論概念設(shè)計在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要性

李　侃

【摘要】文章闡述了概念設(shè)計的方法、作用，分析了概念設(shè)計在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要作用。

【關(guān)鍵詞】概念設(shè)計；建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計；計算簡圖

【中圖分類號】 TV318 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】1674-1145（2008）02-0138-02

安全、經(jīng)濟(jì)、適用、美觀、便于施工是進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則。一個優(yōu)秀的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)該是這五個方面的最佳結(jié)合。結(jié)構(gòu)設(shè)計一般在建筑設(shè)計之后，結(jié)構(gòu)設(shè)計不能破壞建筑設(shè)計，建筑設(shè)計不能超出結(jié)構(gòu)設(shè)計的能力范圍，結(jié)構(gòu)設(shè)計決定了建筑設(shè)計能否實現(xiàn)。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，對建筑工程設(shè)計也提出了更高的要求。而結(jié)構(gòu)設(shè)計作為工程設(shè)計不可分割的一環(huán)，必然對工程設(shè)計的成敗起重大的影響作用。因此優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計、發(fā)展先進(jìn)計算理論，加強(qiáng)計算機(jī)的應(yīng)用，加快新型建材的研究與應(yīng)用，使建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計更加安全、適用、經(jīng)濟(jì)是當(dāng)務(wù)之急。21世紀(jì)是自主創(chuàng)新的時代，作為結(jié)構(gòu)設(shè)計的推動者和執(zhí)行者，結(jié)構(gòu)設(shè)計師要想提高設(shè)計效率，就必須加強(qiáng)概念設(shè)計的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，在方案設(shè)計階段就主動與建筑師合作，用自身擁有的結(jié)構(gòu)體系功能及其受力、變形特征的整體概念去構(gòu)思結(jié)構(gòu)總體系，并以承載力、剛度和延性來主導(dǎo)總結(jié)構(gòu)體系和分體系之間的關(guān)系的概念設(shè)計。

一、概念設(shè)計的概念

概念設(shè)計是指不經(jīng)數(shù)值計算，尤其在一些難以作出精確理性分析或在規(guī)范中難以規(guī)定的問題，依據(jù)整體結(jié)構(gòu)體系與分體系之間的力學(xué)關(guān)系、結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理、震害、試驗現(xiàn)象和工程經(jīng)驗所獲得的基本設(shè)計原則和設(shè)計思想，從整體的角度來確定建筑結(jié)構(gòu)的總體布置和抗震細(xì)部措施的宏觀控制。運(yùn)用概念設(shè)計方法，可以在建筑設(shè)計的方案階段就迅速有效地對結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行構(gòu)思、比較與選擇，從而使方案概念清晰和定性正確，避免在后期設(shè)計階段出現(xiàn)一些不必要的繁瑣運(yùn)算，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。同時，也是判斷計算機(jī)內(nèi)分析輸出數(shù)據(jù)可靠與否的主要依據(jù)。對于實際存在的大量無法計算的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計，可以運(yùn)用優(yōu)秀的概念設(shè)計與結(jié)構(gòu)措施來滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的，彌補(bǔ)現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與計算理論之間存在的某些缺陷或不可計算性。而結(jié)構(gòu)設(shè)計者的閱歷、學(xué)歷、膽識，包括對工程結(jié)構(gòu)、力學(xué)等方面的直觀概念與深層機(jī)理概念是工程實踐中合理的運(yùn)用概念設(shè)計的關(guān)鍵。

二、概念設(shè)計的重要性

概念是在頭腦中形成的反映對象本質(zhì)屬性的思維形式，它是將所感知事物的共同本質(zhì)特點抽象出來加以概括而形成。概念設(shè)計要求在設(shè)計過程中始終貫穿和應(yīng)用結(jié)構(gòu)概念，是一種定性而非定量的分析，是整體宏觀控制和細(xì)部構(gòu)造措施、設(shè)計原理和工程實踐經(jīng)驗相結(jié)合的設(shè)計思想。從總體上控制的概念設(shè)計是一個結(jié)構(gòu)方案設(shè)計的基礎(chǔ)，與建筑結(jié)構(gòu)的形式、建筑類別、抗震等級、基礎(chǔ)及主體的安全等級有關(guān)，對建筑物的安全性和經(jīng)濟(jì)性將產(chǎn)生重大的影響，這并非某條梁或某塊板減少配筋量所能比擬的，因此在方案設(shè)計階段就運(yùn)用概念設(shè)計的思想是非常必要和及時的，而且要將它貫穿應(yīng)用于整個設(shè)計過程，才能為建筑結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性、適用性和經(jīng)濟(jì)性提供有力的保證。

