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面向建筑师的结构体系

第 1 节：结构体系选择

结构体系的选择是建筑设计中最早做出的决策之一，也会产生深远影响。它决定了层高、柱距、立面表现、施工计划、成本和隐含碳。以下决策树和体系目录可帮助建筑师在与结构工程师接洽前，掌握作出明智选择所需的知识。

决策树：关键变量

1. 跨度要求 — 设计方案需要多大的净跨？
2. 建筑高度 — 低层（1-4 层）、中层（5-12 层）、高层（13-40 层）、超高层（40 层以上）？
3. 功能类型 — 住宅、办公、零售、工业、混合用途、文化？
4. 成本范围 — 预算受限、中端、高端？
5. 施工速度 — 工期是否是关键因素？
6. 可持续性目标 — 隐含碳预算（kgCO2e/m²）？
7. 耐火等级 — 要求耐火 30/60/90/120 分钟？
8. 场地限制 — 通行条件、振动、噪声、邻近结构？

体系类型 1：承重砌体

• 跨度范围：4-7m（配混凝土楼板或木搁栅）
• 高度限制：最多 6 层（无筋）；最多 10 层以上（配筋／约束砌体）
• 典型墙厚：215mm（单叶墙）、300mm（空腔墙）、215-327mm（底部楼层的实心墙）
• 楼板厚度：砌体墙上 150-200mm 的钢筋混凝土楼板；或 200-250mm 的预制板
• 成本范围：80-140 $/m²（仅结构）
• 施工速度：每层 4-6 周（传统工艺）；采用薄缝砌体时更快
• 耐火策略：固有耐火性——215mm 实心砌块可达到 120 分钟 REI
• 隐含碳：150-280 kgCO2e/m²（取决于砌块类型和砂浆）
• 最适用的建筑类型：社会住房、低层住宅、酒店、学生宿舍、学校
• 典型建筑：
  • 芝加哥 Monadnock Building（1891）——17 层，底部墙厚 1.8m
  • 伦敦 Mapleton Crescent（2018）——6 层 CLT，配砌体立面
  • 谢菲尔德 Park Hill（1961）——承重横墙结构

主要建筑影响：墙体位置决定平面布局。结构承载能力会限制窗洞口。室内承重墙会限制未来的灵活性。最适用于重复的房间式平面（住宅、酒店）。横墙结构（由分户墙承重）是效率最高的形式。

体系类型 2：钢筋混凝土框架

• 跨度范围：6-12m（无梁楼板）；8-15m（梁板体系）；10-18m（井字梁楼板）
• 高度限制：不限（需配合适当的抗侧力体系）
• 典型楼板厚度：无梁楼板 250-350mm；梁板体系为 150-200mm 楼板 + 450-700mm 梁；井字梁楼板整体厚度 325-500mm
• 柱尺寸：300x300mm（低层）至 1200x1200mm（高层底部）
• 成本范围：120-220 $/m²（仅结构）
• 施工速度：每层 7-14 天（传统模板）；5-7 天（台模）
• 耐火策略：钢筋保护层——60 分钟需 25mm，90 分钟需 35mm，120 分钟需 45mm（BS EN 1992-1-2）
• 隐含碳：250-400 kgCO2e/m²（常规）；180-280 kgCO2e/m²（采用 GGBS/PFA 替代水泥）
• 最适用的建筑类型：各类建筑——住宅、办公楼、医院、混合用途建筑、高层建筑
• 典型建筑：
  • 伦敦 Barbican Estate（1969-76）——清水混凝土框架，住宅塔楼最高达 42 层
  • 新加坡 Marina Bay Sands（2010）——预应力无梁楼板，57 层
  • 米兰 Bosco Verticale（2014）——钢筋混凝土框架，配悬挑种植阳台

主要建筑影响：无梁楼板具有最大的灵活性——无需下挂梁，机电管线可自由布置。但柱位处的冲切剪力需要通过柱帽或抗剪构件处理。梁板体系的整体厚度更大，但在跨度较长时效率更高。井字梁楼板适用于公共建筑中裸露的楼板底面。

系统类型 3：后张预应力混凝土

• 跨度范围：8-16m（无梁楼板）；10-20m（带状梁）
• 高度限制：无限
• 典型楼板厚度：200-300mm（无梁预应力楼板）；180-250mm 楼板 + 400-600mm 带状梁
• 成本范围：140-240 $/m²（仅结构 — 预应力筋使成本比 RC 高 15-25%，但可节省混凝土）
• 施工速度：每层 5-7 天（台模）；楼板更薄且可更早拆模，因此施工周期比 RC 更快
• 耐火策略：与 RC 相同，但需满足预应力筋的特定保护层厚度要求（90 分钟耐火需 40mm）。为保障消防安全，优先采用有粘结预应力筋；无粘结预应力筋则需配置附加钢筋。
• 隐含碳：200-320 kgCO2e/m² — 由于混凝土用量减少，通常比同等的 RC 无梁楼板低 15-25%
• 最适用的建筑类型：大跨度办公楼、停车场、医院、机场、裙房结构
• 典型建筑：
  • 伦敦 One Canada Square（1991）— 预应力无梁楼板，50 层
  • 库比蒂诺 Apple Park（2017）— 预应力放射状楼板，跨度 12m
  • 伦敦 Broadgate Exchange House（1990）— 78m 净跨预应力拱支撑 10 层楼

