建筑结构基础与荷载

建筑结构作为建筑物的“骨架”，其核心任务是安全、经济、合理地承受和传递各种作用力（即“荷载”），保障建筑的稳固与耐久。从古至今，无论是中国传统的木构建筑，还是现代高层写字楼，建筑结构都扮演着不可或缺的角色。不同的建筑类型和功能，对结构形式和承载能力提出了多样化的需求。例如，古代的木结构讲究榫卯连接以提高结构韧性，现代的钢筋混凝土则结合了强度和经济性，适用于复杂多变的建筑空间。

荷载，是指作用在建筑结构上的各种力，包括自重（恒载）、人员及家具的使用荷载（活载）、风雪等自然荷载，以及偶发的地震力等。这些荷载在结构中的传递过程极为重要——从屋面传递到楼板、再由梁和柱传递到基础，最终由地基将荷载分散到地球。理解荷载的传递路径，有助于分析结构在不同受力阶段的响应，预防因设计不当带来的安全隐患。

在结构设计过程中，学习和掌握结构的基本类型（如梁、柱、框架、剪力墙等）、荷载的主要种类及其特征、荷载的识别与计算，以及荷载如何一级级传递下去，是后续深入学习结构构件行为、结构分析方法以及实际工程应用的基础。只有牢固掌握这些基础理论，才能有能力面对建筑结构的各种挑战，设计出既安全可靠又经济高效的工程作品。

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建筑结构概述

什么是建筑结构

在日常生活中，当我们仰望高层建筑、穿行于地下通道，或是安居于住宅小区时，往往会被建筑的外观和功能所吸引。但在这些可见的建筑形式背后，有一个看不见却至关重要的系统在默默支撑着一切——这就是建筑结构。建筑结构是建筑的骨架，它承载着建筑自身的重量，抵御着风雨的侵袭，保护着建筑内部空间的安全。

建筑结构由多种构件组成，这些构件包括梁、柱、墙、板等基本单元。每个构件都有其特定的功能。柱主要承受竖向压力，将上部楼层的重量传递到地基；梁则横跨在柱之间，承受楼板传来的荷载；墙既可以承重，也可以作为围护分隔；板则形成水平的楼面或屋面，为人们提供使用空间。这些构件通过科学合理的连接方式组合在一起，形成一个完整的结构系统。

结构的基本作用

结构在建筑中扮演着三个核心角色。第一个角色是承载功能。建筑物需要承受自身重量、使用荷载、雪荷载、风荷载等各种作用。结构系统必须能够安全地将这些荷载传递到地基，并最终传递到大地。第二个角色是塑造空间。结构的布置直接影响建筑内部空间的形态和使用功能。合理的结构布局可以创造出开阔的无柱空间，也可以划分出灵活多变的功能区域。第三个角色是表达建筑的美学。许多经典建筑将结构本身作为建筑美学的重要组成部分，结构的形式美与建筑的艺术性相互融合。

在中国的建筑实践中，这三个角色得到了充分的体现。以北京大兴国际机场为例，其巨型的钢结构屋盖不仅承担了数万吨的自重和屋面荷载，还创造了宽敞无柱的候机大厅空间，同时以优美的曲面造型成为建筑的标志性特征。这种结构与建筑的高度统一，是现代建筑结构设计追求的理想境界。

结构设计的基本思维方式

结构设计并非简单的计算和构件拼装，而是一个系统性的思考过程。设计者首先需要理解建筑的功能需求，明确建筑的使用性质、层数、跨度等基本条件。在此基础上，选择合适的结构体系，确定主要的承重构件和荷载传递路径。接下来，通过力学分析确保每个构件都能满足强度、刚度和稳定性的要求。最后，还需要考虑施工的可行性和经济性，使设计方案不仅在理论上可行，在实际建造中也能顺利实施。

这种思维方式被称为“概念设计”，它强调从整体出发，在方案初期就建立清晰的结构概念，而不是一味依赖复杂的计算。当代许多优秀的结构工程师都具备这种整体性的思维能力，他们能够在方案阶段就预见结构的受力特点，从而做出合理的决策。

