淺析概念設計在高層建筑結構優化設計中的應用

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摘要：隨著我國建筑行業的發展、城市化進程的加快，高層建筑越來越多，人們對高層建筑的質量也提出了新的要求，結構優化設計是提高高層建筑質量的有效途徑。本文通過分析概念設計在高層建筑結構設計中的具體應用，為提高高層建筑的質量提供一定的參考意見。

關鍵詞：概念設計；高層建筑；優化設計

眾所周知，建筑行業是我國國民經濟的支柱型行業，在土地資源日益緊張的今天，建筑開始向著高層方向發展，因此，人們的日常生活和國民經濟的發展與高層建筑的結構設計質量有著千絲萬縷般的聯系，需要我們建筑設計師根據相關的規定標準，采用先進的科學技術，合理分析工程的實際情況，設計出科學有效的高層建筑結構設計方案，最大程度地優化高層建筑結構。一般而言，在對高層建筑進行結構優化設計時，會較多的采用概念分析，因此需要我們對概念設計在高層建筑結構優化設計中的應用足夠的重視[1]。本文通過淺析概念設計，并以具體的某工程為例，進行簡要分析概念設計是如何在高層建筑結構優化設計中應用的。

一、淺析概念設計

建筑工程的概念設計是指在建筑工程施工開始之前的一個初步設計，是建筑設計師總結已往的設計經驗，并且與建筑的設計理論和具體的工程特征相結合，合理有效地用最科學的方式對建筑結構進行設計，使建筑結構達到最好的結構布置效果。隨著建筑結構日益的復雜化，對建筑結構設計師提出了新的要求，設計師不能盲目地對建筑進行結構設計。因為將概念設計應用到建筑結構設計中能夠設計出更加符合要求的建筑結構體系，所以目前概念設計成為了現今建筑結構設計的重要思想。概念設計的前提是對地區的規劃、建筑的意圖以及使用功能的需要有一個整體的把握，另外對工程的資金狀況、建筑材料等的具體情況也需要全面的了解。而其使用的主要手段是建立在對力學概念、材料性能、結構體系以及建筑技術的熟練使用的基礎之上的。

概念設計有其現實的可行性[2]。首先體現在結構設計的創新性，與查找手冊以及利用計算機程序等傳統方式不同，概念設計要求建筑結構設計師將設計的實踐經驗和理論知識相結合，并通過一定符合實際的想象力和創造力，設計出具有創新性的建筑結構；其次，概念設計通過分析、綜合、評估三步具體工作優化建筑結構的設計結果，全面了解建筑中存在的問題，選出最可靠最經濟的設計方案，有效地防止了高層建筑結構設計后期出現的繁復瑣碎的計算；最后，由于概念設計是以正確的理念和原則為前提，再加上建筑結構設計師自身能力的發揮，有利于設計師提升自身的設計能力。

二、概念設計在高層建筑結構優化設計中的應用

在對眾多的工程實踐分析中可以知道，采取概念設計理念對高層結構設計能夠最大程度上讓建筑結構在荷載的作用下，破壞性減少到最低。高層建筑的結構極具復雜性，所以更有必要將概念設計運用到結構的設計當中，下面就從具體的工程來分析概念設計在高層建筑結構優化設計中的應用。

該工程項目預計建成集高檔公寓、普通住宅、寫字樓等為一體的多功能型商業建筑群體。本文選用的是該工程項目中的A區進行分析，其占地面積為10萬平方米，地下有主要用于商業、設備用房和車庫的兩層地下室，地上是2到4層的裙房以及40層高的兩棟住宅樓。