关键建筑设计影响：楼板比 RC 薄（通常薄 20-30%），可降低层高，并在幕墙和机电服务方面带来累计节省。预应力筋会限制开孔位置：开口必须尽早与结构工程师协调。施工完成后，不得在预应力筋所在位置钻芯开孔。

系统类型 4：钢框架

• 跨度范围：6-20m（标准截面）；15-60m 以上（桁架、蜂窝梁）
• 高度限制：无限（需配备适当的侧向力体系）
• 典型梁高：300-600mm（跨度 6-12m）；500-900mm（跨度 12-20m）；桁架为 1.5-3.0m（跨度 30-60m）
• 柱尺寸：200x200mm UC 至 400x400mm（或直径 219-508mm 的圆柱）
• 成本范围：150-280 $/m²（仅结构，包括防火保护）
• 施工速度：每层 3-5 天（钢结构吊装）；施工速度最快的结构体系。对于高层建筑，相比 RC 可缩短 4-6 个月的工期。
• 耐火策略：膨胀型涂料（薄膜型适用于 30-60 分钟，厚膜型适用于 90-120 分钟）、板材包覆、混凝土包覆、注水空心截面，或在合理情况下采用经防火工程论证的无保护钢结构。
• 隐含碳：200-350 kgCO2e/m²（常规）；120-200 kgCO2e/m²（高再生材料含量、电弧炉钢材）
• 最适用的建筑类型：办公楼（伦敦金融城标准）、高层建筑、大跨度结构、展览馆、体育场馆、快速施工项目
• 典型建筑：
  • 伦敦 The Shard（2012）— 钢框架与混凝土核心筒，72 层，高 310m
  • 巴黎蓬皮杜中心（1977）— 外露钢制 Gerberette 桁架，48m 净跨
  • 北京国家体育场“鸟巢”（2008）— 钢空间框架，跨度 330m

关键建筑设计影响：最轻的结构体系 — 适用于土质较差的场地。吊装速度最快 — 对商业项目至关重要。防火保护会增加成本并影响美观。外露钢结构需要通过精细设计满足防火工程要求，或接受经防火工程论证的解决方案。大跨度钢结构可实现混凝土无法做到的无柱空间。

系统类型 5：钢-混凝土组合结构

• 跨度范围：9-18m（带压型钢板的组合梁）；12-20m（组合桁架）
• 高度限制：不限
• 典型楼板构造：130-170mm 厚组合压型钢板楼板，支承于 400-600mm 高的下翼缘钢梁上（或 200-350mm 高的 ASB/薄型楼板梁上）
• 成本范围：140-250 $/m²（仅结构）
• 施工速度：与钢框架相当——压型钢板作为永久模板，跨度不超过 3.6m 时无需支撑
• 耐火等级策略：配筋网增强的压型钢板可达到 60 min；增加钢筋可达到 90-120 min。钢梁按钢框架的方式进行防火保护。
• 隐含碳排放：220-340 kgCO2e/m²
• 最适用的建筑类型：商业办公楼（英国标准）、多功能裙房、停车场
• 代表性建筑：
  • 22 Bishopsgate，伦敦（2020）——组合框架，62 层
  • One World Trade Center，纽约（2014）——钢-混凝土组合结构
  • Leadenhall Building “Cheesegrater”，伦敦（2014）——带组合楼板的巨型框架

主要建筑设计影响：这是英国标准的商业办公楼方案。150mm 厚楼板 + 400-500mm 高钢梁，形成 550-650mm 的总结构层高。薄型楼板方案（ASB、Slimdek）可将其减至 300-400mm，但成本更高。钢梁腹板开孔可让设备管线穿过结构层，从而降低整体层间高度。