由于現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與計算理論存在許多缺陷或不可計算性，有時會使計算結(jié)果與結(jié)構(gòu)的實際受力狀態(tài)差之甚遠(yuǎn)，為了實現(xiàn)對實際存在的大量無法計算的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計，就需要優(yōu)秀的概念設(shè)計與結(jié)構(gòu)措施來滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的。同時計算機(jī)計算的高精度特點，往往給結(jié)構(gòu)設(shè)計人員帶來對結(jié)構(gòu)工作性能的誤解，結(jié)構(gòu)工程師只有加強(qiáng)結(jié)構(gòu)概念的培養(yǎng)才能比較客觀、真實地理解結(jié)構(gòu)的工作性能。實際上在方案設(shè)計階段，初步設(shè)計過程是不能借助于計算機(jī)來實現(xiàn)的。這就需要結(jié)構(gòu)工程師綜合運(yùn)用其掌握的結(jié)構(gòu)概念，選擇結(jié)構(gòu)合理、造價最低的結(jié)構(gòu)方案，為此需要工程師不斷地豐富自己的結(jié)構(gòu)概念，了解各類結(jié)構(gòu)的性能，并能有意識地、靈活地運(yùn)用。因此，概念設(shè)計在結(jié)構(gòu)設(shè)計中顯得尤為重要。

提倡概念設(shè)計，也是強(qiáng)調(diào)人在設(shè)計中的指揮、主導(dǎo)、調(diào)控作用。一個結(jié)構(gòu)工程設(shè)計，想用計算機(jī)一次計算就完全通過往往是不現(xiàn)實的，認(rèn)為結(jié)構(gòu)設(shè)計就是“規(guī)范+計算”，甚至于“規(guī)范+一體化計算機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計程序”的想法是極其錯誤的。對于計算結(jié)果的明顯錯誤往往憑概念直覺就能發(fā)現(xiàn)，而且有的錯誤只能用概念性近似計算來復(fù)核才能正確判斷。所以，結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件的應(yīng)用者在確保輸入數(shù)據(jù)正確無誤的前提下，要對程序的基本理論假定、應(yīng)用范圍和限制條件完全吃透，特別是邊界條件的模擬假定與實際受力狀態(tài)一定要相符。在初步設(shè)計階段，通過概念近似手算來不斷反饋和優(yōu)化，直至最后確定該結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的可行性及其主要分體系和構(gòu)件的基本尺寸。這樣在施工圖設(shè)計階段就不會出現(xiàn)大的變更和反復(fù)。在計算前根據(jù)自己多年積累的豐富設(shè)計經(jīng)驗，從總體上設(shè)定好計算參數(shù)；計算中要根據(jù)出現(xiàn)的情況靈活處理，調(diào)整計算流程和方式；計算后要對計算結(jié)果做出正確判斷，以決定后續(xù)處理辦法及對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行必要的修改完善。

掌握好概念設(shè)計不僅可以保證正確的設(shè)計原則，還可以通過它來解決設(shè)計中出現(xiàn)的問題以提高設(shè)計水平。當(dāng)發(fā)現(xiàn)某個技術(shù)問題時，可以根據(jù)概念設(shè)計來分析其原因，這往往比直接檢查數(shù)據(jù)更快捷有效，而且可以找到問題的癥結(jié)所在。這個方法最適合用于判斷電算結(jié)果，電算過程往往有上億個數(shù)據(jù)，要跟蹤數(shù)據(jù)是不可能的，只有用概念來判斷其合理性或查找原因，用概念設(shè)計原則去解決問題才是最簡潔的出路。概念設(shè)計在以后的建設(shè)中將發(fā)揮越來越大的作用，目前有些結(jié)構(gòu)設(shè)計人員對結(jié)構(gòu)計算程序編制原理、假定、計算模型了解甚少,知其然不知所以然，偏重結(jié)構(gòu)計算而忽視結(jié)構(gòu)的構(gòu)造設(shè)計,因此，為了最大程度保證結(jié)構(gòu)的可靠，除了必要的計算外還必須考慮許多方面來提高結(jié)構(gòu)的承載能力和受力性能。實踐證明，凡是概念設(shè)計做得好的結(jié)構(gòu)工程師，其自身所擁有的結(jié)構(gòu)設(shè)計概念、經(jīng)驗、判斷力和創(chuàng)造力隨年齡與工程實踐的增長而成正比。反之，只會盲目照搬規(guī)范和依賴計算機(jī)程序做習(xí)慣性傳統(tǒng)設(shè)計的結(jié)構(gòu)工程師，不但設(shè)計誤區(qū)多發(fā)，更談不上結(jié)構(gòu)設(shè)計成果的不斷創(chuàng)新。