上图展示了结构设计各阶段不同工作内容的重要程度变化。在概念设计阶段，确立正确的结构概念最为关键，这一阶段的决策将影响后续所有设计工作。随着设计深入，计算分析和构造细节逐渐成为重点，但这些工作都是建立在正确的结构概念之上的。

结构系统的组成

一个完整的建筑结构系统由竖向承重系统、水平承重系统和基础系统三部分组成。竖向承重系统主要包括柱、墙等竖向构件，它们承受来自上部的竖向荷载。水平承重系统主要包括梁、板等水平构件，它们承受楼面和屋面的荷载，并将荷载传递给竖向构件。基础系统则是结构与地基的过渡部分，将上部结构的全部荷载均匀地传递给地基。

这三个系统相互依存、共同工作。在多层住宅中，楼板将家具、人员等使用荷载传给梁，梁再将荷载传给柱或承重墙，柱和墙最终将荷载传给基础，基础再传给地基。这个清晰的传力路径是结构设计的基础，任何一个环节的薄弱都可能导致结构的不安全。

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荷载的类型与特征

荷载的基本概念

荷载是指作用在结构上的各种力。这些力来自不同的来源，有些来自建筑物自身的重量，有些来自使用过程，还有些来自自然环境。准确认识和计算荷载是结构设计的起点，只有正确确定荷载，才能合理设计结构。

在建筑结构设计中，荷载通常按照不同的分类方式进行识别。按照作用时间的长短，可以分为永久荷载和可变荷载；按照荷载在结构上的分布特点，可以分为集中荷载和分布荷载；按照作用方向，可以分为竖向荷载和水平荷载。理解这些分类方式有助于设计者全面把握结构所承受的各种作用。

恒载

恒载也称为永久荷载，是指在结构使用期间大小、位置和方向基本保持不变的荷载。建筑结构自身的重量是恒载的主要来源，包括梁、柱、墙、板等结构构件的重量，以及楼面铺装、吊顶、墙体粉刷等建筑装修的重量。

以一栋典型的钢筋混凝土框架结构办公楼为例，其楼板的自重约为每平方米2.5千牛（相当于每平方米约250公斤），楼面铺装的瓷砖、水泥砂浆找平层的重量约为每平方米1.0千牛，吊顶和机电设备的重量约为每平方米0.5千牛。这些重量累加起来，形成了楼面的恒载。对于一栋30层的高层建筑，结构自重产生的恒载往往占到结构所承受总荷载的60%至70%，是设计中必须重点考虑的因素。

恒载的特点是大小相对确定，在设计阶段可以较为准确地计算。但需要注意的是，不同的材料密度不同，产生的恒载也有很大差异。混凝土的密度约为每立方米2500公斤，钢材的密度约为每立方米7850公斤，木材的密度约为每立方米500至800公斤。选择不同的结构材料，会直接影响结构的自重，进而影响整个结构体系的设计。

活载

活载也称为使用荷载或可变荷载，是指在结构使用过程中其大小、位置可以变化的荷载。活载主要来自于建筑物内的人员、家具、设备等。不同功能的建筑，其活载的标准值差异很大。

根据中国建筑结构荷载规范的规定，住宅楼面的活载标准值为每平方米2.0千牛，办公楼为每平方米2.5千牛，商场为每平方米3.5千牛，阅览室为每平方米2.5千牛，书库则高达每平方米5.0千牛。这些数值是基于大量调查和统计分析确定的，反映了不同建筑类型的实际使用情况。

活载的不确定性比恒载大得多。在住宅中，有时房间空无一人，活载接近于零；有时举办聚会，短时间内房间内聚集大量人员，活载可能超过设计标准值。但结构设计不可能按照极端情况进行，否则会导致结构过于保守、造价过高。因此，规范中的活载标准值是经过统计分析后的合理取值，既保证了结构安全，又兼顾了经济性。