系统类型 6：大规模木结构

• 跨度范围：CLT 楼板 5-8m；胶合木梁 8-15m；木桁架 12-30m
• 高度限制：最高 18 层（现行规范；采用工程化方案时可建得更高——挪威 Mjosternet 为 18 层/85.4m）
• 典型构件尺寸：CLT 板厚 100-300mm；胶合木梁尺寸为 200x400mm 至 300x900mm；LVL 梁尺寸范围类似
• 成本范围：160-300 $/m²（仅结构——价格高于混凝土，但正在下降）
• 施工速度：非常快——每层 3-5 天。预制、干式施工，可减少现场用工。比 RC 快 30-50%。
• 耐火等级策略：炭化速率法——木材炭化速率为 0.65mm/min（软木），通过牺牲木层实现防火。采用加大截面可轻松达到 60-90 min。采用包覆可达到 120 min。超过 4 层通常需要安装自动喷水灭火系统。
• 隐含碳排放：80-180 kgCO2e/m²，显著低于混凝土或钢材。生物源碳封存有望使其实现负碳排放。
• 最适用的建筑类型：住宅（中高层）、办公楼、学校、文化建筑，以及重视亲生物设计的康养/医疗建筑
• 代表性建筑：
  • Mjosternet，挪威布鲁蒙达尔（2019）——18 层，85.4m，世界最高木结构建筑
  • Dalston Works，伦敦（2017）——10 层 CLT 住宅楼，121 套住宅
  • Sara Kulturhus，瑞典谢莱夫特奥（2021）——20 层，大规模木结构混合建筑

主要建筑设计影响：外露时呈现温暖、亲生物的美感。声学隔离需要精细设计（弹性层、CLT 上的混凝土面层）。施工期间的湿度管理至关重要。节点设计是主要挑战——钢支架、自攻螺钉、销钉连接。木材会发生变形（收缩、徐变），与其他材料连接时需考虑差异变形。

系统类型 7：混合结构

• 木材-混凝土组合结构（TCC）：CLT 或胶合木上覆混凝土层——改善隔声性能，增加热质量，提高刚度。跨度为 6-10m。常用于住宅建筑。
• 钢-木结构：钢制主框架搭配 CLT 楼板——结合钢材的大跨度优势与木材的可持续性。跨度为 8-16m。
• 混凝土核心筒 + 木框架：混凝土核心筒提供抗侧力稳定性，木结构承担重力荷载——常用于高层木建筑。
• 成本范围：150-280 $/m²，视组合方式而定
• 隐含碳排放：120-250 kgCO2e/m²——介于纯木结构与纯混凝土结构之间
• 代表性建筑：
  • 布里斯班 25 King（2018）——木材-混凝土组合结构，10 层
  • 温哥华 Brock Commons（2017）——混凝土核心筒 + CLT 楼板 + 胶合木柱，18 层
  • 多伦多 80 Atlantic Avenue（2022）——钢-木混合办公楼

系统类型 8：预制混凝土

• 跨度范围：空心楼板 6-16m；双 T 板 12-24m；预制梁 8-18m
• 高度限制：最高可达 30 多层（需配合现浇核心筒或剪力墙提供稳定性）
• 典型构件尺寸：空心楼板深 150-400mm、宽 1200mm；双 T 板深 400-800mm、宽 2400mm；柱为 300x300 至 600x600mm
• 成本范围：130-230 $/m²（仅结构部分）
• 施工速度：非常快——工厂质量控制，现场湿作业极少。每层需 3-5 天。
• 耐火等级策略：材料本身具备耐火性，与现浇钢筋混凝土类似。150mm 空心楼板可达到 60 分钟耐火时限；200mm 可达到 90 分钟；250mm 及以上可达到 120 分钟。
• 隐含碳排放：230-370 kgCO2e/m²——与现浇钢筋混凝土类似，但废料更少
• 最适用的建筑类型：停车场、零售建筑、仓库、学生宿舍、监狱、重复性住宅建筑
• 代表性建筑：
  • 伦敦 Welbeck Street 停车场（1970）——预制混凝土斜交网格立面/结构
  • 鹿特丹 De Rotterdam（2013）——预制混凝土框架，高 150m，混合用途面积 162,000m²
  • 蒙特利尔 Habitat 67（1967）——预制混凝土模块，共 354 个单元

主要建筑设计影响：需要尽早协调——预制构件在安装前数周就已制造完成。现场修改难度大且成本高。接缝和连接节点需要仔细进行建筑细部设计。网格和构件尺寸的标准化对于经济性至关重要。可实现优异的表面效果（清水面、抛光、纹理处理、有色骨料）。