三、概念設(shè)計需注意的問題

（一）結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟(jì)合理

概念設(shè)計的目的是力求設(shè)計方案經(jīng)濟(jì)、合理、適用，因此，概念設(shè)計必須選擇一個經(jīng)濟(jì)合理的，且切實可行的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)體系應(yīng)該明確總體布置、抗震細(xì)部、應(yīng)受力等方面，同一結(jié)構(gòu)單元不宜混用不同結(jié)構(gòu)體系，力求平面和豎向規(guī)則。總之，必須對建筑師設(shè)計要求、結(jié)構(gòu)特點、材料供應(yīng)、施工條件等情況進(jìn)行綜合分析，并與施工方面、業(yè)主等方面充分協(xié)商，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型，確定結(jié)構(gòu)方案，必要時還應(yīng)進(jìn)行多方案比較，擇優(yōu)選用。

（二）選用恰當(dāng)?shù)挠嬎愫唸D

計算簡圖是進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算的基礎(chǔ)，如果計算簡圖選用不當(dāng)會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全事故的發(fā)生，因此選擇恰當(dāng)?shù)挠嬎愫唸D是保證結(jié)構(gòu)安全的重要條件，設(shè)計師要從實際出發(fā)選擇合理的計算簡圖，并且計算簡圖還應(yīng)有相應(yīng)的構(gòu)造措施來保證。此外，設(shè)計師還要注意到在實際結(jié)構(gòu)中節(jié)點不可能是純粹的剛結(jié)或鉸結(jié)點，計算簡圖的誤差應(yīng)在設(shè)計允許范圍之內(nèi)。

（三）正確分析計算結(jié)果

在結(jié)構(gòu)設(shè)計中普遍采用計算機(jī)技術(shù)，但是由于軟件種類繁多，不同的軟件存在著很大的差異性，往往導(dǎo)致計算結(jié)果不相同。因此，設(shè)計師要對程序的適用范圍、技術(shù)條件等全面了解。由于軟件本身的缺陷可能會導(dǎo)致錯誤的計算結(jié)果，因此，設(shè)計師要充分認(rèn)識到計算參數(shù)的重要性，要憑著自己過硬的專業(yè)知識、豐富的經(jīng)驗，在拿到電算結(jié)果時認(rèn)真分析，正確地輸入合理的計算參數(shù)，慎重校核，做出合理判斷。

四、結(jié)論

現(xiàn)在概念設(shè)計的思想已被越來越多的結(jié)構(gòu)工程師所接受，并在結(jié)構(gòu)的選型，結(jié)構(gòu)的布置，計算參數(shù)的選定，以及在合理采取構(gòu)造措施等方面發(fā)揮越來越大的作用。怎樣合理地采取構(gòu)造措施，是概念設(shè)計在工程中的具體應(yīng)用，如: 鋼筋的錨固，裂縫的控制，節(jié)點設(shè)計等，需要具體問題具體分析，切不可生搬硬套。這需要我們不斷地去積累，去學(xué)習(xí)，以計算機(jī)為輔助，用智慧，用經(jīng)驗，全身心地投入進(jìn)去。推廣并應(yīng)用概念設(shè)計是一種行之有效的方法。概念設(shè)計必然會成為今后結(jié)構(gòu)設(shè)計的主流思想，隨著人們對事物認(rèn)識的不斷發(fā)展，概念也在不斷的發(fā)展變化。

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【作者簡介】李侃（1964—），湖南長沙人，永州市建筑設(shè)計院工程師，研究方向：房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計。