
框架结构是现代建筑中应用最为广泛的结构体系之一。当我们走在城市的街道上,目光所及的高层办公楼、商业综合体、住宅小区,甚至厂房、学校、医院,大多采用的正是框架结构。框架体系通过梁与柱相互连接,形成稳定的“支架”,用来承担建筑物的全部荷载,墙体则主要起围护和分隔作用,不再作为主要受力构件。这一独特布局使得框架结构具有极大的灵活性,室内空间可以根据使用功能任意划分与变更,满足现代建筑对大开间、可变空间以及高使用率的需求,非常适合写字楼、商场、酒店等场所。同时,框架结构能够方便地设置大型落地窗和通透空间,建筑造型更加丰富多样,提升了建筑的美观性与实用性。
框架结构的发展历程充分体现了建筑技术的持续演进。从20世纪初期最早的现浇钢筋混凝土框架,大幅提升了建筑的高度和耐久性;之后,装配式混凝土框架应运而生,将构件预制并在现场拼装,极大提高了施工速度和质量的可控性;近年来,随着钢材性能的不断提升,钢结构框架和钢-混凝土组合结构逐渐盛行,使得超高层和大跨度建筑成为可能。每一次技术革新都极大地扩展了建筑的功能与规模。对比三种主流框架结构,无论是材料的力学性能、施工工艺还是造价及维护方式,各有优势与适用范围。熟练掌握现浇混凝土框架、装配式混凝土框架和钢结构框架的构造原理及施工流程,对于建筑学习者和从业者而言,不仅是理论基础,更是未来工程实践和创新的根本保障。
现浇钢筋混凝土框架是目前我国应用最为普遍的结构形式。在施工现场,工人们搭设模板、绑扎钢筋、浇筑混凝土,整个结构在现场一次性成型。这种施工方式虽然工期相对较长,但结构整体性好,抗震性能优异,因此在中国的建筑市场占据主导地位。
框架结构的基本组成包括框架柱、框架梁和楼板。柱子是竖向承重构件,主要承受轴向压力和弯矩;梁是水平承重构件,承受楼板传来的荷载并传递给柱子;楼板则将荷载传递给梁。这三者共同构成了完整的受力体系。
以一栋六层的办公楼为例,当顶层楼面承受人员、家具等活荷载时,这些荷载首先由楼板承担,楼板将荷载传递给支撑它的梁,梁再将荷载传递给两端的柱子,最终由柱子将所有荷载传递到基础和地基。这个传力路径清晰明确:楼板→梁→柱→基础→地基。
框架结构的优势在于空间布置灵活。由于墙体不承重,建筑平面可以根据使用需求灵活分隔,后期改造也较为方便。这正是为什么写字楼、医院等需要灵活空间的建筑多采用框架结构的原因。
框架的受力特点可以通过简化模型来理解。当建筑物承受竖向荷载时,柱子主要受压,梁主要受弯;当遭遇水平荷载(如风荷载、地震作用)时,框架通过梁柱节点的刚性连接形成整体抵抗力,柱子和梁都会产生弯矩和剪力。
下图展示了框架结构在不同荷载作用下的内力分布情况:
从图中可以看出,建筑物在地震作用下的层间位移随楼层高度增加而增大,顶层位移最大。这说明框架结构的抗侧刚度随高度降低,因此框架结构通常不宜建造过高,一般适用于15层以下的建筑。
梁柱节点是框架结构的关键部位,节点的质量直接影响整个结构的安全性。节点处的钢筋最为密集,混凝土浇筑难度最大,因此施工时需要特别注意。
节点区域的箍筋必须加密,这是因为节点在地震作用下会承受很大的剪力。规范要求节点核心区的箍筋间距要比柱身更密,通常为100毫米,而柱身箍筋间距可以放宽到200毫米。这种构造措施确保了节点在强震作用下不会先于梁柱破坏。
梁的纵向钢筋需要可靠地锚固在节点内。对于框架边柱,梁的上部钢筋必须伸入柱内并弯折成135度锚固钩;对于框架中柱,梁的钢筋可以直通穿过柱子。这样的构造保证了钢筋在节点处不会被拉出。