风荷载

风荷载是指风吹在建筑物上产生的作用力。对于多层和高层建筑，风荷载是一个重要的水平荷载，必须在设计中认真考虑。风荷载的大小与多个因素有关，包括建筑所在地区的风速、建筑的高度和形状、建筑周围的地形地貌等。

中国幅员辽阔，不同地区的风环境差异很大。沿海地区经常受到台风影响，设计风速较大；内陆平原地区风速相对较小；山区或城市中心的高层建筑群中，风的流动特性更为复杂。根据中国建筑结构荷载规范，全国各地的基本风压值从每平方米0.3千牛到每平方米0.9千牛不等。沿海的福建、广东、海南等省份基本风压较高，西部的四川盆地、云贵高原等地区基本风压较低。

建筑的高度对风荷载有显著影响。风速随着高度增加而增大，同时高层建筑暴露在风中的面积也更大，因此高层建筑承受的风荷载远大于低层建筑。对于30层以上的高层建筑，风荷载往往成为控制结构设计的主要因素之一。设计者需要通过合理的结构布置和构件设计，确保建筑在强风作用下的安全性和舒适性。

上图变化展示了风压系数随建筑高度的变化关系。在地面附近，由于地面摩擦和地形阻挡的影响，风速较小，风压系数较低。随着高度增加，风速逐渐增大，风压系数相应提高。这种非线性的增长关系在高层建筑设计中必须充分考虑。

雪荷载

雪荷载是指积雪覆盖在屋面上产生的竖向荷载。在中国北方地区，雪荷载是屋面设计的重要依据。雪荷载的大小取决于当地的降雪量、气温和屋面的形式。

不同地区的雪荷载差异显著。东北地区的哈尔滨、长春等城市，基本雪压达到每平方米0.45千牛以上；华北地区的北京、天津等城市，基本雪压约为每平方米0.4千牛；而南方大部分地区基本不考虑雪荷载。这种地域差异反映了中国气候的多样性，也要求设计者在不同地区采用不同的设计标准。

屋面的形式对雪荷载的分布有重要影响。平屋面上的雪层厚度相对均匀，雪荷载分布较为均匀。坡屋面上的雪在重力作用下会产生滑移，坡度较大的屋面雪荷载较小。某些特殊形式的屋面，如高低跨屋面的交界处、天窗周围等部位，容易形成积雪，局部雪荷载可能显著增大，这些都是设计中需要特别注意的问题。

地震作用

地震作用是一种特殊的动力荷载。地震发生时，地面产生强烈的震动，建筑物随之振动。由于建筑物具有质量，根据牛顿第二定律，建筑物的振动会产生惯性力，这种惯性力就是地震作用。地震作用的大小与建筑物的质量、结构的刚度、地震的强度和特性等因素有关。

中国是一个地震多发的国家，从西部的青藏高原到东部的东南沿海，都有不同程度的地震活动。为保证建筑的抗震安全，中国建立了完善的抗震设防制度。全国各地根据历史地震记录和地质构造特征，被划分为不同的抗震设防烈度区。北京、天津、太原等城市的抗震设防烈度为8度，上海、南京、武汉等城市为7度，深圳、广州等城市为7度或6度。设防烈度不同，设计中采用的地震作用大小也不同。

抗震设计的核心思想是“小震不坏、中震可修、大震不倒”。在遭遇较小的地震时，结构应保持完好，建筑可以正常使用；在遭遇中等强度的地震时，结构可能出现一些损伤，但经过修复后仍可继续使用；在遭遇罕见的强烈地震时，结构可能出现较大损伤，但不会倒塌，从而保证人员生命安全。这种多层次的设防目标体现了抗震设计的理性和人性化。

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荷载的传递路径

荷载传递的基本原理

荷载在结构中的传递遵循明确的路径。理解荷载传递路径是掌握结构设计的关键。荷载从作用点开始，经过一系列构件的传递，最终到达地基。每个构件在这个过程中都承担着承受荷载和传递荷载的双重任务。

