淺議概念設(shè)計在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

【摘 要】針對傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計缺少創(chuàng)新，無法與建筑、設(shè)備、施工等完美整合的缺陷，本文探討了概念設(shè)計的優(yōu)點、方法以及在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用，論述了概念設(shè)計適應(yīng)目前建筑工程日趨復(fù)雜、不確定因素多的優(yōu)勢所在。

【關(guān)鍵詞】概念設(shè)計；建筑結(jié)構(gòu)；應(yīng)用

傳統(tǒng)上，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計是從考慮結(jié)構(gòu)方案開始，需要經(jīng)歷體系、布置、計算、構(gòu)造到施工圖這樣一個過程，設(shè)計主要依據(jù)各種建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，結(jié)合一些理論分析，基本上是按部就班、沒有太多創(chuàng)新實踐的流程性的活動，這樣的方式難以實現(xiàn)建筑功能、結(jié)構(gòu)、美觀及建造的完美統(tǒng)一[1]。結(jié)構(gòu)概念設(shè)計，在項目規(guī)劃設(shè)計階段就參與其中，通過宏觀的把握，運用結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論和比較現(xiàn)有結(jié)構(gòu)設(shè)計的實踐成果，從建筑規(guī)劃的意圖、功能、材料、施工、造價等方面的綜合理解出發(fā)，進行概念性的分析、估算、評價和選擇，從而實現(xiàn)“多快好省”的設(shè)計目標。概念設(shè)計為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計開創(chuàng)了新的設(shè)計空間，可以更好地適應(yīng)當今建筑工程日趨復(fù)雜、不確定因素多的現(xiàn)實需求。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員應(yīng)當熟悉并用好概念設(shè)計方法，以達到更加合理、可靠、經(jīng)濟的設(shè)計目標。

1、建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計方法

1.1 概念設(shè)計過程

概念設(shè)計過程，是經(jīng)過分析-綜合-評價三個階段的不斷循環(huán)改進和提高而實現(xiàn)的，如圖1所示。分析即通過對問題的剖析，加深對問題的理解。由于信息不太清晰，數(shù)據(jù)也不夠完整，可供設(shè)計人員使用的是一些相對準確的描述性的概念。綜合過程就是產(chǎn)生方案的過程。在此過程中，通過運用結(jié)構(gòu)設(shè)計理論和工程經(jīng)驗，將方案以圖形表達出來，而實現(xiàn)這一過程需要創(chuàng)造性的思維方式，甚至是設(shè)計的靈感。評價即經(jīng)過判斷和比較選擇最佳方案。設(shè)計人員通過分析模型，并進行數(shù)據(jù)計算等方式，對各種方案進行比較，從而選擇經(jīng)濟合理、技術(shù)可行的方案。由于方案不會一次就令人滿意，需要經(jīng)過多次的循環(huán)改進，直至令各方滿意為止[2]。

1.2 概念設(shè)計原則

（1）全面分析、注重協(xié)調(diào)

全面分析就是既要考慮整體要求，也要顧及局部需求。先從整體入手，在通盤考慮建筑、結(jié)構(gòu)、施工三維關(guān)系的基礎(chǔ)上，思考建筑功能、技術(shù)、經(jīng)濟之間的特點和關(guān)聯(lián)。根據(jù)建筑場地條件，確定主要分體系的結(jié)構(gòu)形式、基礎(chǔ)選型，進而確定構(gòu)件類型及其連接關(guān)系。再從結(jié)構(gòu)的使用要求、安全性能、耐久性和整體穩(wěn)定性上進行調(diào)整。解決了三維構(gòu)思的問題，就要考慮豎向分體系（即基礎(chǔ)、柱、墻）和水平分體系（板、梁）之間的二維關(guān)系。最后就是進行一維施工圖設(shè)計[3]。

功能協(xié)調(diào)就是充分考慮建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備、施工之間的協(xié)調(diào)。建筑與結(jié)構(gòu)之間要考慮建筑的使用與結(jié)構(gòu)的配置、建筑的分區(qū)與結(jié)構(gòu)的分段之間的功能協(xié)調(diào)；結(jié)構(gòu)與設(shè)備之間應(yīng)思考結(jié)構(gòu)布局與設(shè)備布置、結(jié)構(gòu)構(gòu)造與設(shè)備安排之間的功能協(xié)調(diào)；結(jié)構(gòu)與施工之間需設(shè)想結(jié)構(gòu)構(gòu)件與施工可行性、局部構(gòu)件與施工便利性、構(gòu)件受力狀態(tài)與施工做法之間的功能協(xié)調(diào)。

（2）因地制宜、精益求精

因地制宜就是設(shè)計方案要針對當?shù)氐膶嶋H情況，如了解氣象、水文、地質(zhì)等自然條件；考察民情、民俗、傳統(tǒng)文化背景等社會環(huán)境；研究當?shù)刭Y源、設(shè)備供應(yīng)、施工技術(shù)等施工所具備的能力。