梁柱节点是框架结构的“生命线”。在2008年汶川地震中,许多建筑的破坏都始于节点的失效。因此,施工时必须严格按照规范要求施工,不得随意减少箍筋数量或降低混凝土强度等级。
模板工程是现浇混凝土施工的重要环节。模板的作用是为新浇筑的混凝土提供成型的空间,并在混凝土硬化前承受其重量和施工荷载。模板工程的质量直接影响混凝土结构的外观质量和尺寸精度。
目前常用的模板体系包括木模板、钢模板和铝合金模板。木模板取材方便、成本较低,适合形状复杂的构件;钢模板强度高、周转次数多,适合标准化程度高的工程;铝合金模板重量轻、拼装速度快,在住宅项目中应用越来越广泛。
下表对比了三种模板体系的特点:
模板的安装必须保证几何尺寸准确、接缝严密、支撑稳固。梁底模板安装时要起拱,起拱高度通常为梁跨度的1/1000到3/1000,这样混凝土硬化后梁会呈现轻微的上拱形态,既美观又避免了视觉上的下垂感。
模板的拆除时间取决于混凝土的强度增长情况。侧模(柱、墙的模板)在混凝土强度达到2.5兆帕以上即可拆除,通常为浇筑后12到24小时;底模(梁、板的模板)必须等到混凝土强度达到设计强度的75%以上才能拆除,跨度在8米以内的梁板通常需要7到14天。

混凝土浇筑是框架结构施工的核心工序。现代建筑工程普遍采用商品混凝土,由搅拌站集中生产、混凝土罐车运输到现场、混凝土泵车输送到浇筑部位。这种工业化生产方式保证了混凝土质量的稳定性。
浇筑前需要做好充分准备。检查模板支撑是否牢固,预埋件、预留孔洞位置是否正确,钢筋绑扎是否符合要求。在炎热天气施工时,要对模板和钢筋洒水降温;在寒冷季节施工时,要采取保温措施防止混凝土受冻。
框架结构的浇筑顺序很有讲究。通常先浇筑柱子,待柱混凝土初凝后再浇筑梁板。柱子浇筑时要分层进行,每层厚度控制在500毫米左右,用振动棒充分振捣,确保混凝土密实。梁板混凝土应连续浇筑,不留施工缝,这样才能保证结构的整体性。
混凝土浇筑完成后,养护工作至关重要。混凝土的硬化需要水分参与水化反应,如果水分蒸发过快,会导致表面开裂,强度降低。标准养护要求混凝土表面持续保持湿润,养护时间不少于7天。常见的养护方法包括覆盖塑料薄膜、铺设麻袋并定时洒水、喷洒养护剂等。
从强度增长曲线可以看出,混凝土在前7天强度增长最快,能达到设计强度的65%左右;28天时达到100%设计强度;之后强度还会继续缓慢增长。这就解释了为什么混凝土结构需要28天才能进行强度验收。
质量控制贯穿整个施工过程。对于钢筋工程,要检查钢筋的规格、数量、间距和保护层厚度。保护层太薄,钢筋容易锈蚀;保护层太厚,钢筋的有效高度减小,承载力下降。梁底和侧面的保护层通常为25毫米,板底为15毫米。
对于混凝土工程,要严格控制坍落度。坍落度反映混凝土的流动性,通常控制在180到220毫米之间。坍落度太小,混凝土难以浇筑密实;坍落度太大,混凝土容易离析,强度降低。每车混凝土到达现场后,都要检查坍落度是否符合要求。
振捣是保证混凝土密实的关键。振动棒要快插慢拔,插入间距不超过500毫米,每个点振捣时间20到30秒,以混凝土表面泛浆、不再冒气泡为准。过度振捣会导致混凝土离析,振捣不足则会留下蜂窝孔洞。
现浇钢筋混凝土框架的质量通过“三检制”来保证:操作人员自检、班组互检、质检员专检。每道工序完成后,必须经过验收合格才能进行下一道工序。这种层层把关的机制有效防止了质量事故的发生。