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第 2 节：结构网格设计

结构网格是所有建筑决策所依托的骨架。网格尺寸决定柱位、立面韵律、停车效率、设备管线走向和空间品质。在概念阶段确定合理的网格，可避免后期代价高昂的重新设计。

按建筑类型划分的柱网间距

建筑类型	典型柱网（m）	备注
住宅（公寓）	5.0-8.0 x 5.0-8.0	以 5.0-7.5m 间距设置分户横墙；6.0m 可满足两居室公寓的宽度要求
住宅（酒店）	3.6-4.2 x 7.5-9.0	房间宽度为 3.6-4.2m；房间进深为 7.5-9.0m，包含卫生间
办公楼（投机开发）	7.5-10.8 x 7.5-10.8	9.0m 是英国标准；高端 A 级办公楼采用 10.8m
办公楼（业主自用）	6.0-9.0 x 6.0-12.0	柱网灵活性更高；可接受转换结构
零售（购物中心）	8.0-12.0 x 8.0-12.0	优先采用无柱零售单元；8.1m 适合标准店面
零售（超市）	10.0-16.0 x 10.0-16.0	采用大跨度以满足货架布置和灵活性需求
停车场（地上）	8.1 x 5.4（单车位）	2 辆车 + 车道 = 5.0m 车位 + 6.0m 车道 + 5.0m 车位 = 16.0m 双车位跨度
停车场（地下）	7.5-8.1 x 15.4-16.2	16.2m 双车位跨度是后张法停车场的标准跨度
医院	7.2-8.4 x 7.2-8.4	适用于临床房间模数；7.2m = 2x3.6m 临床区段
学校（教室）	7.5-9.0 x 7.5-9.0	8.1m x 8.1m 适用于 60m² 教室
仓库/物流	12.0-24.0 x 12.0-24.0	采用大跨度门式刚架或桁架；24m 净跨度是标准跨度
实验室	6.6-7.5 x 9.0-10.8	模数由 3.3m 工作台间距决定（2 x 3.3m = 6.6m）

无柱跨度要求

用途	最小净跨度
羽毛球场	6.1 x 13.4m
篮球场	15.2 x 28.6m
游泳池（25m）	最小 25.0 x 16.0m
游泳池（50m）	最小 50.0 x 25.0m
剧院观众厅	15-30m，视座位容量而定
音乐厅	25-50m
展览厅	30-100m+
机场航站楼	30-70m（值机大厅）

柱网与立面模数的协调

结构柱网应与立面模数协调，以避免出现不协调的连接节点：

• 幕墙：典型竖梃间距为 1.2m、1.5m 或 1.8m。9.0m 的结构柱网可划分为 6 个 1.5m 或 5 个 1.8m 的立面分格。
• 预制混凝土挂板：板宽通常为 1.5-3.6m。柱网必须适配板块模数。
• 砌体立面：砖模数为 225mm（英国）或 200mm（模数制）。柱网尺寸应为砖模数的整数倍。
• 单元式幕墙：板块宽度为 1.2-1.8m。结构柱网应为板块宽度的整数倍。

裙房与塔楼的过渡

塔楼建于裙房之上时（混合用途项目中很常见：零售/停车裙房 + 住宅/办公塔楼），两者的柱网很少对齐：

• 转换结构：采用转换梁（深 1.0-2.5m）或转换板（厚 600-1200mm）来转移荷载。成本高且碳排放密集。
• 错位柱：使用倾斜构件使柱向内错移。需要仔细进行节点设计。
• 对齐柱网：最佳方案 — 设计塔楼柱网，使其与裙房柱网协调。典型做法：裙房采用 8.1m 柱网（停车场），塔楼柱位于每隔一根或两根裙房柱的位置。
• 巨型柱：通过大截面柱或墙将塔楼荷载直接传递穿过裙房，不受裙房柱网限制。

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第 3 节：抗侧力体系

每栋建筑都必须抵抗侧向荷载（风荷载、地震荷载、名义水平荷载）。抗侧力体系会深刻影响建筑规划 — 它决定了实墙必须设置的位置、支撑结构的显露位置，以及立面可以采用的表达形式。

剪力墙（混凝土或砌体）

• 原理：作为竖向悬臂、固定于基础的平面墙体
• 最小厚度：150mm（混凝土，最多 10 层）；200-300mm（更高建筑）；215mm（砌体）
• 规划影响：墙体必须从屋顶连续延伸至基础。不得拆除或移位。必须沿两个正交方向布置。
• 适用高度：最多 30 层（混凝土）；最多 10 层（砌体）
• 优点：防火分隔效果出色、隔音、无外露支撑
• 布置策略：布置在核心筒（电梯、楼梯）周围、分户墙、山墙端部及走廊两侧墙体处
• 剪力墙最小配置量：对于最多 20 层的建筑，平面布置中约占楼面面积的 3-5%

支撑框架

• 类型：X 形支撑、V 形支撑（人字形）、倒 V 形支撑、K 形支撑（应避免——存在连续倒塌风险）、偏心支撑
• 构件尺寸：通常为 150x150mm 至 300x300mm 空心型钢（钢）；或 200x200mm 至 400x400mm 木材
• 规划影响：支撑跨内的支撑构件会限制通行。必须在概念设计阶段解决。
• 适用高度：最多 20 层（同心支撑）；最多 40 层（带延性连梁的偏心支撑）
• 优点：效率高、重量轻，外露支撑可呈现鲜明的建筑效果
• 缺点：会阻挡支撑跨内的开口；需要基础固结