（一）對于基礎及地下室的設計

該工程的地理位置處在山前坡洪積平原，地質現象良好，區域穩定性較強，很適合工程的建設，根據仔細的勘察，并考慮到抗浮的要求，工程的裙房部分的基礎選用了筏板基礎，與抗沖切要求相結合，把筏板對應尺寸的柱墩設于框架柱所在的方位[3]。在塔樓的基礎設計過程中，充分考慮了天然筏板基礎和大直徑人工挖孔樁基礎兩種方案，多方分析判斷，最終采用了大直徑人工挖孔樁、墻下承臺梁和防水板基礎，主要是因為它傳力較為直接。該工程地下室的抗浮設計水位是-0.25米，在對其進行抗浮設計時選用了抗拔錨桿。另外，由于地下室的平面尺寸要大于相關規定的要求，而設縫會對建筑結構產生不利的影響，所以在設計時，需要適當的應用結構措施、建筑措施和施工措施等，讓地下室沒有變形縫。此外，工程還需要解決主裙樓之間的差異沉降問題，對沉降后澆帶的設置位置也有一定的規定，最好的解決辦法是把沉降后澆帶放在主樓和裙樓之間，封閉收縮后澆帶時，要充分依據沉降觀測的結果，在最適當的時間將其封閉。

（二）對于工程上部結構的設計

對于工程的上部結構，在設計中特別設置了兩道抗震縫，把兩棟住宅塔樓設置在了項目的左上角和右下角，而框架結構處在左下部分。住宅樓的平面外包尺寸、高、寬等都嚴格按照了相關的規定建設，并且很好地應用了剪力墻結構體系，結構高118.9米，是A級高度的鋼筋混凝土高層建筑。在對工程上部結構設計時，設計師嚴格按照了概念設計的規定，合理科學地對剪力墻的平面進行了布置。為了確保符合普通剪力墻的要求規范，對剪力墻的墻肢長度加以控制。另一方面，為了提高建筑物的抗震能力，特意布置了帶有翼緣的剪力墻[4]。因為結構中間的交通核心能夠形成強大的剪力墻內筒抗側力，所以工程巧妙地對其加以利用，有效地減小了外圍剪力墻的數量和大小。工程還多角度地分析和判斷了上部整體結構計算分析結果，充分利用了結構的規則性原則和整體性原則，經過對上部結構反復修改優化之后，才最后將方案定下來。

（三）對結構整體的計算分析

對結構整體的計算分析主要采用了兩種方法，第一是振型分解反應譜法，在具體的計算分析中應用了兩種不同的計算軟件，在剛開始的計算階段，選用的是SATWE這款軟件，在驗證的階段，選用的是中文版的Etabs軟件。在計算地震作用時，工作人員充分考慮了扭轉歐聯振動影響的振型分解反應譜法，深入計算了兩座住宅樓。結果，根據這兩款軟件的計算，發現計算結果沒有存在明顯的不同，出入不大，并且其結果完全符合有關的規定；第二種方法是彈性時程分析補充計算法，對于工程結構和抗震設防烈度都較高的工程項目來說，要對其進行多遇地震下的彈性時程補充分析計算，文中所提到的工程就是一個很好的例子。工程的工作人員選擇了1條人工波RHITG035和兩條實際的地震記錄TAF-2TH2TG035，而選用SATWE進行彈性動力時程分析，輸入了地震加速度的最大值，通過這種計算分析，一旦發現大部分樓層的剪力平均值比振型分解反應譜法計算的結果小或比振型分解譜法計算的結果大，就需要在SATWE軟件中采用地震力放大系數的方法加以解決。

結束語

綜上所述，概念設計是結構設計的核心，是保證建筑設計的重要內容，建筑結構設計師通過利用結構概念設計對結構的全部性能整體的把握，科學合理地判斷計算分析結果，確保工程符合既定的目標。如今，概念設計對現今的高層建筑結構優化設計有著至關重要的作用，結構設計師將概念設計合理地融入到高層建筑結構設計當中，在有效衡量設計師專業水平和技術水平的同時，加強了高層建筑結構的穩定性和堅固性，從而確保了高質量的高層建筑。

參考文獻：

[1] 白文穎，寧全民，王修孔等.高層建筑結構優化設計綜合評價指標體系的研究[J].基建優化，2006，27（4）：84-86.

[2] 周世煒.高層建筑結構抗震分析與優化設計[D].西安建筑科技大學，2004.

[3] 邵志剛.高層建筑結構設計分析[J].城市建設理論研究（電子版），2011，（36）.

[4] 趙陽.高層建筑結構概念設計與高層剪力墻結構的優化[J].城市建設理論研究（電子版），2014，（18）：749-750.