装配式混凝土结构是建筑工业化的重要方向。与现浇结构在施工现场制作不同,装配式结构的构件在工厂预制完成,运输到现场后通过可靠的连接方式组装成整体结构。这种建造方式如同“搭积木”,大大缩短了施工周期,减少了现场湿作业和建筑垃圾。
装配式混凝土结构的预制构件种类丰富。最常见的是预制柱、预制梁、预制楼板、预制楼梯和预制外墙板。每种构件都在工厂的生产线上标准化生产,质量稳定可控。
预制柱通常制作成矩形或圆形截面,柱顶和柱底预留钢筋或连接用的预埋件。预制柱的优势在于混凝土强度高、表面光滑平整,不需要抹灰就能达到清水混凝土的效果。北京大兴国际机场的航站楼就大量采用了预制柱,每根柱子的尺寸偏差控制在5毫米以内,远超现浇施工的精度。
预制梁的生产采用台座法,多根梁在长台座上同时浇筑,提高了生产效率。梁的预应力筋在浇筑前张拉,混凝土硬化后释放预应力,使梁具有很好的抗裂性能。这种预应力预制梁广泛应用于大跨度工业厂房和停车楼。
预制楼板包括实心板、空心板和叠合板。空心板因为减轻了自重,在住宅建筑中应用最多。叠合板则是预制板和现浇层的组合,预制部分作为底模和受力钢筋,现浇层增加整体性,这种做法兼顾了工业化和整体性的要求。
下表列出了常用预制构件的生产周期和运输要求:
装配式结构的连接是技术难点,连接质量直接决定结构的整体性能。目前主要有三种连接方式:套筒灌浆连接、浆锚搭接连接和螺栓连接。
套筒灌浆连接是预制柱最常用的竖向连接方法。下层柱顶和上层柱底的钢筋分别插入金属套筒的两端,然后向套筒内灌注高强度水泥基灌浆料,灌浆料硬化后将两根钢筋可靠连接在一起。这种连接方式传力可靠,连接强度甚至超过钢筋本身的强度,在地震作用下表现优异。
浆锚搭接连接常用于预制梁板与现浇结构的连接。预制构件预留伸出的钢筋,现浇混凝土时将这些钢筋包裹在内,通过钢筋的搭接和混凝土的握裹作用形成连接。这种方法施工简单,但需要现场湿作业,一定程度上抵消了预制的优势。
螺栓连接主要用于钢结构与预制构件的连接,或者临时性结构的组装。预制构件上预埋螺栓套筒,现场通过高强螺栓拧紧连接。这种连接方式安装快速,且可以拆卸重复使用,但需要较高的安装精度。
装配式建筑的连接节点是“以刚为主,刚柔结合”。主要受力节点采用套筒灌浆等刚性连接,保证结构的整体性;次要节点可以采用柔性连接,允许一定的变形,减少温度应力和施工误差的影响。
吊装是装配式施工的核心环节。合理的吊装方案能够保证施工安全、提高施工效率。吊装前需要编制详细的吊装方案,明确吊装顺序、吊点位置、吊车站位等关键信息。
吊装顺序一般遵循“先柱后梁、先主梁后次梁、先结构后配件”的原则。先安装预制柱并临时固定,校正垂直度后进行套筒灌浆;待灌浆料达到一定强度后,安装预制梁;梁安装就位后,铺设预制楼板;最后安装预制楼梯、预制外墙板等配件。
每个预制构件上都预埋了吊环或吊装预埋件,吊车的钢丝绳通过这些吊点起吊构件。吊点的位置经过精心计算,保证构件在吊装过程中受力合理,不会产生过大的弯曲变形。对于长度较大的预制梁,通常设置两个或四个吊点,采用平衡吊装的方式。
从施工进度对比图可以明显看出,装配式建筑在主体结构阶段优势最为显著,施工时间缩短了约40%。整个工程总工期可以缩短25%到30%,这对于开发商快速回笼资金、减少财务成本具有重要意义。
装配整体式结构是目前最成熟的装配式结构形式,结合了预制构件的工业化优势和现浇结构的整体性。这种结构的主要承重构件采用预制,但关键部位(如梁柱节点、楼板叠合层)仍然现浇,形成可靠的整体连接。
