淺談建筑結構概念設計

舒孝勇

（四川省建筑設計院，四川 成都 610081）

前言

在結構設計中，概念設計的宗旨是在特定的建筑空間及環境條件下，用整體概念來考慮結構的總體方案，并能有意識地發揮和利用結構總體系和各基本分體系之間的力學特性與關系。建筑物是一個整體空間結構，各種構件以相當復雜的方式共同工作，并不是脫離總的結構體系的單獨構件。作為結構工程師，不應過度依賴計算機和盲目照搬規范，應把概念設計應用到實際工作中去。

1.概念設計的定義

結構設計分為理論和概念設計。理論設計是結構工程師根據計算理論和規范，在對結構進行計算模型的假設及受力狀態的假定的前提下，對結構進行計算分析，得出數據式的結果，然后利用結果進行設計。概念設計是指不經數值計算，尤其在一些難以做出精確理性分析或在規范中難以規定的問題中，依據整體結構體系與分體系之間的力學關系、結構破壞機理、震害、試驗現象和工程經驗所獲得的基本設計原則和設計思想，從整體的角度來確定建筑結構的總體布置和抗震細部措施的宏觀控制。

在建筑設計的方案階段，從總體出發，采用概念性近似計算方法，能迅速、有效地對結構體系進行構思、比較和選擇。這種方法雖有一定誤差，但概念清楚、定性準確、手算簡單快捷，能很快選擇出最佳方案，具有較好的經濟、可靠性能，同時也是施工圖設計階段判斷計算機內力分析輸出數據可靠與否的主要依據。

2.概念設計的重要性

概念設計的應用面非常廣泛，幾乎蘊含了所有的結構設計。在不確定因素多、受力狀況變化較大的抗震設計、高層建筑設計、基礎設計中，概念設計的應用尤顯重要和突出。

概念設計的重要性，主要體現在三方面：一是因為現行的結構設計理論與計算理論存在許多缺陷或不可計算性。為了彌補計算理論的缺陷，或實現對實際存在的大量無法計算的結構構件的設計，都需要用概念設計來滿足結構設計的目的。二是由于在方案設計階段，初步設計過程是不能借助于計算機來實現的。這就需要結構工程師綜合運用其掌握的結構概念，選擇效果最好、造價最低的結構方案。概念設計在設計人員中提得比較多，但往往被人們片面地理解，認為其主要是用于一些大的原則，如確定結構方案、結構布置等。其實，在設計中任何地方都離不開科學的概念作指導。三是由于計算機計算結果的高精度，容易給結構設計人員帶來對結構工作性能的誤解，過分地依賴于計算機和設計軟件，進行習慣性、傳統的結構設計，對計算結果明顯不合理、甚至錯誤的地方不能及時發現，使許多的建筑結構留下安全隱患。因此，概念設計在結構設計中具有重要的地位。

概念設計是展現先進設計思想的關鍵,一個結構工程師的主要任務就是在特定的建筑空間中用整體的概念來完成結構總體方案的設計,并能有意識地處理構件與結構、結構與結構的關系。一般認為,概念設計做得好的結構工程師,隨著他的不懈追求,其結構概念將隨他的年齡與實踐的增長而越來越豐富,設計成果也越來越創新、完善。遺憾的是,隨著社會分工的細化,大部分結構工程師只會依賴規范、設計手冊、計算機程序做習慣性傳統設計,缺乏創新,更不愿(不敢)創新,有的甚至拒絕對新技術、新工藝的采納(害怕承擔創新的責任)。大部分工程師在一體化計算機結構程序設計全面應用的今天,對計算機結果明顯不合理、甚至錯誤而不能及時發現。隨著年齡的增長,導致他們在大學學的那些孤立的概念都被逐漸忘卻,更談不上設計成果的不斷創新。

