浅谈结构概念设计的重要性（荷载篇）

一、荷载

工业、民用建筑荷载不仅是建筑结构设计的主要技术参数，而且是房屋与构造物设计的基本依据。由于房屋和构造物所处自然环境的差异、使用性质和使用要求的不同以及各部分构件在整个建筑物中所起的作用与所处的地位的不同，作用于其上的荷载多种多样，有的是经常作用的、有的是偶然作用的；有的可以控制，有的则难以控制；有的固定，有的则是变动的；有的可以直接测量或测定。有的则需要经过长期观察研究，才能找出其变化规律。荷载取值的大小直接决定了结构形式及材料的选用，取值太小则结构不安全，荷载取值过大则设计保守。正如许多学者及设计优化工程师所指出的目前建筑结构设计中产生浪费的主要原因之一，就是对实际作用在建筑物的荷载缺乏具体研究。在设计中往往以臆断的方式来规定额外的附加荷载，使其设计的结构过于笨重，“肥梁胖柱”经常出现，从而引起建设资金的无谓增加。因此我们要做的是应该“卸力”，应该“瘦身”。下面笔者结合优化咨询过的项目来说说荷载取值的重要性。

1.1楼面荷载取值 

例如在咨询浙江某工厂厂房时，工艺人员提交了楼面荷载为20KN/m2，但是分析了厂房的实际工作条件之后，该荷载可降低到5KN/m2，因而节省了约几百吨钢筋和几千立方混凝土。

还有，我们咨询优化过湖南某项目的大地下室，由于建筑未明确消防车道的具体位置，结构设计师就将整个顶板均按消防车荷载28KN/m2考虑：

经过仔细研究，优化后大部分顶板荷载可取5KN/m2，这相对于28KN/m2来说减小了将近6倍的荷载。因此，近1.2万平方米的地下室可节省近1000万的造价。

还有在许多工程中，荷载取值计算出来有小数，很多结构工程设计师往往不拘小节取整。比如计算出来为0.8kN/m2，就直接取为1.0kN/m2，其实kN这个重量单位很大，而且大多数设计师对这个单位缺乏直观感受，如果换算成kg的话，可就是10倍的关系，所以说结构设计师不要随意进行四舍五入，尤其是小数点后第一位数字一定要保留。

1.2等效荷载

关于荷载比较重要的一点，那就是荷载的等效。要理解荷载的等效一定要知道等效和均布的不可分割性，等效一定是等效成均布的活荷载。例如消防车荷载的等效均布活荷载，按《建筑结构荷载规范》GB5009附录B取值，也只能用于简支楼板的跨中弯矩计算，将其应用于楼板的所有效应计算，则属于结构设计中的简化和估算，而将楼板的等效均布活荷载应用于梁、柱等各类支承构件的所有效应计算，则是一种更大程度的近似，因此对消防车等效均布活荷载的取值应以概念设计为主。

还有，如何确定工业建筑楼面活荷载是一个非常重要的问题，既要充分掌握工艺，又要充分了解建筑结构。一般情况下是不容易办到的。因工艺机电设计人员对建筑布局比较生疏，建筑结构设计人员对工艺亦不容易做到很精通。通常工业建筑楼面活荷载都是由工艺机电设计人员提出荷载值，或提供有关资料与数据，经等效推算之后确定荷载取值，以作为设计的依据。不同设计院或者同一设计院不同设计师，或者同一设计师在不同年龄阶段可能给出不同的数值。因此提高设计人员的专业素养是非常重要的问题。工业建筑楼面荷载的确定比较复杂，如果我们认真对待，尽可能做些调查研究，问题不是难解决的。《建筑结构荷载规范》建议采用等效荷载的方法确定工业建筑楼面活荷载，其方法是按弯矩相等的方法等效。若按剪力相等的原则得出的是两个完全不同等效荷载。其实这个等效也是“近似”的方法，不可能100%准确。所以也不要太过分追求等效荷载的精确度，这个概念必须清楚。

