概念設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探討

摘 要：通過(guò)歷年來(lái)國(guó)內(nèi)外無(wú)數(shù)震害事故分析，模擬實(shí)驗(yàn)的定量定性分析和國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)期的設(shè)計(jì)和使用經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行分析、歸納、總結(jié)，最后得出的概念設(shè)計(jì)。而這些原則、規(guī)定與方法往往是基礎(chǔ)性、整體性、全局性和關(guān)鍵性的。本文主要探討概念設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：概念設(shè)計(jì) 建筑結(jié)構(gòu) 安全

中圖分類號(hào)：TU3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）11（a）-0041-01

建筑抗震設(shè)計(jì)一般包括三個(gè)層次的內(nèi)容與要求：（1）概念設(shè)計(jì)是根據(jù)人們?cè)趯W(xué)習(xí)和實(shí)踐中所建立的正確概念，運(yùn)用人的思維和判斷力，正確和全面地把握結(jié)構(gòu)的整體性能，即根據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)品性（承載能力、變形能力、耗能能力等）的正確把握，合理地確定結(jié)構(gòu)的總體布置與細(xì)部構(gòu)造。（2）抗震計(jì)算是對(duì)地震作用進(jìn)行定量分析，確定工程結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的地震效應(yīng)，再將地震效應(yīng)與其他荷載組合驗(yàn)算結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的強(qiáng)度與變形。（3）抗震構(gòu)造措施是指采用滿足計(jì)算以外的措施，以保證結(jié)構(gòu)整體性、加強(qiáng)局部薄弱環(huán)節(jié)等，保證抗震計(jì)算結(jié)果的有效性。

1 結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的意義

強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的重要性，旨在要求建筑師和結(jié)構(gòu)工程師在建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)特別重視規(guī)范、規(guī)程中有關(guān)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的各條規(guī)定，設(shè)計(jì)中不能陷入只憑計(jì)算的誤區(qū)。若結(jié)構(gòu)嚴(yán)重不規(guī)則、整體性差，則僅按目前的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算水平，難以保證結(jié)構(gòu)的抗震、抗風(fēng)性能，尤其是抗震性能。高層建筑設(shè)計(jì)尤其是在高層建筑抗震設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)非常重視概念設(shè)計(jì)。這是由于高層建筑結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，發(fā)生地震時(shí)地震動(dòng)的不確定性，人們對(duì)地震時(shí)結(jié)構(gòu)響應(yīng)認(rèn)識(shí)的局限性與模糊性，高層結(jié)構(gòu)計(jì)算尤其是抗震分析計(jì)算的精確性，材料性能與施工安裝時(shí)的變異性以及其它不可預(yù)測(cè)的因素，致使設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果（尤其是經(jīng)過(guò)實(shí)用簡(jiǎn)化后的計(jì)算結(jié)果）可能和實(shí)際相差較大，甚至有些作用效應(yīng)至今尚無(wú)法定量計(jì)算出來(lái)。

2 結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的原則

2.1 優(yōu)化選型原則

結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)歸根到底是確定主體結(jié)構(gòu)體系及其聯(lián)系。它要考慮兩個(gè)方面，用比較方法進(jìn)行優(yōu)化選擇：（1）優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系。前提是掌握各類基本構(gòu)件的特征（如與受力相關(guān)的幾何特征，與變形相關(guān)的剛性特征等），根據(jù)環(huán)境、使用、建筑和荷載實(shí)況優(yōu)化選擇合用的基本構(gòu)件，確定它們間的聯(lián)系，形成基本結(jié)構(gòu)單元和它的支承做法（如框架結(jié)構(gòu)，筒體結(jié)構(gòu)等）；再將基本結(jié)構(gòu)單元通過(guò)線型、平面、疊合、交叉等集合形式構(gòu)成主要結(jié)構(gòu)體系。（2）優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置。在滿足使用要求和建筑意向前提下優(yōu)化布置樓屋蓋水平系統(tǒng)、柱墻豎向支承系統(tǒng)和基礎(chǔ)系統(tǒng)。這時(shí)除比較各種布置的承載能力、豎向和側(cè)向變形、支承做法、地質(zhì)條件等結(jié)構(gòu)問(wèn)題的合理性、優(yōu)越性外，重要的原則是平立面宜規(guī)則、對(duì)稱，具有良好的整體性，豎向剖面除規(guī)整外側(cè)向剛度宜均勻變化，自下而上逐漸減小，避免突變。

2.2 空間作用原則

建筑物本來(lái)是一個(gè)空間結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)時(shí)，考慮建筑物內(nèi)各部分結(jié)構(gòu)的空間作用，實(shí)際上是還原到它本來(lái)的結(jié)構(gòu)面貌。當(dāng)然，如果這時(shí)更能有意識(shí)地利用構(gòu)成構(gòu)件間的空間關(guān)系，往往還會(huì)給所設(shè)計(jì)的建筑結(jié)構(gòu)帶來(lái)更大剛度、減小內(nèi)力、受力效能好等方面的優(yōu)點(diǎn)。

2.3 合理受力原則

結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)時(shí)，要經(jīng)常運(yùn)用力學(xué)原理來(lái)處理結(jié)構(gòu)構(gòu)件的一般受力分析問(wèn)題。以下幾個(gè)方面往往應(yīng)給予注意：（1）從受力和變形看，均勻受力比集中受力好，多跨連續(xù)比單跨簡(jiǎn)支好，空間作用比平面作用好，剛性連接比鉸接好，超靜定的受力體系比靜定的受力體系好，另外，傳力簡(jiǎn)捷比傳力曲折好，要避免不明確的受力狀態(tài)。（2）從受力和變形的分析看，要盡可能利用結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性、剛度的相對(duì)性、變形的連續(xù)性和協(xié)調(diào)性；既要分析各部分構(gòu)件的直接受力狀態(tài)，也要分析整體結(jié)構(gòu)的宏觀受力狀態(tài)；要抓住主要的受力狀況和它所發(fā)生的變形，忽略次要的受力狀況和它的相應(yīng)變形。