強調概念設計的重要,主要還因為現行的結構設計理論與計算理論存在許多缺陷或不可計算性,比如對混凝土結構設計,內力計算是基于彈性理論的計算方法,而截面設計卻是基于塑性理論的極限狀態設計方法,這一矛盾使計算結果與結構的實際受力狀態差之甚遠,為了彌補這類計算理論的缺陷,或者實現對實際存在的大量無法計算的結構構件的設計,都需要優秀的概念設計與結構措施來滿足結構設計的目的。同時計算機結果的高精度特點,往往給結構設計人員帶來對結構工作性能的誤解,結構工程師只有加強結構概念的培養,才能比較客觀、真實地理解結構的工作性能。概念設計之所以重要,還在于在方案設計階段,初步設計過程是不能借助于計算機來實現的。這就需要結構工程師綜合運用其掌握的結構概念,選擇效果最好、造價最低的結構方案,為此,需要工程師不斷地豐富自己的結構概念,深入、深刻了解各類結構的性能,并能有意識地、靈活地運用它們。

3.概念設計的一般原則

3.1.合理選擇結構方案，形成良好結構體系

一個成功的設計必須選擇一個經濟合理的結構方案，即要選擇一個切實可行的結構形式和結構體系。必須對工程的設計要求、地理環境、材料供應、施工條件等情況進行綜合分析，并與建筑、水、電等專業充分比商，在此基礎上進行結構選型，確定結構方案，必要時還應進行多方案比較，擇優選用。

要形成良好的結構體系，要求結構構件在承載能力極限狀態下能共同受力、共同交形、協同工作，有相同的耐久性，同時達到極限狀態。還要正確處理基礎與上部結構之間的關系，必須把基礎與上部結構視為一個有機的整體，不能把二者割裂開來。

3.2.恰當選用計算簡圖，正確分析計算結果

結構計算是在計算簡圖的基礎上進行的，計算簡圖選用不當而導致結構安全事故屢有發生，因此選擇恰當的計算簡圖是確保結構安全的重要條件。計算簡圖應有相應的構造措施來保證。

由于軟件種類繁多，不同軟件往往會導致不同的計算結果，加之由于程序與結構某處實際情況不相符合、或人工輸入有誤、或軟件本身有缺陷均會導致錯誤的計算結果，因此工程師的知識、經驗是不可缺少的，工程師應全面了解程序的適用范圍、技術條件等，認真分析計算結果，慎重校核，做出合理判斷，不可迷信電腦。

4.概念設計的應用

4.1.抗震概念設計

地震具有難以把握的復雜性和動態變化特點，要準確地預見建筑物所遭遇的地震特性及詳細參數，是難以做到的。只有輔以準確的概念設計，在宏觀上對抗震結構進行控制，正確分析計算結果，合理地對薄弱環節采取構造加強措施，才能在經濟合理的前提下，設計出抗震性能優良的建筑。

為了保證建筑具有足夠的抗震能力，通過概念設計從宏觀上控制結構的抗震性能應充分考慮以下環節：①選擇對抗震有利的場地及地基，避免地面變形的直接危害，采取措施保證地基的穩定性。② 進行合理的基礎設計，同一結構單元不宜設置在性質不同的地基土上，不宜采用不同的基礎形式，設計時宜最大限度地發揮地基的潛力。③建筑物的體型應力求簡單、規則、對稱，質量和剛度變化均勻，以減少地震作用產生的變形、應力集中及扭轉反應。④選擇合理的結構體系，抗側構件力求均勻對稱，設置多道抗震防線，避免局部出現薄弱部位，要求結構布置受力明確，傳力簡捷。⑤各類構件之間要有可靠的連接，并具有必要的強度和變形能力，從而獲得整個結構良好的抗震性能。⑥強調結構空間整體性，平面加強連接，豎向確保足夠整體剛度。⑦重視對非結構構件的處理，利用其對主體結構的有利影響，避免不合理設置導致對主體結構的不利影響。⑧盡量減輕結構自重，減少地基土壓力，從而降低向建筑物傳輸的地震力。

