概念設(shè)計(jì)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探索

楊 曦 徐金銘

（吉林省吉規(guī)城市建筑設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130061）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，結(jié)構(gòu)程序在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中日益發(fā)揮著重大的作用，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)間極大縮短的同時(shí)提高了設(shè)計(jì)的質(zhì)量。結(jié)構(gòu)程序的也造成了設(shè)計(jì)人員對(duì)程序的過分依靠，他們只是按照設(shè)計(jì)規(guī)范，拼湊一些素材，就當(dāng)成了自己的設(shè)計(jì)成果，而根本不去審查計(jì)算結(jié)果是否科學(xué)，對(duì)于規(guī)范也只是生搬硬套，并沒有真正的深入了解。至于建筑結(jié)構(gòu)是否科學(xué)合理、是否經(jīng)濟(jì)更是無從考慮。

以計(jì)算機(jī)為工具，領(lǐng)先的計(jì)算理論為指導(dǎo)，在建筑設(shè)計(jì)的過程中盡量選擇新型環(huán)保材料，從而設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)科學(xué)合理的建筑結(jié)構(gòu)成為當(dāng)務(wù)之急。結(jié)構(gòu)工程師在設(shè)計(jì)過程中要敢于突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念的束縛，積極進(jìn)行創(chuàng)新是很重要的，這就需要結(jié)構(gòu)工程師將概念設(shè)計(jì)滲透到實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中。

1 概念設(shè)計(jì)

1.1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中很多問題是無法進(jìn)行精確計(jì)算的，因此就不進(jìn)行數(shù)值計(jì)算只是以整體結(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)理為依據(jù)來作為基本的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思路，從整體上對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的總體布置以及抗震的細(xì)節(jié)部分進(jìn)行宏觀控制。

1.2 概念設(shè)計(jì)可以擴(kuò)展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思路。傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)以及相關(guān)的理論研究主要將目光集中在建筑結(jié)構(gòu)抗力的提升，在這種思路的指導(dǎo)下，采用高等級(jí)的混凝土以及大量的鋼筋來保證建筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，從而造成巨大的浪費(fèi)，增加了建筑的成本。結(jié)構(gòu)工程師保證鋼筋使用量不高于標(biāo)準(zhǔn)上限，結(jié)果造成大量不必要的鋼筋使用。例如，在建筑的抗震設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)剛度是利用初定的尺寸來進(jìn)行計(jì)算的，而地震力則是在剛度的基礎(chǔ)之上進(jìn)行計(jì)算的。為了抗震增加鋼筋的用量，而鋼筋的用量越大，剛度也會(huì)隨之上升，相應(yīng)的地震力就越大，最終反而增加了地震的力量。

1.3 隔震消能是一個(gè)很好的抗震設(shè)計(jì)，其基本的抗震思路是在主體和基礎(chǔ)中間設(shè)置柔性的夾層，然后設(shè)置支撐用于抵消地震的能量。還有一種設(shè)計(jì)方法是將一個(gè)反擺設(shè)置在建筑物的頂上，如果發(fā)生地震，反擺向建筑物運(yùn)動(dòng)的相反方向運(yùn)動(dòng)，抵消建筑物的震動(dòng)，降低地震對(duì)建筑物的破壞作用。據(jù)權(quán)威資料顯示，發(fā)生地震時(shí)，抗震設(shè)計(jì)合理的建筑物可以抵御地震高達(dá)六成的破壞力，除此之外，還可以提高建筑物里面的物品的安全性。

1.4 概念設(shè)計(jì)在建筑物抗震設(shè)計(jì)中的作用十分明顯。建筑結(jié)構(gòu)本身就十分的復(fù)雜，并且發(fā)生地震時(shí)不確定的因素很多。到現(xiàn)在為止人類對(duì)于地震的認(rèn)識(shí)還停留在十分初級(jí)的階段，很多東西都沒有了解清楚。計(jì)算結(jié)果由于建筑材料的性能、結(jié)構(gòu)抗震分析的精確度以及其他的可知的或者不可知的原因的影響與實(shí)際情況存在相當(dāng)大的偏差，還有很多的部分根本就沒有辦法進(jìn)行定量計(jì)算。綜上所述，受到各種可知的或者不可知的因素的限制，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中很多因素是無法進(jìn)行精確的量化計(jì)算的。這樣，概念設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的作用就十分重要了，有時(shí)甚至超過分析計(jì)算的重要性。

2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中概念設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題

2.1 適宜剛度概念

建筑物剛度的準(zhǔn)確判斷是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中十分重要的一環(huán)。建筑物的剛度設(shè)計(jì)要適度，不能過大，否則會(huì)成建筑結(jié)構(gòu)自振周期過短，一旦發(fā)生地震，建筑會(huì)受到很大的影響，造成嚴(yán)重的后果，且建筑物剛度過大還會(huì)造成建筑材料的大量浪費(fèi)。同樣建筑剛度過小，地震時(shí)建筑會(huì)發(fā)生大幅度的位移，最終導(dǎo)致建筑損壞。從上面可以看出，適宜的剛度對(duì)于建筑物來說是十分必要的。

2.2 充分認(rèn)識(shí)和掌握結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制和塑化歷程

