闡述高層建筑結構概念設計

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摘要：概念設計在我們結構設計中發揮著巨大的作用，無論是從經濟角度來考慮還是安全使用角度考慮，它都是值得結構設計人員去學習去借鑒的。同時概念設計的內容也較為復雜，綜合性強，需要設計人員從多方面角度去理解結構整體的受力狀態，通過不斷的積累結構設計經驗，不斷的進行設計創新，從而做出外形美觀，經濟適用，安全耐久的結構設計。

關鍵詞：高層建筑結構；概念設計；設計思想

1.概念設計的重要性

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。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，導致他們在大學所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。

2.做好概念設計因思考的問題

2.1結構方案要根據建筑使用功能、房屋高度、地理環境、施工技術條件和材料供應情況、有無抗震設防，選擇合理的結構類型。

2.2分析結構破壞的機制和過程，以加強結構的關鍵部位和薄弱環節。

2.3分析豎向荷載、風荷載及地震作用對不同結構體系的受力特點及傳遞途徑。2.4注意非結構構件對主體結構抗震產生的有力和不利影響，協調布置，并保證與主體結構連接構造的可靠性。

2.5承載力和剛度在平面內及沿高度盡量均勻分布，避免突變和應力集中，有利于防止薄弱的子結構過早破壞、倒塌，使地震作用能在各子結構之間重分布，充分發揮整個結構耗散地震能量的作用。

2.6抗震房屋應設計成具有高延性的耗能結構，并具有多道防線。

2.7預估和控制各類結構及構件塑性鉸區可能出現的部位和范圍。

2.8掌握各類結構材料的特性及其受溫度變化的影響。

3.建筑結構概念設計應從以下方面進行

3.1結構選型布置的概念設計

（1）結構平面布置剛度宜均勻，減少扭轉。高層建筑的平面布置宜簡單，規則，盡量減少突出、凹進等復雜平面。更重要的是結構平面布置時要盡可能剛度均勻，即結構的剛心與質心盡量接近，減少地震作用下的扭轉，扭轉對結構的危害很大。減少結構的扭轉，一是減少地震作用引起的扭轉，二是增加結構抵抗扭轉的能力。平面剛度布置均勻，可減少地震作用下的扭轉。而影響平面剛度均勻的主要因素是剪力墻的布置。剪力墻集中布置在結構平面的一端或一側是不好的。大剛度抗側力單元偏置的結構在地震作用下扭轉大，而對稱布置剪力墻、井筒有利于減少扭轉。周邊布置剪力墻，或周邊布置剛度很大的框筒等，都是增加結構抗扭剛度的重要措施，有利于抵抗扭轉。為了減少地震作用下的扭轉，還要注意平面上質量分布，質量偏心會引起扭轉，質量集中在周邊會加大扭轉。

（2）結構豎向剛度宜均勻，避免薄弱層，減少鞭梢效應。結構宜做成上下等寬或由下向上向心逐漸減小的體型，更重要的是結構的抗側剛度應當沿高度均勻分布，或沿高度向心逐漸減小。各層剪力墻的布置是影響結構豎向剛度是否均勻的主要因素。框支剪力墻結構是典型的結構豎向剛度有突變的結構，框支層的變形大，為薄弱層，容易發生地震震害。故在結構設計時，不允許將全部或大部分剪力墻設計成框支，必須有一走數量的落地剪力墻，將框支剪力墻轉換層以上的剪力較均勻的轉移到落地剪力墻，從而避免軟弱層引起的震害。

3.2構造做法的概念設計

預先估計和分析結構的薄弱部位、破壞形態，調整承載力以加強或削弱某些部位有意識設置構造措施。使結構的構造做法和建筑構造要求相一致，結構的理論構造要求和施工的實際構造做法保持一致。

3.3基礎的概念設計

在建筑中基礎不但會和地基有影響，同時還和其上的構造有一定的關聯，除了在物體的外邊發生較為嚴重的荷載時，其他情況下其形變都是呈現出中間多，外圍小的特征。在進行地質條件選型中，首先地基地質要好，或采用樁基。要求地基沉降量不能過大，重要的是控制高低層的沉降差，天然地基的建筑，高層部分一般采用滿堂紅基礎，低層部分采用雙向條形或單獨基礎，高層建筑常設有通往地下車庫的通道，通道緊貼高層的外壁，并平行于外壁，作為車道的底板，便于鋪防水層，也保證了高層建筑的整體連接。根據不同建筑的地理位置結構形式可選擇樁基礎、箱形基礎和筏形基礎。樁基礎，當地基土質較軟弱，建筑物層數較多，荷載較大的情況下，天然地基不能滿足地基承載力的要求可以采用樁基將上部結構荷載直接傳到下部堅實的持力層，高層建筑的樁基礎可采用預制鋼筋混凝土樁，混凝土灌注樁和鋼管樁。箱形基礎，箱開基礎在高層建筑中廣泛應用，它整體剛度好，能將上部結構的荷載均勻地傳給基礎，對上部結構能良好地嵌固，箱基有效地抵抗不均勻沉降，并與周圍土體協同工作，提高建筑物的抗震和抗風能力。筏形基礎，筏形基礎適用于上部結構荷載較大，地基承載力較低的工程，筏形基礎整體較好，剛度大，能有效地分散上部結構的荷載，調整基底的壓力和不均勻沉降。在建造下部基層時，基礎鋼筋應力不斷增長，建筑到四五層時鋼筋應力達到最高值，以后隨層數和荷載的增加應力又逐漸減小，這種現象是基礎和上部結構協同作用的結果，當上部結構高低層數差別很大，但地下室有直通要求時，應做成整體基礎，高低層不分開是有條件的。

4.概念設計的目標

4.1設計的創新性。結構設計人員對于建筑結構設計常采用的設計方法是通過查找手冊、以及結合計算機程序等方式進行，這一切都是缺少創新性。而概念設計則是要求結構設計師應充分結合設計實踐經驗以及理論知識，采取一系列的合理想象及創新進行規劃，得出具有合理性以及一定創新性的結構設計。

4.2優化設計結果。基于概念設計的結構設計其包含分析、綜合以及評估三步。分析階段主要是對問題進行全方位的了解，因為存在分析數據不完整與不準確的特點，此階段具有一定的模糊性質，綜合階段則是要求工程師將理論知識和實際情況，通過結合設計師的想象力以及創新意識從而實現工程設計規劃。最后評估階段是最優方案的選擇過程。這種優選方案不僅可以有效地防止了結構后期出現的繁瑣計算，更重要的是體現了方案的可靠性與經濟性。

4.3提升工程師設計能力。概念設計其是在正確理念和原則的指引下，允許工程師在設計中進行一定程度的發揮，因此避免了結構設計人員一味采用傳統方法設計，這方便于結構師從根源查找問題，從而使計算結果更為準確。因此，概念設計無論在理論知識、方式還是思想以及手段等方面都為建筑結構提供了科學有效的技術平臺。

5.結語

高層建筑結構設計，是一個長期、復雜、甚至循環往復的過程，任何在這過程中的遺漏或錯誤，都有可能使整個結構設計過程變得更加復雜或使結構設計結果存在不安全的因素。這就要求結構設計人員既要有扎實的理論功底，又要有豐富的工程經驗，并且結合概念設計，這樣設計出來的建筑物才能達到既安全、可靠，又經濟、合理。

參考文獻：

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[2]方鄂華.高層建筑鋼筋混凝土結構概念設計[M].北京：機械工業出版社，2012.