刚接框架

• 原理：梁柱之间的刚性连接通过弯曲抵抗侧向荷载
• 构件尺寸：柱比仅考虑重力荷载的设计大 50-100%；连接处的梁更深
• 规划影响：无需支撑或剪力墙——空间布置自由度最大
• 适用高度：最多 25 层（钢）；超过此高度后效率较低
• 优点：布置完全灵活；可采用通透立面
• 缺点：成本最高的抗侧力系统；钢材用量显著增加（比支撑框架多 30-50%）；构件尺寸更大；连接更复杂
• 侧移控制：控制设计准则通常是层间侧移（典型值为 H/500），而非强度

核心筒结构

• 原理：混凝土核心筒（包含电梯、楼梯、立管）作为主要抗侧力构件
• 规划影响：核心筒是平面布置的锚点。核心筒位置会影响结构效率、可出租面积和疏散距离。
• 中央核心筒：抗侧向荷载的结构效率最高；是商业办公塔楼的标准做法。可最大限度利用周边空间。
• 侧置／端部核心筒：常见于住宅塔楼；可实现无柱大跨度楼面。抗侧力效率较低，可能需要增设辅助墙体。
• 双核心筒：用于进深较大的建筑；两个核心筒由楼面水平隔板连接。
• 适用高度：仅靠核心筒可达 40-50 层；搭配伸臂桁架可建得更高
• 核心筒尺寸：对于超过 20 层的建筑，通常占标准层面积的 15-25%

伸臂桁架系统

• 原理：深梁或桁架将核心筒与周边柱连接，使整个建筑宽度参与抗侧力。可大幅降低核心筒弯矩和屋顶挠度。
• 伸臂桁架高度：通常为 1-2 层（机械设备层是理想位置）
• 适用高度：40-80 层
• 规划影响：伸臂桁架所在楼层不能用于常规用途——应专门用于机械设备。
• 效率：在 2/3 高度处设置单道伸臂桁架可使侧移降低约 50%；设置两道伸臂桁架（分别位于 1/3 和 2/3 高度处）可使侧移降低约 65%
• 典范案例：台北 101、One World Trade Center、上海中心大厦

筒体结构

• 框架筒体：间距较小的周边柱（中心距 2-4m）与深窗间梁共同形成筒体。适用于 40-80 层建筑。
• 束筒结构：多个筒体组合在一起（Sears/Willis Tower）。适用于 80-110 层建筑。
• 支撑筒体：在建筑周边设置斜向支撑（John Hancock Center、30 St Mary Axe）。适用于 40-100 层建筑。
• 斜交网格结构：三角形周边结构——立面上没有竖向柱。效率很高。适用于 30-70 层建筑。
• 对规划的影响：周边柱/斜杆具有鲜明的建筑表现力，但会限制视野和立面开口。入口处通常需要在首层进行柱转换。

巨型框架／带桁架

• 原理：在角部设置巨型柱，并以一定间隔通过带桁架连接。内部结构采用轻型、仅承受重力荷载的框架。
• 适用高度：60-120+ 层
• 典型案例：香港汇丰大厦（巨型框架）、伦敦 Leadenhall Building（巨型框架）
• 对规划的影响：巨型柱体量很大（尺寸为 1.5-3.0m）——从规划第一天起就应将其纳入设计

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第 4 节：基础类型

基础的选择取决于土壤条件、结构荷载、沉降容许度、地下水位和场地出入限制。建筑师必须了解基础类型，以评估地下室的可行性、协调地下结构，并了解其对项目进度的影响。

条形基础

• 描述：承重墙下方连续设置的混凝土条带
• 典型尺寸：宽 450-900mm x 深 200-450mm（无筋）；采用钢筋时尺寸更大或更深
• 适用对象：低层承重砌体建筑、轻型框架结构
• 土壤要求：浅层有坚实土层（通常位于地面以下 <1.5m）
• 采用的承载力：50-200 kPa

独立基础

• 描述：每根柱下方设置单独的混凝土基础
• 典型尺寸：平面尺寸从 1.0x1.0m 到 3.5x3.5m；深 500-1500mm
• 适用对象：建于坚实地基上的框架结构（钢、混凝土、木材）
• 土壤要求：浅层有坚实至硬塑土层
• 采用的承载力：100-600 kPa

筏板／板式基础

• 描述：在整个建筑占地范围下方设置连续的钢筋混凝土板
• 典型厚度：300-600mm（轻型建筑）；600-1500mm（重型建筑／塔楼）
• 适用对象：土质不均或软弱、地下水位高，或需要进行地下室防水的建筑
• 优点：将荷载分散到大面积上；可作为地下室底板；减少不均匀沉降
• 土壤要求：可用于相对软弱的土壤（50-150 kPa）

