概念設計在建筑結構設計中的應用探討

摘 要：通過歷年來國內外無數震害事故分析，模擬實驗的定量定性分析和國內外長期的設計和使用經驗，進行分析、歸納、總結，最后得出的概念設計。而這些原則、規定與方法往往是基礎性、整體性、全局性和關鍵性的。本文主要探討概念設計在建筑結構設計中的應用。

關鍵詞：概念設計 建筑結構 安全

中圖分類號：TU3 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）11（a）-0041-01

建筑抗震設計一般包括三個層次的內容與要求：（1）概念設計是根據人們在學習和實踐中所建立的正確概念，運用人的思維和判斷力，正確和全面地把握結構的整體性能，即根據對結構品性（承載能力、變形能力、耗能能力等）的正確把握，合理地確定結構的總體布置與細部構造。（2）抗震計算是對地震作用進行定量分析，確定工程結構及構件的地震效應，再將地震效應與其他荷載組合驗算結構及構件的強度與變形。（3）抗震構造措施是指采用滿足計算以外的措施，以保證結構整體性、加強局部薄弱環節等，保證抗震計算結果的有效性。

1 結構概念設計的意義

強調結構概念設計的重要性，旨在要求建筑師和結構工程師在建筑設計中應特別重視規范、規程中有關結構概念設計的各條規定，設計中不能陷入只憑計算的誤區。若結構嚴重不規則、整體性差，則僅按目前的結構設計計算水平，難以保證結構的抗震、抗風性能，尤其是抗震性能。高層建筑設計尤其是在高層建筑抗震設計中，應當非常重視概念設計。這是由于高層建筑結構的復雜性，發生地震時地震動的不確定性，人們對地震時結構響應認識的局限性與模糊性，高層結構計算尤其是抗震分析計算的精確性，材料性能與施工安裝時的變異性以及其它不可預測的因素，致使設計計算結果（尤其是經過實用簡化后的計算結果）可能和實際相差較大，甚至有些作用效應至今尚無法定量計算出來。

2 結構概念設計的原則

2.1 優化選型原則

結構概念設計歸根到底是確定主體結構體系及其聯系。它要考慮兩個方面，用比較方法進行優化選擇：（1）優化結構體系。前提是掌握各類基本構件的特征（如與受力相關的幾何特征，與變形相關的剛性特征等），根據環境、使用、建筑和荷載實況優化選擇合用的基本構件，確定它們間的聯系，形成基本結構單元和它的支承做法（如框架結構，筒體結構等）；再將基本結構單元通過線型、平面、疊合、交叉等集合形式構成主要結構體系。（2）優化結構布置。在滿足使用要求和建筑意向前提下優化布置樓屋蓋水平系統、柱墻豎向支承系統和基礎系統。這時除比較各種布置的承載能力、豎向和側向變形、支承做法、地質條件等結構問題的合理性、優越性外，重要的原則是平立面宜規則、對稱，具有良好的整體性，豎向剖面除規整外側向剛度宜均勻變化，自下而上逐漸減小，避免突變。

2.2 空間作用原則

建筑物本來是一個空間結構。在結構概念設計時，考慮建筑物內各部分結構的空間作用，實際上是還原到它本來的結構面貌。當然，如果這時更能有意識地利用構成構件間的空間關系，往往還會給所設計的建筑結構帶來更大剛度、減小內力、受力效能好等方面的優點。

2.3 合理受力原則

結構概念設計時，要經常運用力學原理來處理結構構件的一般受力分析問題。以下幾個方面往往應給予注意：（1）從受力和變形看，均勻受力比集中受力好，多跨連續比單跨簡支好，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，傳力簡捷比傳力曲折好，要避免不明確的受力狀態。（2）從受力和變形的分析看，要盡可能利用結構的對稱性、剛度的相對性、變形的連續性和協調性；既要分析各部分構件的直接受力狀態，也要分析整體結構的宏觀受力狀態；要抓住主要的受力狀況和它所發生的變形，忽略次要的受力狀況和它的相應變形。

2.4 減輕自重原則

在使用道路的過程中，荷載車輛反復對道路作用，促使路面發生壓縮彎曲，而且瀝青混凝土路面，因為自身材料的粘彈特性不僅容易發生彈性形變，并且根據荷載作用時間長短發生滯后彈性變形以及不可塑性變形。在反復增加和減少荷載過程中，在不超過限定壓力情況下，減小不可恢復變形，增加彈性變形，通過加強路面密實度而強化路面，如果單位壓力過大，超過限度時就會產生不可恢復的巨大塑性變形，反復荷載作用下，路面的縱向形變積累，進而漸漸發生豎向帶狀凹槽，就是車轍。車轍會極大的影響車輛運行，使道路的破壞程度加快，并且會使道路的使用質量和服務水平受嚴重影響。所以要通過使用的措施進行維修，來確保車輛在道路上的正常運行。

3 概念設計在建筑結構設計中的應用——建筑抗震的概念設計

概念設計要考慮以下因素：場地條件和場地土的穩定性；抗震結構體系的選取、抗側力構件的布置；建筑平、立面布置及外形尺寸的確定；非結構構件與主體結構的連接等。

3.1 場地和地基的選擇

歷史震害資料表明，建筑場地的地質、地形、地貌對建筑物震害有顯著影響。因此，在抗震設計中，首先要注意場地的選擇。地基和基礎的設計宜符合下列要求：（1）同一結構單元的基礎不宜設置在性質截然不同的地基上。（2）同一結構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、新近填土或嚴重不均勻土時，應估計地震時地基不均勻沉降或其他不利影響，并采取相應的措施。

3.2 選擇合理的建筑體型

建筑設計及其抗側力結構的平面布置宜規則、對稱，盡量使結構剛度中心與質量中心相一致，并應具有良好的整體性，以利于減輕結構的地震扭轉效應及應力集中現象。建筑的立面和豎向剖面宜規則，結構側向剛度宜變化均勻，豎向抗側力構件的截面尺寸和材料強度宜自下而上逐漸遞減，避免抗側力結構的側向剛度和承載力突變產生薄弱層，造成應力集中。按《建筑抗震設計規范》的要求進行水平地震作用計算和內力調整，并對薄弱部位采取有效的抗震措施。對體型復雜、平立面特別不規則的建筑結構，可按實際需要在適當部位設置防震縫，形成多個較規則的抗側力結構單元。防震縫應根據抗震設防烈度、結構材料種類、結構類型、結構單元的高度和高差情況，留有足夠的寬度，其兩側的上部結構應完全分開。

3.3 抗震結構體系的選擇

基坑開挖后，就可以在基坑內進行基礎的施工。我國改革開放后，國民經濟持續高速增長，全國工程建設亦突飛猛進，高層建筑如雨后春筍般迅速發展，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荷載，修建高層建筑必須保證其在水平荷載作用下的強度與穩定性，因此要求基礎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，車庫等用途。建筑高度越高，其埋置深度也就越深，對基坑工程的要求也越高。

4 結語

結構設計是隨著經濟發展及人們對建筑物功能要求改變，又隨著科技的進步而得以實現和解決。以上所提到的幾個問題是設計人員在工程設計中較易出差的地方，對設計者來說要把提高設計質量作為終身奮斗的目標，為祖國貢獻自己的力量。

參考文獻

[1]郭海燕，戴素娟，王子輝.建筑結構抗震[M].機械工業出版社，2010.