1.3分项系数

   我们知道，我国目前是采用概率理论为基础的极限状态设计法。但是全概率的方法是难以落到实处的。一是荷载和抗力等原始资料积累的不易。二是极限状态的非线性以及概率运算本身的复杂性。因此，在概率理论的指导下进行了简化。如果说在20世纪70年代结构设计采用单一的安全系数的话，则现在可以称为分项安全系数法。从分项安全系数的概念理解分项系数的话就会变的非常简单：离散性大的，不确定性的，采用的安全系数就大；活荷载比恒荷载变异性大，分项系数就大。对抗力的分项系数；对钢材的变异性小，所以可以取得较小。对于Q235钢材rR=1.087。对钢材Q345和Q420：rR=1.1，对混凝土rR=1.4。

    地下水压力的荷载分项系数。当地下水位变化剧烈时，可按可变荷载效应取1.4（即将实行的新规范要求为1.5），否则可按永久荷载考虑取1.2（即将实行的新规范要求为1.3）（永久荷载效应控制的组合取1.35）。地下水头乘以荷载分项系数后不应超过地下室埋深（当抗浮设计水位标高高于室外地面时，不应超过抗浮设计水位）。地下水对地下室的荷载和其他荷载是完全不同的，地下水头乘以荷载分项系数后不应超过室外地面高度（当抗浮设计水位高于室外地面时，不应超过抗浮设计水位）。

例如：刚刚优化过的杭州某三层地下室底板底标高为-15.00m，抗浮水位按室外以下0.5m考虑，室外为-0.3m。则

水压力设计值：（15-0.8）x1.2x10=14.2x1.2x10=170.4（水压力按恒载考虑），其实水的容重为9.8，只是方便计算大家习惯用10。

按不超过抗浮水位的话，底板低水压力设计值为(15-0.3)x10=147

（170.4-147）/170.4=13.7%

由于荷载基数大，每个平方多计算了2.3t的水浮力，给结构抗浮设计带来了很大的困难，对造价影响很大，近1.5万平方的地下室，可节省750万元造价。

1.4荷载折减

我们都知道，作用在楼面上的活荷载，不可能以标准值的大小同时布满在所有的楼面上。因此在设计梁、墙、柱和基础时，结构设计师要考虑实际荷载沿楼面分布的变异情况，即在确定梁、墙、柱和基础的荷载标准值时，可按楼面活荷载标准值乘以折减系数。而且《建筑结构荷载规范》中已把设计楼面梁、墙、柱及基础时的楼面均布活荷载的折减系数列入了强制性条文，作为结构设计师必须注意。

【例】下面是我司优化咨询过的某个电镀车间厂房，设计师在计算梁、板、柱及基础时，全楼层荷载均按12KN/m2（见图一）

计算板可取12KN/m2,计算次梁可取9KN/m2,计算主梁、柱、桩基础可取8KN/m2（见图二）,通过此项优化可节省近6000t钢筋和近5000m3混凝土，经济效益非常可观。所以说不能为了设计方便，而造成不必要的浪费，完全可以按照《建筑结构荷载规范》GB50009-2012附录D这样精细化去取值。

1.5荷载组合

荷载组合是荷载效应组合的简称。结构的效应和效应组合要把握“两个极限状态”即承载能力极限状态和正常使用极限状态，还要注意区分“两个设计状况”即持久、短暂设计状况和抗震设计状况。承载能力极限状态应采用的是基本组合或偶然组合，正常使用极限状态应采用标准组合、频遇组合或准永久组合。如今我们都是按结构设计软件（PKPM及YJK等）默认的组合计算完成，当碰到复杂的工程时，结构设计人员需要根据工程的特点去准确把握承载力极限状态和正常使用极限状态的要求，调整补充相关组合。

例如一般工程中，消防车荷载、地震作用和人防荷载都属于偶然荷载，同时出现的概率非常小，可不考虑相互间的效应组合，也可不考虑其与温度作用的组合。

【例】下图是我司咨询过的某个调节处理池。因为调节水池与普通地下室性质不同（普通地下室内不能进水）。抗浮设计起控制作用的组合是地下室外水位达到抗浮设防水位池内此时无水情況（一般此情况为清洗、检修地下水池以及施工时）。其实这几种情况同时出现的概率非常之少，可以基本上认为不可能，若是暴雨季节水池在维修而没有水时，可以立即注水。

因此，荷载取值的是否合理是影响房屋结构安全和建筑结构造价的关键。要想成为一名优秀的结构设计师，就必须理解掌握荷载的基本概念。