结构工程

作者:Jon A. Schmidt, p.e., SECB
Burns & McDonnell全国结构工程师协会理事会

更新:
11-03-2016

介绍

建筑物的每个部分都受到外界力量的影响——重力、风、地震和温度变化,等等。纵观历史,人们在很长一段时间内建造了能够承受这些力量的建筑物,主要是利用从他们自己的经验和前人的经验中得来的经验法则。近几个世纪以来,科学和工业革命引入了分析方法,使设计师能够超越经验的限制,预测只存在于他们想象中的建筑系统和组件的行为。这引起了现代工程专业的正规化和专业化,这反过来又导致了更精确和更具成本效益的设计。今天,负责确保建筑物在执行其预定功能时保持站立的个人是结构工程师。

描述

安装期间的钢结构框架

安装期间的钢结构框架图片来源:Burns & McDonnell

美国结构工程师协会将结构工程师定义为:“具有与分析和设计建筑物和其他结构的抗力系统相关的科学和数学方面的专业知识、培训和经验的工程师。”结构工程师通常在建筑项目中有两个角色之一,由CASE确定:

  • 注册结构工程师(SER)执行或监督建筑结构的分析、设计和文件准备,并具有承载结构系统要求的知识。SER负责主要结构系统的设计,这是“支撑建筑自重的元素的完整组合,基于空间占用和使用的适用活荷载,以及风、地震和热等环境荷载。”
  • 专业结构工程师(SSE)“履行完成该结构所必需的结构工程职能,并在特定专业方面具有经验和/或培训。”SSE“通常由负责设计、制造和(有时)工程元件安装的供应商或分包商保留,或由负责建筑相关服务的总承包商或分包商保留。”这种元素的常见例子是预制或倾斜混凝土,开腹板钢搁栅,预先设计的冷弯钢或木桁架,以及金属建筑系统。

每个项目都应该有一个指定的SER,他为项目建立结构设计标准和概念,但可以通过在施工文件(图纸和规范)上传达这一信息和其他要求,将某些部分的详细设计委托给SER。在这种情况下,工程工程师会自行为委托的工程编制计算和施工文件,并提交工程工程师,由工程工程师核实计算和施工文件是否符合指定的要求,并与整个工程项目一致。如果没有SER,就很难确保由多个se执行的设计工作得到充分的协调。当不同的分包商提供他们自己的设计服务,但没有SER来审查他们产生的文件并使它们彼此协调时,这个问题经常出现在设计-建造的情况中。

SER和sse之间典型关系的组织图

SER和sse之间的典型关系。

在建筑、机械和电气系统的概念最终确定之前,SER应尽早参与项目,这一点很重要。SER可以为这些决策提供有价值的投入,解决以下因素:

  • 建筑类型-结构系统(框架、承重墙等)的选择取决于建筑的功能和尺寸,受建筑规范和任何分区限制的限制,以及每种材料(钢筋混凝土、预制混凝土、钢筋砌体、结构钢、冷弯型钢、木材等)的当地可用性和相对成本。
  • 列的位置-统一的网格便于重复构件尺寸,降低成本,提高施工速度。隔间的尺寸也可以进行优化,以最大限度地减少材料数量,同时有效地适应特定的空间要求,如停车场和分区布局。
  • 支撑或剪力墙位置-由风、地震等引起的水平力必须从上层建筑传递到基础。实现这一目标最有效的方法通常是在每个主要方向上提供垂直支撑或剪力墙,这必须与隔墙、门窗的功能和美学要求相协调。
  • 地板和屋顶穿透-通常需要特殊的框架来容纳楼梯、电梯、机械追逐、排气扇和其他开口。
  • 楼层之间的高度-不仅要为结构本身提供足够的空间,还要为凸起的地板、吊顶、管道系统、管道、灯光和电力、通信、计算机网络等的电缆运行提供足够的空间。这可能会影响楼板系统的类型(钢筋混凝土梁、托梁或平板;结构钢梁或明腹板钢搁栅;冷弯型钢或木托梁或桁架)。
  • 表面包覆-建筑围护结构不仅定义了设施的外观,还充当了内外世界之间的屏障。它必须能够抵抗风和其他天气影响,同时允许人、光和空气通过门、窗户和百叶窗等开口。
  • 设备及公用设施安排-大型设备(空气处理机组、冷凝器、冷水机组、锅炉、变压器、开关柜等)和悬挂公用设施(管道、管道、灯具、导管、电缆桥架等)需要足够的支撑,特别是在容易受到地震活动影响的地区,可能会产生显著的水平力。
  • 改造现有楼宇-改变屋顶或屋顶材料的类型,增加新设备,以及拆除承重墙是需要结构投入的改造措施的常见例子。
部分框架平面图显示重复的海湾和成员尺寸和位置剪力墙和框架开口

部分框架平面图显示重复的海湾和成员尺寸和位置剪力墙和框架开口图片来源:Burns & McDonnell

早期SER的参与对于快速通道和设计-建造项目尤其重要,因为通常有必要在其他学科准备的文件之前发布结构施工文件。即使在传统的设计-投标-建造的情况下,结构系统是第一个构建的,为其余部分提供底层框架。在整个设计过程中,设计团队所有成员之间的密切协调是必不可少的。

结构工程师所关心的不仅是为建筑物提供足够的强度,而且还要提供可用性。梁在其设计荷载下过度偏转会导致地板和天花板饰面出现问题,特别是那些包含脆性材料的梁。一个轻和便宜的框架系统可能会表现出不舒服的振动,当受到人的步行交通。如果强风引起相当大的横向移动,外墙和内部隔墙可能会出现不可接受的裂缝。

SER应继续参与建筑项目,直至建筑工程完成。没有一套文件是完美的;对提交材料的审查和现场的第一手观察可能会揭示学科之间的冲突或承包商在某个时间点上的误解,而此时仍有可能以最小的成本和进度影响进行纠正。

结构钢梁的制造车间图

结构钢梁的制造车间图图片来源:Burns & McDonnell

新出现的问题

相对于其他设计学科,结构工程师在保护公众方面负有独特而重要的责任。建筑、机械和电气系统故障通常会导致不美观、功能差、不适和/或不便。结构性系统故障几乎总是会带来更严重的后果,即使在最好的情况下,纠正已经或可能成为危及生命的情况也往往需要付出巨大的代价。因此,结构工程师的专业责任保险费率一直在增加,从而导致了风险管理计划(RMP).此外,正在努力在国家层面建立委员会认证,并在国家层面扩大单独的执照,以“提高”实践结构工程的资格标准。

美国地图,显示单独的结构工程许可证

在美国独立的结构工程许可证

2001年9月11日的恐怖主义事件使恐怖主义成为设计的首要考虑因素,特别是对于具有吸引力的目标,如“标志性”建筑、政府设施和军事设施。在这些项目中工作的结构工程师,或那些在袭击中可能遭受附带损害的附近的结构工程师,现在必须熟悉爆炸效应分析和设计的原则,以及抗渐进倒塌的原理。这些现象对非结构因素高度敏感,如场地内的对峙距离、立面配置和连接,以及建筑周边的可入角或转移梁的存在。对现有建筑物进行改造以解决这些问题尤其困难,而且可能耗资巨大。

相关守则及标准

额外的资源

WBDG

设计目标

历史-适当更新建筑系统历史-适应生命安全和保障需求安全/安全-减少自然灾害安全/安全-为建筑物居住者和资产提供安全保障

项目管理

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