4.2.高層建筑結構概念設計

高層建筑結構概念設計中以下幾個問題值得重視：①正確認識高層建筑的受力特點，選擇合理的結構類型。高層建筑的受力特點不同于低層建筑。高層建筑從本質上講是一個豎向懸臂結構，水平荷載的影響要遠遠大于垂直荷載的影響，水平荷載是結構設計的控制因素。結構抵抗水平荷載產生的彎矩、剪力以及拉應力和壓應力應有足夠的強度和剛度，使隨著高度增加所引起的側向變形限制在結構允許范圍內。根據高層建筑的受力特點，選擇切實可行的結構類型是非常必要的。②正確選擇合理的結構體系。由于高層建筑中抗水平力成為設計的主要矛盾，因此采用何種抗側力結構是結構設計的關鍵性問題。選擇高層建筑結構抗側力體系通常需要考慮的兩個主要原因是建筑物的高度和使用功能。③選擇合理的結構布置。結構布置的合理與否很大程度影響著建筑的使用、結構的經濟性和施工的合理性。結構布置不當，常常造成薄弱環節，引起震害。在結構布置時，應加強結構的整體性及剛度，加強構件的連接，加強結構的薄弱部位和應力復雜部位的強度。④提高結構的抗震性能。由于高層建筑的受力特點不同于低層建筑，因此在地震區進行高層建筑結構設計時，除應保證結構具有足夠的強度和剛度外，還應具有良好的抗震性能，結構必須具有一定的塑性變形能力來吸收地震所產生的能量，減弱地震破壞的影響。

4.3.基礎中的概念設計

地基土的不確定性很強，至今還沒有哪個模型能夠對其作精確的描述。因此，在基礎的設計中，更需要根據基本理論知識及豐富的實踐經驗，分析、預見可能出現的各種問題，從而找到最合理的處理方案。因此，概念設計在基礎設計中的作用尤為重要。建筑結構設計常規的方法是將上部結構、基礎作為彼此獨立、離散的結構單元進行力學分析。實踐表明，這種常規法計算得到的基底應力和基礎沉降量往往與實測值相差甚遠。事實上，基礎問題的解決不宜單純只著眼于基礎。在上部結構設計過程中，應該注意由于地基沉降變形差異而引起的上部結構次應力、開裂等不良現象。所以應該把基礎和上部結構視為一個統一的整體，從二者相互作用的概念出發來考慮基礎方案。當然，整體的相互作用分析相當復雜，合理的方法應該從二者之間滿足靜力平衡和變形協調兩個條件出發進行分析。設計人員除了具各土力學、地基基礎的基本理論知識外，還應該掌握基礎與上部結構相互作用的基本概念、原理，了解基礎剛度變化對上部結構內力的影響、上部結構對基礎變形的約束作用，以及采用不同地基計算模型可能在基礎和上部結構中產生的差異。這樣，在基礎選型、布置以及地基模型、參數的選取時，才能夠從共同作用的角度加以考慮，力求設計出最為經濟、合理的基礎方案。

5.結語。綜上所述，概念設計是綜合性強、應用靈活廣泛的工作，需要結構工程師發揮主觀能動性，在應用規范及工程力學知識和原理的基礎上，根據個人對結構及其受力狀態的理解，通過對自己積累的設計經驗的完美運用，熟練、準確地掌握和應用概念設計，做出經濟、合理、安全的結構設計，在嚴謹的規范、機械的計算程序以及受力狀態多變的結構三者之間做到游刃有余，是每個結構工程師追求的目標，也是概念設計的藝術性之所在。

[1]李侃.論概念設計在建筑結構設計中的重要性.《現代企業文化.理論版》.

[2]徐正加.淺析概念設計建筑結構設計中的意義及應用.《大眾商務》.2010年08期.