桩基础

当地表土层无法承受建筑荷载时，桩会将荷载传递到更深处的坚实土层。

• 钻孔桩（CFA — 连续螺旋钻）：直径 300-1200mm，深度可达 30m。振动小、噪声低。适用于城市场地。典型承载力：每根桩 500-5000 kN。
• 钻孔桩（旋转钻进）：直径 600-2400mm，深度可达 60m 以上。适用于重型荷载。承载力：每根桩 2000-30000 kN。
• 打入桩（预制混凝土桩）：截面 250-450mm 的方桩，深度可达 30m。振动大——在城市场地中使用受限。承载力：每根桩 500-3000 kN。
• 打入桩（钢 H 型桩）：尺寸 200-350mm，深度可达 40m。可穿透障碍物。承载力：每根桩 500-4000 kN。
• 螺旋桩：直径 200-800mm，安装快捷，可拆除。适用于临时结构或轻型永久荷载。承载力：100-1500 kN。

各类土壤的典型承载压力

土壤／岩石类型	假定承载力（kPa）
坚硬火成岩／变质岩	10,000+
坚硬石灰岩／砂岩	2,000-10,000
软岩（白垩、泥岩）	500-2,000
密实砾石／密实砂土	300-600
中密砂土	100-300
松散砂土	50-100（不建议采用）
硬塑黏土（不排水抗剪强度 >150 kPa）	150-300
可塑黏土（Su 75-150 kPa）	75-150
软塑黏土（Su <75 kPa）	50-100（沉降控制关键）
流塑黏土／泥炭	不适用于浅基础

地下水与地下室设计

• 地下水位高于地下室底板：需要采用箱式防水施工（A 型防水——防水膜）、结构自防水混凝土（B 型——BS 8102）或排水空腔（C 型）。
• 抗浮能力：地下水位较高时，基础必须抵抗静水浮力。位于地下水位以下 3m 的地下室会产生 30 kPa 的浮压力。
• 地下室典型造价：800-1500 $/m²（单层）；1000-2000 $/m²（多层）——远高于上部结构。

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第 5 节：跨度与高度比

这些经验法则可帮助建筑师在概念阶段估算结构高度，从而在详细工程设计前确定层高。

混凝土构件

构件	跨度／高度比	示例：跨度 8m
单向 RC 板（简支）	L/28	286mm
单向 RC 板（连续）	L/32	250mm
双向 RC 板（简支）	L/33	242mm
双向 RC 板（连续）	L/40	200mm
后张法无梁楼板	L/40 to L/48	167-200mm
RC 梁（简支）	L/12	667mm
RC 梁（连续）	L/18	444mm
后张法梁	L/18 to L/24	333-444mm
RC 柱（高度／最小截面尺寸）	H/15 to H/8	—

钢构件

构件	跨度／高度比	示例：跨度 12m
钢梁（UB，简支）	L/20	600mm
钢梁（连续）	L/24	500mm
蜂窝梁	L/18 to L/22	545-667mm
开孔梁	L/20 to L/25	480-600mm
钢桁架（平行弦）	L/10 to L/15	800-1200mm
钢桁架（坡顶）	L/8 to L/12	1000-1500mm
钢板梁	L/12 to L/15	800-1000mm

木构件

构件	跨度／高度比	示例：跨度 7m
胶合木梁（简支）	L/15 to L/20	350-467mm
胶合木梁（连续）	L/18 to L/24	292-389mm
CLT 楼板	L/25 to L/30	233-280mm
LVL 梁	L/16 to L/22	318-438mm
木工字梁	L/15 to L/20	350-467mm
木桁架（坡屋顶）	L/8 to L/12	583-875mm

预制混凝土构件

构件	跨度／高度比	示例：跨度 10m
空心板（150mm）	L/30 to L/35	286-333mm
空心板（250-400mm）	L/35 to L/40	250-286mm
预制双 T 板	L/20 to L/25	400-500mm
预制梁（矩形）	L/12 to L/16	625-833mm
预制梁（L 形／倒 T 形）	L/14 to L/18	556-714mm

跨度与深度比的应用

估算层高的步骤：

1. 根据轴网确定结构跨度
2. 选择构件类型（楼板、梁等）
3. 使用 L/比值计算结构深度
4. 为管线设备预留吊顶空腔：150-400mm（住宅）、400-800mm（办公室）、600-1200mm（医院）
5. 增加地面饰面厚度：50-150mm（架空地板）或 20-50mm（水泥砂浆找平层/地毯）
6. 增加吊顶饰面厚度：15-25mm
7. 求和 = 楼层构造区
8. 增加净室内高度：2400-2700mm（住宅）、2700-3000mm（办公室）、2700-3600mm（零售）
9. 总计 = 层高