建筑結(jié)構(gòu)破壞機(jī)制包含兩個(gè)部分，一是整體破壞，一是樓層破壞。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)一定要防止某個(gè)部分的薄弱，防止由于短板效應(yīng)而造成的樓層破壞。也就是說整個(gè)建筑中，某一環(huán)節(jié)在其他部分沒有達(dá)到最大載荷的情況下提前受到損壞，導(dǎo)致樓層損壞。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，比較理想的狀態(tài)是整體破壞，設(shè)計(jì)人員要為達(dá)到這個(gè)目標(biāo)而努力。

2.3 等強(qiáng)度與耗能設(shè)計(jì)原則

在建筑抗震設(shè)計(jì)過程中要遵守等強(qiáng)度與耗能設(shè)計(jì)原則。否則，在施工過程中，建筑的某些主要的承重結(jié)構(gòu)由于設(shè)計(jì)存在問題或者施工質(zhì)量問題而存在一定的隱患，一旦發(fā)生地震，在水平作用的破壞力下這些存在隱患的承重結(jié)構(gòu)在其他結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)問題的情況下實(shí)現(xiàn)損壞，從而造成整個(gè)建筑的損壞。為了避免這種情況，在建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中要堅(jiān)持整體觀念，盡量避免某一部分的短板，使各個(gè)部分的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度盡量均勻。在建筑結(jié)構(gòu)實(shí)際設(shè)計(jì)過程中除了要注意各個(gè)部分的強(qiáng)度相等之外，還要保證建筑具有吸收大量能量的能力，主要做到以下幾點(diǎn)：

第一，處于彈性階段工作的構(gòu)件約束耗能構(gòu)件的屈服應(yīng)力。在整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)中的局部進(jìn)行屈服，不能破壞整體。

第二，構(gòu)件中用來承受豎向載荷的構(gòu)件不可以用來作為耗能構(gòu)件。

第三，保持一定數(shù)量的，具有較高延展性的耗能構(gòu)件，盡可能的小號(hào)地震的能量。

3 概念設(shè)計(jì)的意義

3.1 展現(xiàn)先進(jìn)設(shè)計(jì)思想的關(guān)鍵

在一定的地理環(huán)境中，從整體的角度對(duì)建筑的結(jié)構(gòu)以及總體的方案進(jìn)行考慮，同時(shí)對(duì)于結(jié)構(gòu)的分體以及總體之間的力學(xué)特性與關(guān)系進(jìn)行積極的發(fā)揮和利用。對(duì)于結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能，通過概念設(shè)計(jì)從整體上進(jìn)行把握，只有這樣，才能夠科學(xué)合理的判斷計(jì)算結(jié)果。

3.2 體現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則與靈活

建筑物是一個(gè)完整的空間結(jié)構(gòu)，各構(gòu)件都在以相當(dāng)復(fù)雜的受力方式共同工作，而并非是獨(dú)立于總體結(jié)構(gòu)體系之外的單獨(dú)構(gòu)件。當(dāng)前在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)界，對(duì)具體空間結(jié)構(gòu)體系的整體研究上還存在著局限性，以至于在設(shè)計(jì)過程中采用了許多假定與簡(jiǎn)化方法。作為結(jié)構(gòu)工程師，一方面在設(shè)計(jì)過程中既要做到嚴(yán)格遵守和執(zhí)行相關(guān)的強(qiáng)制性規(guī)范和要求，堅(jiān)持結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則不能改變，另一方面，又不應(yīng)盲目、教條、機(jī)械地照搬照抄，尤其是對(duì)推薦性規(guī)范和要求，應(yīng)把它作為一種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的指導(dǎo)和參考意見，從而可在實(shí)際的設(shè)計(jì)項(xiàng)目中作出更為正確的選擇。這就對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師提出了要求，要對(duì)整體結(jié)構(gòu)體系與各基本分體系之間的力學(xué)關(guān)系有更為透徹的認(rèn)識(shí)和深入的了解，把建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)應(yīng)用到實(shí)際工作中去。

3.3 彌補(bǔ)設(shè)計(jì)、計(jì)算理論的不足

目前的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算水平難以有效地保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的抗震、抗風(fēng)性能，尤其是抗震設(shè)計(jì)。從某種意義上講，概念設(shè)計(jì)確實(shí)比分析計(jì)算更為重要。目前，現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和計(jì)算理論仍然存在著一些缺陷：如對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，內(nèi)力計(jì)算采用基于彈性理論的計(jì)算方法，而截面設(shè)計(jì)則采用是基于塑性理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，兩者的矛盾使計(jì)算結(jié)果與結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)存在較大差距。為了彌補(bǔ)設(shè)計(jì)、計(jì)算理論的缺陷，或?qū)崿F(xiàn)對(duì)實(shí)際存在的大量難以計(jì)算的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)，也需要概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)措施來共同滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著人們生活水平的不斷提高以及居住理念的不斷更新，人們對(duì)于建筑物的要求也日趨多元化。概念設(shè)計(jì)的出現(xiàn)是對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新與超越，能夠?yàn)槿藗兲峁﹥?yōu)質(zhì)的建筑物。因此，概念設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)思想發(fā)展的必然產(chǎn)物，也會(huì)成為今后時(shí)期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主流思想。

[1]林同炎，S.D.斯多臺(tái)斯伯利.結(jié)構(gòu)概念和體系[M].中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.

[2]李展開.淺談對(duì)建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)的理解[J].山西建筑，2009，（6）.