以一栋装配整体式住宅楼为例,其建造过程是这样的:首先安装预制剪力墙或预制框架柱,通过套筒灌浆连接竖向钢筋;然后安装预制梁,梁端伸入节点区与现浇混凝土结合;铺设预制叠合板,板上铺设钢筋网;最后浇筑梁板节点和叠合层混凝土,形成整体结构。
装配整体式结构的抗震性能已经通过了大量的实验研究和工程实践验证。2011年日本311大地震后的调查表明,采用可靠连接的装配式建筑抗震性能与现浇建筑相当,部分采用隔震技术的装配式建筑抗震性能甚至更优。
装配式建筑的发展离不开BIM技术的支撑。通过BIM模型,可以在设计阶段就优化构件尺寸,避免碰撞;在生产阶段精确下料,减少浪费;在施工阶段模拟吊装,提前发现问题。这种全过程的数字化管理,使装配式建筑真正实现了精益建造。

钢结构建筑以钢材作为主要承重构件,具有强度高、自重轻、施工速度快、抗震性能好等优点。从摩天大楼到工业厂房,从体育场馆到会展中心,钢结构的身影无处不在。中国的钢结构建筑经历了从追赶到并跑的过程,如今在超高层建筑、大跨度空间结构领域已经达到世界先进水平。
建筑钢材主要采用低合金高强度结构钢,常用的牌号有Q235、Q345、Q390、Q420等。字母Q代表屈服强度,后面的数字表示屈服强度的数值(单位:兆帕)。例如Q345钢的屈服强度为345兆帕,是Q235钢的1.5倍。
钢材的优良性能使其成为理想的结构材料。钢材的强度高,相同承载能力的钢柱截面积只有混凝土柱的1/4到1/3,为建筑赢得了更多的使用面积。钢材的塑性和韧性好,在超载时能够产生较大变形而不突然断裂,这种“延性破坏”特征使钢结构具有很好的抗震性能。钢材还具有良好的焊接性能,可以制作成各种复杂的构件形式。
但钢材也有其弱点。钢材的耐火性能差,温度超过300摄氏度后强度开始明显下降,600摄氏度时强度降低到常温的50%左右。钢材的耐腐蚀性差,暴露在空气中会逐渐锈蚀,厚度每年减薄约0.1毫米。这就要求钢结构必须采取可靠的防火和防腐措施。
下表对比了不同强度等级钢材的主要性能:
钢框架由钢柱和钢梁通过节点连接构成。钢柱通常采用H型钢或箱形截面,H型钢由腹板和翼缘组成,截面高度根据承载力需求确定,一般在300毫米到1000毫米之间。箱形柱由四块钢板焊接成封闭截面,抗扭性能好,多用于超高层建筑。
钢梁主要采用H型钢,跨度较大时也可采用钢桁架。普通钢梁的高度约为跨度的1/12到1/15,比混凝土梁的高跨比(1/10到1/12)小,因此钢结构建筑的层高可以做得更低,节约了总高度。
钢结构的连接是决定结构性能的关键。连接方法主要有焊接连接、螺栓连接和铆钉连接。焊接连接传力直接、刚度大,但施工质量不易控制,焊缝容易产生内部缺陷;高强螺栓连接施工方便、质量可靠,已成为钢结构的主要连接方式;铆钉连接工艺复杂、效率低,现在已很少采用。
钢结构的连接设计必须遵循“强节点、弱构件”的原则。节点的承载力应大于连接构件的承载力,确保在极端荷载作用下构件先于节点破坏。这样的设计理念与混凝土结构一致,都是为了保证结构的延性破坏模式。
现代钢框架多采用梁柱刚接的形式。梁翼缘与柱翼缘采用全熔透坡口焊缝焊接,梁腹板与柱翼缘通过高强螺栓连接。这种刚性节点能够有效传递弯矩,使框架具有很好的抗侧刚度。在超高层建筑中,为了进一步提高抗侧能力,常常在框架中设置支撑或剪力墙,形成框架-支撑体系或框架-剪力墙体系。
钢结构施工的第一步是构件制作。钢构件在工厂加工,整个过程高度机械化。首先是放样和号料,在钢板上划出构件的展开形状;然后是切割,采用火焰切割或等离子切割将钢板切成所需形状;接下来是组装和焊接,将切好的钢板拼装成H型钢或箱形截面;最后是矫正和验收,确保构件的几何尺寸和平直度符合要求。