示例 1 — 9m 跨度的办公楼，采用组合钢梁：

• 结构深度：9000/20 = 450mm 梁（加上 150mm 组合楼承板 = 共 600mm）
• 吊顶空腔：200mm（管线穿过梁腹板开孔，梁下另留空间）
• 架空地板：150mm
• 吊顶板：15mm
• 净高：2750mm
• 层高：600 + 200 + 150 + 15 + 2750 = 3715mm → 取整为 3750mm 或 4000mm

示例 2 — 6m 跨度的住宅，采用 RC 无梁楼板：

• 结构深度：6000/28 = 214mm → 采用 225mm 无梁楼板
• 吊顶空腔：200mm（管道、喷淋、布线）
• 地面饰面（水泥砂浆找平层 + 地毯）：75mm
• 吊顶饰面：15mm
• 净高：2500mm
• 层高：225 + 200 + 75 + 15 + 2500 = 3015mm → 取整为 3100mm

示例 3 — 7.5m 跨度的医院，采用 RC 梁板结构：

• 结构深度：200mm 楼板 + 600mm 梁 = 600mm（梁控制结构区）
• 吊顶空腔：800mm（大量管线设备——暖通空调、医用气体、数据线、喷淋）
• 地面饰面（找平层上铺乙烯基地板）：75mm
• 吊顶板：15mm
• 净高：2700mm
• 层高：600 + 800 + 75 + 15 + 2700 = 4190mm → 取整为 4200mm 或 4500mm

示例 4 — 16.2m 跨度的停车场，采用 PT 无梁楼板：

• 结构深度：16200/40 = 405mm → 采用 400mm PT 楼板
• 楼板下方设备空间：150mm（仅喷淋、照明和排水）
• 无地面饰面；无吊顶饰面
• 最低净高：2400mm（根据 BS 8110，障碍物处为 2100mm）
• 层高：400 + 150 + 2400 = 2950mm → 取整为 3000mm

结构体系对比矩阵

指标	砌体结构	RC 框架	PT 混凝土	钢框架	组合结构	大体量木结构	预制结构
经济跨度上限	7m	12m	16m	20m	18m	15m（胶合木）	16m（空心板）
高度上限	6 层	无限制	无限制	无限制	无限制	18 层	30 层
层高（9m 跨度办公楼）	不适用	3.6-4.0m	3.4-3.8m	3.7-4.0m	3.5-3.8m	3.5-3.9m	3.5-3.8m
隐含碳排放	低-中	高	中	中	中-高	很低	中
施工速度	慢	中	中-快	很快	很快	很快	很快
规划灵活性	低	高	高	很高	很高	中	低
隔音性能	良好	良好	良好	差（需要处理）	一般	差（需要处理）	良好
耐火性能	固有	固有	固有	需要防护	部分具备	炭化 + 包覆	固有
现场湿作业	多	多	多	少	中	很少	少
质量控制	不稳定	不稳定	良好	良好	良好	优秀（工厂制造）	优秀（工厂制造）

振动注意事项

轻质楼板结构（钢结构、木结构）容易受到人体活动（脚步）的振动影响：

• 混凝土板（>250mm）：固有频率通常 >8 Hz，适用于所有用途
• 组合钢承板（130-170mm）：跨度 >7.5m 时需要进行检查。固有频率目标：办公室 >4 Hz，医院手术室 >8 Hz
• CLT 楼板：跨度超过 5m 时容易受到振动影响。增加混凝土叠合层（50-80mm）以提高质量和阻尼。住宅目标：>8 Hz
• 后张楼板：由于刚度重量比高，通常能满足要求
• 大跨度钢梁（>12m）：通常需要进行振动分析。补救措施：提高梁的刚度、增加混凝土叠合层质量、调谐阻尼器（TMD）

需要特别关注振动的用途：

• 医院手术室和影像检查室（VC-A 至 VC-D 标准）
• 实验室精密设备（VC-A 至 VC-E）
• 录音棚和音乐厅
• 20 层以上的高层住宅（风致摇摆）

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第 6 节：荷载传递路径说明

重力荷载传递路径

荷载沿结构连续向下传递：

1. 施加的荷载（人员、家具、设备、积雪）作用于楼面面层
2. 楼面面层将荷载传递至楼板／承板（单向或双向跨度）
3. 楼板将荷载传递至梁（如有），或直接传递至柱／墙（无梁楼板）
4. 梁将荷载传递至柱或承重墙
5. 柱／墙将荷载逐层传递至基础
6. 基础将荷载传递至地基