精益求精就是設(shè)計方案要能夠做到優(yōu)中選優(yōu)。不僅從“面”上考慮，還要顧及到“點”和“線”；既要思考縱向體系，也要分析水平體系；不僅能分析問題，還要會提出問題；采用方法上，既要有理論定性分析，也需做模擬試驗來判斷；評價上，除了評價能否的問題，還要知道可否、值否，更要會分析應(yīng)否。

（3）減輕自重、合理受力

努力減輕建筑自重，應(yīng)成為結(jié)構(gòu)設(shè)計人員不懈追求的目標和進行概念設(shè)計的原則。減輕自重的好處包括降低荷載、減小地震作用效應(yīng)、節(jié)省成本、提高施工速度、節(jié)約資源等。減輕自重的方法是積極采用高強材料、新型材料；結(jié)構(gòu)布置上更加合理；采用有效減輕自重的結(jié)構(gòu)體系和高效結(jié)構(gòu)型式，如預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架網(wǎng)殼體系、空間桁架等。

合理受力是要求結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力均勻、傳力簡捷和清晰。因此，應(yīng)利用結(jié)構(gòu)的對稱性、剛度的相對性以及變形的連續(xù)性和協(xié)同性，充分考慮受力的合理性。對于協(xié)調(diào)受力的構(gòu)件，應(yīng)將其作為整體來看待，如進行基礎(chǔ)設(shè)計時要將地基、基礎(chǔ)、上部結(jié)構(gòu)視為整體，并利用等帶剛度法考慮上部結(jié)構(gòu)對基礎(chǔ)的影響。

（4）空間作用、優(yōu)化選型。

在進行建筑結(jié)構(gòu)計算時，出于分析和計算的方便，而將建筑分解成平面狀態(tài)進行分析，而實際上建筑物是空間結(jié)構(gòu)，因此進行概念設(shè)計時就應(yīng)該考慮建筑空間作用，例如考慮板與梁的相互作用、剪力墻體系與框架體系的相互作用等。

優(yōu)化選型主要是優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系、優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置及構(gòu)造合理化等原則。優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系，即根據(jù)建筑、使用、環(huán)境和荷載優(yōu)化選用合適的構(gòu)件，再構(gòu)成體系；優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置，是在滿足使用要求前提下，合理布置縱向體系、水平體系和基礎(chǔ)系統(tǒng)；構(gòu)造合理化是構(gòu)造的理論要求應(yīng)與實際構(gòu)造做法保持一致等。

2、概念設(shè)計在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

2.1 在抗震設(shè)計中的應(yīng)用

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，主要關(guān)心提高結(jié)構(gòu)抗力 ，以至于陷入混凝土強度等級越用越高，配筋量越用越多，結(jié)構(gòu)自重越來越大，造價越來越高的誤區(qū)。結(jié)果造成到處都是肥梁、胖柱、深基礎(chǔ)的怪現(xiàn)象。具體到抗震設(shè)計方面，初定尺寸、混凝土強度等級 結(jié)構(gòu)強度 地震力 配筋率。為了抵御地震作用去配筋，必然增加結(jié)構(gòu)剛度，整體剛度增加又必然導(dǎo)致地震作用效應(yīng)增強[3]。

采用概念設(shè)計的思想，可以有效克服這種困境。譬如采用隔振消能的做法，在基礎(chǔ)與主體結(jié)構(gòu)之間加設(shè)柔性的隔震層、隔震器，或者在建筑頂部安裝“反擺”裝置等，通過增加阻尼，降低加速度，減小地震作用效應(yīng)，提高建筑的安全性，實現(xiàn)“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震目標。圖2是減震器的例子。

2.2 在基礎(chǔ)設(shè)計中的應(yīng)用

基礎(chǔ)將上層結(jié)構(gòu)的荷載傳給地基，建筑的結(jié)構(gòu)和地基的承載力決定了基礎(chǔ)的型式。常用的基礎(chǔ)有獨立基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)、箱形基礎(chǔ)和筏形基礎(chǔ)等型式。在決定采用何種基礎(chǔ)型式時，應(yīng)根據(jù)建筑場地的地質(zhì)勘察報告、地震設(shè)防烈度、荷載特點等綜合之后選擇。當?shù)鼗^軟、建筑層數(shù)較多、負荷較大而天然地基承載不足時，應(yīng)考慮采用樁基礎(chǔ)，將負荷傳至下部的持力層。高層建筑常采用箱形基礎(chǔ)，由于該型式基礎(chǔ)可將上部荷載均勻傳給地基，可有效改善基礎(chǔ)的不均勻沉降問題。筏形基礎(chǔ)整體性好、剛度大，適