2.4 減輕自重原則

在使用道路的過(guò)程中，荷載車輛反復(fù)對(duì)道路作用，促使路面發(fā)生壓縮彎曲，而且瀝青混凝土路面，因?yàn)樽陨聿牧系恼硰椞匦圆粌H容易發(fā)生彈性形變，并且根據(jù)荷載作用時(shí)間長(zhǎng)短發(fā)生滯后彈性變形以及不可塑性變形。在反復(fù)增加和減少荷載過(guò)程中，在不超過(guò)限定壓力情況下，減小不可恢復(fù)變形，增加彈性變形，通過(guò)加強(qiáng)路面密實(shí)度而強(qiáng)化路面，如果單位壓力過(guò)大，超過(guò)限度時(shí)就會(huì)產(chǎn)生不可恢復(fù)的巨大塑性變形，反復(fù)荷載作用下，路面的縱向形變積累，進(jìn)而漸漸發(fā)生豎向帶狀凹槽，就是車轍。車轍會(huì)極大的影響車輛運(yùn)行，使道路的破壞程度加快，并且會(huì)使道路的使用質(zhì)量和服務(wù)水平受嚴(yán)重影響。所以要通過(guò)使用的措施進(jìn)行維修，來(lái)確保車輛在道路上的正常運(yùn)行。

3 概念設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用——建筑抗震的概念設(shè)計(jì)

概念設(shè)計(jì)要考慮以下因素：場(chǎng)地條件和場(chǎng)地土的穩(wěn)定性；抗震結(jié)構(gòu)體系的選取、抗側(cè)力構(gòu)件的布置；建筑平、立面布置及外形尺寸的確定；非結(jié)構(gòu)構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)的連接等。

3.1 場(chǎng)地和地基的選擇

歷史震害資料表明，建筑場(chǎng)地的地質(zhì)、地形、地貌對(duì)建筑物震害有顯著影響。因此，在抗震設(shè)計(jì)中，首先要注意場(chǎng)地的選擇。地基和基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)宜符合下列要求：（1）同一結(jié)構(gòu)單元的基礎(chǔ)不宜設(shè)置在性質(zhì)截然不同的地基上。（2）同一結(jié)構(gòu)單元不宜部分采用天然地基部分采用樁基。（3）地基為軟弱粘性土、液化土、新近填土或嚴(yán)重不均勻土?xí)r，應(yīng)估計(jì)地震時(shí)地基不均勻沉降或其他不利影響，并采取相應(yīng)的措施。

3.2 選擇合理的建筑體型

建筑設(shè)計(jì)及其抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的平面布置宜規(guī)則、對(duì)稱，盡量使結(jié)構(gòu)剛度中心與質(zhì)量中心相一致，并應(yīng)具有良好的整體性，以利于減輕結(jié)構(gòu)的地震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)及應(yīng)力集中現(xiàn)象。建筑的立面和豎向剖面宜規(guī)則，結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度宜變化均勻，豎向抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸和材料強(qiáng)度宜自下而上逐漸遞減，避免抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和承載力突變產(chǎn)生薄弱層，造成應(yīng)力集中。按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求進(jìn)行水平地震作用計(jì)算和內(nèi)力調(diào)整，并對(duì)薄弱部位采取有效的抗震措施。對(duì)體型復(fù)雜、平立面特別不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)，可按實(shí)際需要在適當(dāng)部位設(shè)置防震縫，形成多個(gè)較規(guī)則的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)單元。防震縫應(yīng)根據(jù)抗震設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)材料種類、結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)單元的高度和高差情況，留有足夠的寬度，其兩側(cè)的上部結(jié)構(gòu)應(yīng)完全分開。

3.3 抗震結(jié)構(gòu)體系的選擇

基坑開挖后，就可以在基坑內(nèi)進(jìn)行基礎(chǔ)的施工。我國(guó)改革開放后，國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速增長(zhǎng)，全國(guó)工程建設(shè)亦突飛猛進(jìn)，高層建筑如雨后春筍般迅速發(fā)展，在高層建筑所受的荷載中，起控制作用的不是豎向荷載，而是水平荷載，也就是地震作用和風(fēng)荷載，修建高層建筑必須保證其在水平荷載作用下的強(qiáng)度與穩(wěn)定性，因此要求基礎(chǔ)必須埋入地面一定深度，以滿足嵌固要求。利用這一在地面以下的埋置深度，我們可建成地下室，用作蓄水池，配電房，車庫(kù)等用途。建筑高度越高，其埋置深度也就越深，對(duì)基坑工程的要求也越高。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人們對(duì)建筑物功能要求改變，又隨著科技的進(jìn)步而得以實(shí)現(xiàn)和解決。以上所提到的幾個(gè)問(wèn)題是設(shè)計(jì)人員在工程設(shè)計(jì)中較易出差的地方，對(duì)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)要把提高設(shè)計(jì)質(zhì)量作為終身奮斗的目標(biāo)，為祖國(guó)貢獻(xiàn)自己的力量。

參考文獻(xiàn)

[1]郭海燕，戴素娟，王子輝.建筑結(jié)構(gòu)抗震[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2010.