荷载传递的基本原则是“由上至下、由远及近”。楼面上的荷载首先作用在楼板上，楼板将荷载传递给支撑它的梁，梁再将荷载传递给支撑梁的柱或墙，柱或墙继续向下传递荷载，经过各层的梁柱或墙体，最终传递到基础，基础再将荷载扩散传递给地基土。这个过程层层递进，环环相扣。

典型结构体系的荷载传递

以一栋普通的钢筋混凝土框架结构住宅为例，我们可以清晰地看到荷载的传递过程。住宅楼面铺设了瓷砖，摆放了家具，居住了人员。这些荷载作用在楼板上，楼板是一个双向板或单向板，它将荷载沿着短跨或长跨方向传递给周边的梁。

梁是横跨在柱之间的水平构件。当梁承受了来自楼板的荷载后，梁本身会产生弯曲变形，梁内部产生弯矩和剪力。梁的两端支撑在柱上，因此梁会将荷载以集中力或分布力的形式传递给柱。柱是竖向承重构件，它承受着来自多个楼层的梁传来的荷载。柱内产生轴向压力，柱将这些压力向下传递，最终传递到柱底的基础上。

基础是结构与地基的过渡构件。基础的面积比柱的截面积大得多，这样可以将柱传来的集中荷载扩散到较大的地基土范围内，避免地基土的应力过大而产生过大的沉降。基础的类型有多种，包括独立基础、条形基础、筏板基础、桩基础等，不同的基础类型适用于不同的地基条件和上部结构形式。

通过不同传递环节展示了荷载在传递过程中作用面积的变化。荷载从楼面开始，在楼板和梁的阶段作用面积逐渐减小，荷载变得集中。到达柱时，荷载高度集中在较小的截面上。但在基础阶段，荷载作用面积又重新扩大，最终在地基土中形成较为均匀的应力分布。这种“收集-集中-扩散”的过程是结构荷载传递的典型特征。

不同结构形式的传力特点

不同的结构形式，其荷载传递路径也有所不同。在砌体结构中，墙体既是竖向承重构件，也是水平荷载的传递构件。楼板将荷载传递给墙体，墙体向下逐层传递，直至基础。砌体结构的荷载传递相对简单直接，但墙体的布置受到承重要求的约束，建筑平面的灵活性较差。

在框架-剪力墙结构中，竖向荷载主要由框架柱承担，水平荷载（如风荷载和地震作用）主要由剪力墙承担。框架柱的间距较大，建筑平面布置灵活，但框架本身抵抗水平荷载的能力较弱。剪力墙是竖向的混凝土墙体，其平面内的刚度很大，能够有效抵抗水平荷载。这种结构形式结合了框架和剪力墙的优点，在中国的高层住宅建筑中得到了广泛应用。

在大跨度结构中，荷载传递路径更为复杂。以桁架结构为例，屋面荷载传递给檩条，檩条传递给桁架的节点，桁架的杆件将荷载分解为轴向力，沿着杆件传递，最终汇集到支座处。桁架的特点是杆件主要承受轴向力，充分发挥了材料的强度，因此可以实现较大的跨度。

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结构系统的选择

结构选型的影响因素

选择合适的结构体系是结构设计的首要任务。结构选型受到多种因素的影响，包括建筑的功能要求、建筑的高度和跨度、场地的地质条件、施工技术条件、经济性要求等。一个优秀的结构方案应当满足建筑功能的需要，保证结构的安全性和耐久性，同时具有良好的经济性和可建造性。

建筑的功能要求对结构选型有直接的影响。住宅建筑强调户型的合理性和私密性，结构布置需要配合房间的划分；办公建筑强调空间的开敞和灵活，结构布置应尽量减少内部柱子，增大柱网跨度；商业建筑强调大空间和人流的流畅，结构需要提供大跨度的无柱空间；工业建筑强调设备布置和生产工艺，结构需要配合工艺流程的要求。不同的功能定位，决定了不同的结构选型方向。