构件运输到现场后进行安装。钢结构的吊装与预制混凝土构件类似,但钢构件的变形控制要求更严。每个构件安装就位后,先用临时螺栓固定,调整垂直度和位置,全部校正合格后再安装永久连接。
从自重对比图可以看出,钢框架结构的自重仅为混凝土框架的一半,这意味着地震作用也相应减小,基础造价降低。钢-混凝土组合结构则兼顾了钢结构和混凝土结构的优点,是超高层建筑的理想选择。
钢结构施工速度快是其突出优势。一栋20层的钢结构办公楼,主体结构安装只需2到3个月,而混凝土框架需要6到8个月。这种时间优势在工期紧张的项目中尤为宝贵。上海中心大厦高632米,主体结构采用钢-混凝土组合结构,仅用3年就完成了主体结构封顶。
钢结构的防腐处理根据使用环境确定。普通室内钢结构,只需涂刷防锈漆和面漆,形成保护涂层;室外钢结构或腐蚀性环境中的钢结构,需要采用热浸镀锌或喷涂金属等更可靠的防腐方法。
热浸镀锌是将钢构件浸入熔融的锌液中,在钢材表面形成锌层。锌层厚度通常为60到80微米,可以保护钢材30年以上不锈蚀。这种方法广泛应用于室外钢结构、钢格栅、钢爬梯等构件。
钢结构的防火处理同样重要。常用的防火方法包括涂刷防火涂料、包覆防火板和混凝土外包。防火涂料分为薄涂型和厚涂型,薄涂型涂层厚度3到7毫米,遇火时膨胀形成隔热层;厚涂型涂层厚度10到50毫米,依靠涂料本身的隔热性能保护钢材。
防火板包覆是用纤维增强硅酸盐板等不燃材料将钢构件包裹起来。这种方法施工简便,防火性能可靠,但会增大构件尺寸。混凝土外包是在钢柱外包一层钢筋混凝土,既提高了防火能力,又增强了承载力,常用于高层建筑的钢柱。
钢结构建筑的绿色环保特性日益受到重视。钢材可以100%回收利用,拆除的钢构件经过除锈、矫正后可以再次使用或回炉重铸。相比之下,混凝土建筑拆除后只能作为建筑垃圾填埋。随着国家“双碳”战略的推进,钢结构建筑必将迎来更广阔的发展空间。
钢结构在大跨度建筑中具有不可替代的优势。北京国家体育场“鸟巢”采用钢桁架结构,用钢量达4.2万吨,最大跨度343米,整个屋盖结构没有一根立柱支撑。这种空间桁架结构通过杆件的轴向受力实现了跨度与自重的完美平衡。
钢结构在超高层建筑中也发挥着关键作用。上海环球金融中心高492米,核心筒采用钢-混凝土组合结构,外围框架采用钢结构。钢结构的采用使建筑结构自重减轻30%,抗震性能显著提高。广州塔高600米,钢结构用量达1.2万吨,创造了多项世界纪录。
在工业建筑领域,钢结构更是占据主导地位。现代化工业厂房、物流仓库、展览中心几乎都采用钢结构。这些建筑要求大空间、大跨度、施工快,钢结构正好满足这些需求。一座6万平方米的物流仓库,采用钢结构只需3个月就能完成主体结构施工并投入使用。
框架结构的选择需要综合考虑多方面因素。现浇混凝土框架适合常规的多层和小高层建筑,施工技术成熟,造价相对较低;装配式混凝土结构适合标准化程度高的住宅项目,能够缩短工期、提高质量;钢结构适合超高层、大跨度和工期紧张的项目,虽然造价较高,但综合效益往往更好。合理选择结构体系,是实现建筑经济性、安全性和功能性统一的关键。
框架结构建筑技术的发展永不停息。新材料如高性能混凝土、耐候钢的应用,新工艺如智能制造、机器人施工的推广,新理念如绿色建筑、装配式建筑的普及,都在不断推动着框架结构技术的进步。掌握框架结构的基本原理和施工技术,是建筑学习者走向工程实践的必经之路。