关键规则：传递链中的每个构件都必须有足够的强度，且传递路径必须连续。5 楼的柱下方必须有 4 楼的柱，或设置转换结构。

侧向荷载传递路径

风力和地震力沿水平方向传递：

1. 风压作用于立面／围护层
2. 立面将荷载传递至各层的楼板（作为水平隔板）
3. 楼板隔板通过面内剪切将荷载传递至抗侧力构件（核心筒、剪力墙、支撑框架、抗弯框架）
4. 抗侧力构件将荷载竖向传递至基础
5. 基础将倾覆力矩和基底剪力传递至地基

关键规则：楼板隔板必须连续，并与抗侧力构件连接。楼板上的大型开口（中庭、楼梯）会削弱隔板作用，因此必须在开口周边设置加固和集力梁。

常见的导致结构问题的建筑设计决策

1. 拆除某一层的柱——会形成转换梁，增加成本和结构高度，并影响下方楼层
2. 贯穿多层的大型中庭空间——会中断隔板作用；需要设置边梁和辅助支撑
3. 悬挑楼板——需要后跨锚固和更重的结构；悬挑端的挠度至关重要
4. 上部楼层退台——会改变侧向力传递路径；柱必须进行转换，从而增加转换结构
5. 裙房与塔楼核心筒错位——会产生扭转效应并导致转换结构复杂
6. 四面敞开的首层（架空层）——地震区存在软弱层风险；需要仔细进行抗侧力设计
7. 弧形或不规则楼板平面——会使隔板作用更复杂；可能需要加厚楼板或增设梁
8. 后期更改预留孔洞的位置——对后张楼板的影响尤其严重，因为不能切断预应力筋
9. 竖向混用结构体系——不同体系之间的刚度和变形差异需要仔细处理
10. 忽略施工顺序——支撑、临时稳定和浇筑顺序都会影响最终应力

渐进式倒塌与鲁棒性

建筑结构必须经过设计，以避免比例失衡的倒塌——即一个构件的局部失效不会蔓延，导致结构的大部分坍塌。这是规范要求（Eurocode 1991-1-7、ASCE 7、Approved Document A）。

鲁棒性设计策略：

• 规范性拉结：采用连续钢筋或钢拉杆，在水平和竖向连接所有构件。楼板与梁拉结；梁与柱拉结；柱与上下楼层拉结。
• 替代传力路径法：移除一根柱后，结构必须将荷载重新分配给相邻构件，且不发生倒塌。这需要具备延性的连接和冗余度。
• 关键构件设计：关键构件（转换柱、单独支撑构件）应按 34 kN/m² 的偶然荷载（Eurocode）进行设计，该荷载作用于构件及其所连接的结构。
• 分区：将结构划分为若干部分，使一个部分的倒塌不会蔓延至相邻部分。可采用伸缩缝或结构分隔区。

对建筑设计的影响：避免大面积区域仅由单根柱支撑。确保每个受支撑区域至少有两条传力路径。转换结构按定义属于关键构件，必须按更高的鲁棒性要求进行设计。

变形缝

建筑会随温度变化而膨胀和收缩。混凝土会在固化过程中收缩。大面积建筑也会发生不均匀沉降。变形缝用于适应这些变形。

• 钢筋混凝土结构中的伸缩缝：每隔 50-60m 设置一道（暴露环境中的结构间距应更小）。缝宽：25-50mm。
• 钢结构中的伸缩缝：每隔 80-100m 设置一道。钢材的热容量较低，但膨胀系数较高。
• 沉降缝：用于荷载或地基条件明显不同的建筑部分交界处（例如塔楼与裙房交接处）。
• 抗震缝：在地震区，高度或刚度不同的建筑部分必须用抗震缝隔开，缝宽应足以防止碰撞（通常根据建筑高度和层间位移确定，为 50-200mm）。
• 缝隙盖板：楼面、墙面、天花板和屋面均需设置建筑缝隙盖板。在防火分区边界处，应采用防火等级合格的接缝密封材料。

建筑师的协调职责

• 概念阶段：在结构工程师的参与下确定轴网、层高、抗侧力体系位置和地下室范围
• 方案设计：确定柱位、核心筒几何形状和转换位置。结构工程师提供初步构件尺寸。
• 详细设计：协调洞口、固定件、变形缝和幕墙连接。结构工程师完成详细计算和图纸。
• 施工阶段：审核加工图，参加关键浇筑和安装的现场工作，并核实竣工实况

前期协调清单

• 结构轴网已确定，并与停车、立面和规划模数协调
• 层高已确认（包括设备层空间）
• 抗侧稳定体系已确定，核心筒／墙体位置已固定
• 已根据地质勘察选择基础类型
• 已识别并尽量减少转换结构
• 已确定洞口区域（尤其是后张法楼板）
• 已确定变形缝位置（钢筋混凝土结构每隔 50-60m，钢结构每隔 80-100m）
• 已了解结构方案对施工进度的影响
• 防火策略已与结构体系协调一致
• 已制定隐含碳预算，并据此选择结构体系