艺术的表现技巧，“建筑.人.环境”，中国建筑学会第五次代表大会论文集3、布正伟, 结构构思论现代建筑创作结构运用的思路与技巧，2006，014 、沈祖炎、王烨华、李元齐，论结构创新，同济大学学报，2010，01，第38卷第1期5、 方鄂华等. 高层建筑钢筋混凝土结构概念设计. 2004.086、碹强、史杰、朱春华，建筑结构体系对上部结构经济性的影响，广西城镇建设，2010.17、谢其盛, 高军 , 浅谈几种新型工业化住宅主结构体系的发展, 住宅产业.2009(12).-42-468、苏原、张仲先、李黎， 顶部带水平伸臂的框架-筒体结构连续化分析，华中科技大学学报，2008，09，第36卷第9期9、杨树香、齐萍，浅谈建筑结构设计与分析，科技信息，2009，第7期10、项士全、邓景文，茅升华、朱伟、范麒，悬挂式钢-混住宅结构体系的研究，建筑结构学报，2002，12，第23卷16期11、谷川，杨玉泉，吊杆、索长精确测量方法研究，城市道桥与防洪，20002，12期 12、祁海坤、赵连山，建筑结构用钢索热铸锚固技术初探，建筑科学2008，No.613、巩玉发、崔婷婷、徐勇，拉索式钢烟囱设计方法及应用，中国新技术新产品，2008，No11（上）14、郭颖、刘煊、石林、王守超，某斜拉式结构体系预应力拉索施工方案分析研究，科技资讯，2009，No3515、陈林，平行钢绞线斜拉索施工技术，公路交通技术，2008年10月第5期16、王前信、张艳红、王珞珈，地震工程与工程振动，1998年6月，vol.18,No2.17、谢永红、张春辉，斜拉索的换索施工技术，预应力技术2008年第4期18、要军霞，斜拉索的防护，山西建筑，2008年4月，Vol.34,No.1219、费永华，谈谈住宅工程的节能保温，科技资讯，2009，No.3420、普正锷、张志伟、朱明，第三届中国建筑工程质量论坛优秀论文，2009年11期第27卷21、李凤臣、刘青、王大鹏，田石柱，斜拉索索力识别精度的提高方法，建筑科学与工程学报，2008年12月，Vol.25