建筑的高度和跨度是结构选型的重要参数。低层建筑（1至3层）可以采用砌体结构、木结构或轻型钢结构；多层建筑（4至9层）通常采用框架结构或砌体结构；高层建筑（10至30层左右）多采用框架-剪力墙结构或剪力墙结构；超高层建筑（30层以上）则需要采用更为高效的结构形式，如筒体结构、巨型框架等。建筑的跨度越大，结构的难度越高，需要采用桁架、拱、空间网架等特殊的结构形式。

常见结构体系及其适用范围

结构选型的实际案例

在中国的建筑实践中，结构选型体现了技术与艺术的结合。以上海中心大厦为例，这座632米高的超高层建筑采用了巨型框架-核心筒-伸臂桁架的复合结构体系。核心筒位于建筑中心，集中布置电梯、楼梯和设备管井，同时作为主要的抗侧力构件；外圈的巨型框架由巨型柱和环带桁架组成，与核心筒共同承受竖向荷载和水平荷载；伸臂桁架在关键楼层将核心筒与外框架连接起来，协调两者的变形，提高整体抗侧刚度。这种复合结构体系充分发挥了各种结构形式的优势，实现了超高层建筑的结构安全和经济合理。

不同结构体系在不同高度建筑中的造价占比情况。随着建筑高度增加，结构的复杂程度提高，结构造价占总造价的比例也相应增大。对于低层建筑，结构造价占比较小，建筑和装修占比较大；对于高层和超高层建筑，结构造价占比显著增大，结构选型对项目的经济性影响更为显著。

例如，国家体育场“鸟巢”，这座大型体育场采用了空间钢桁架结构。整个屋盖由相互交织的钢桁架组成，形成独特的网状造型。这种结构形式不仅满足了90米跨度的功能需求，而且创造了极具视觉冲击力的建筑形象。钢桁架的杆件主要承受轴向力，材料利用效率高，同时钢材的延性好，抗震性能优异。“鸟巢”的结构设计体现了结构工程师对结构形式的深刻理解和创新精神。

结构选型的综合考虑

结构选型不是孤立的技术决策，而是综合考虑多种因素的结果。设计者需要在方案阶段就与建筑师、设备工程师充分沟通，了解建筑的功能定位、空间需求、美学追求。同时，还需要了解项目的建设周期、投资预算、施工条件等约束。在这些约束条件下，寻找最优的结构方案。

在当代中国的建筑实践中，绿色建筑和可持续发展的理念日益受到重视。结构选型也需要考虑材料的环境影响、能源消耗、可循环利用等因素。钢结构具有可回收利用的优势，混凝土结构具有良好的耐久性和防火性能，木结构具有可再生和低碳的特点。不同材料和结构形式的环境影响不同，设计者需要在满足功能和安全的前提下，选择更为绿色和可持续的结构方案。

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小结

通过本内容的学习，我们初步建立了建筑结构的基本概念，认识了建筑结构在整个建筑中的地位和作用，了解了各类荷载的类型、来源以及它们在结构中的分布和变化，掌握了荷载在结构中自上而下、层层传递的路径。同时，我们学习了不同结构体系的特点、适用范围及其对建筑高度、空间布置、经济性的影响，熟悉了结构选型时需要综合考虑的因素。在学习过程中，我们还结合实际工程案例，更直观地体会了结构体系选择对工程造价、施工难度及最终建筑品质的影响。

这些知识共同构成了建筑结构学习的基础框架，为后续深入研究具体结构构件的受力行为、材料性能、结构计算与分析方法等内容奠定了坚实基础。建筑结构不仅仅是建筑的“骨架”，更是安全性、功能性、美观性和经济性的综合体现。只有真正理解结构工作的原理和实际条件下的复杂变化，设计者才能在今后的学习和实践中融合理性思考与创新精神，设计出既安全可靠又经济美观、具有独特价值的建筑作品。