淺析建筑結構設計中的概念設計

李義喜

廣西建工集團第一建筑工程有限責任公司綜合設計研究院

淺析建筑結構設計中的概念設計

李義喜

廣西建工集團第一建筑工程有限責任公司綜合設計研究院

現如今，建筑行業發展迅速，建筑工程結構設計已經逐漸朝向多元化方向發展。在建筑結構設計中，可以融入概念設計，這樣不僅能夠保證建筑工程基本使用功能，而且有利于提升建筑工程美觀性。對此，本文首先對建筑結構設計與概念設計進行了介紹，以期為建筑工程結構設計提供參考。

結構設計；概念設計

所謂的概念設計一般指不經過數值分析計算，尤其在一些難以作出精確分析或在規范中難以規定的問題中，依據整體結構體系與分體系之間的力學關系、結構破壞機理、震害、試驗現象和工程經驗所獲得的基本設計原則和設計思想，從整體的角度來確定建筑結構的總體布置和抗震細部措施的宏觀控制。

強調結構概念設計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，下面重點闡述結構抗震概念設計的基本原則：

(1)結構的簡單性

結構簡單是指結構在地震作用下具有直接和明確的傳力途徑，結構的計算模型、內力和位移分析以及限制薄弱部位出現易于把握，對結構抗震性能的估計也比較可靠。

(2)結構的規則和均勻性

結構沿建筑物豎向，建筑造型和結構布置比較均勻，避免剛度、承載能力和傳力途徑的突變，以限制結構在豎向某一樓層或極少數幾個樓層出現敏感的薄弱部位。這些部位將產生過大的應力集中或過大的變形，容易導致結構過早地倒塌。

建筑平面比較規則，平面內結構布置比較均勻，使建筑物分布質量產生的地震慣性力能以比較短和直接的途徑傳遞，并使質量分布與結構剛度分布協調，限制質量和剛度之間的偏心。建筑平面規則、結構布置均勻，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，增加結構的贅余度數量，發揮整個結構耗散地震能量的作用。

(3)結構的剛度和抗震能力

水平地震作用是雙向的，結構布置應使結構能抵抗任意方向的地震作用。通常，可使結構沿平面上兩個主軸方向具有足夠的剛度和抗震能力。結構的抗震能力則是結構承載力及延性的綜合反映。結構剛度選擇時，雖可考慮場地特征，選擇結構剛度，以減少地震作用效應，但也要注意控制結構變形的增大，過大的變形將會因P-Δ效應過大而導致結構破壞。結構除需要滿足水平方向的剛度和抗震能力外，還應具有足夠的抗扭剛度和抵抗扭轉振動的能力。現有抗震設計計算中不考慮地震地面遠動的扭轉分量，在概念設計中應注意提高結構的抗扭剛度和抵抗扭轉振動的能力。

(4)結構的體系及關鍵部位

結構體系是結構設計應把握的重要問題，應注意體系的合理性問題，優先采用抗震能力強、延性好、耗能能力強、便于施工的具有多道防線的結構體系，如采用設置耗能連梁的抗震墻結構、框架抗震墻、框架筒體結構等，避免采用抗震能力較低的板柱抗震墻結構、框架結構、尤其是單跨框架結構等。注意對承載力和剛度及延性的合理把握。采用合理的地基基礎方案。注意對結構體系的關鍵構件、關鍵部位的把握，實現“強剪弱彎、強柱弱梁、強節點弱構件及強柱根”的設計理念，注意對豎向構件加強部位、樓面結構的加強部位、地基基礎的加強部位等的把握。

(5)結構的整體性

建筑結構中，樓蓋對于結構的整體性起到非常重要的作用，樓蓋相當于水平隔板，它不僅聚集和傳遞慣性力到各個豎向抗側力子結構，而且要使這些子結構能協調承受地震作用，特別是當豎向抗側力子結構布置不均勻或布置復雜或各抗側力子結構水平變形特征不同時，整個結構就要依靠樓蓋使各抗側力子結構能協同工作。樓蓋體系最重要的作用是提供足夠的面內剛度和抗力，并與豎向各子結構有效連接，當結構空曠、平面狹長或平面凹凸不規則或樓蓋開大洞口時，更應特別注意。設計中不能誤認為，在多遇地震作用計算中考慮了樓板平面內彈性變形影響后，就可削弱樓蓋體系。

建筑結構設計尤其是高層建筑結構設計，應當非常重視概念設計。這是因為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，高層結構的計算尤其是抗震分析的精確性，材料性能與施工安裝時的變異性以及其他不可預測的因素，致使設計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。因此在設計中，雖然分析計算是必須的，也是設計的重要依據，但僅此往往不能滿足結構安全性、可靠性的要求，不能達到預期的設計目標。還必須非常重視概念設計。從某種意義上講，概念設計甚至比分析計算更為重要。

概念設計是通過無數的事故分析，歷年來國內外震害分析，模擬實驗的定量定性分析以及長期以來國內外的設計與使用經驗分析、歸納、總結出來的。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。有些概念設計的要求，為整個設計設置了二道防線，保證了建筑物的安全、可靠。合理的結構方案是安全可靠的優秀設計的基本保證。

歷次地震表明，我國地震區劃圖所規定的烈度有很大的不確定性，抗震設計還處在摸索階段，地震理論還有待完善，重視結構的概念設計，是抗震設計應把握的要點，也是對地震理論不完善所采取的彌補措施，結構概念設計應重視概念輕精度，但也不是拒絕進行復雜結構設計，而是要求在處理復雜結構設計時明確：什么是結構設計的最佳選擇，采用不合理的結構設計方案或結構布置可能會帶來什么樣的后果，需要采取哪些補救或加強措施，并對這些措施的合理性和有效性作出客觀的評價，以保證結構性能目標的實現，確保結構安全，結構概念概念設計不是指手畫腳的空洞說教，而是具有豐富內涵的實實在在的工作。

小結：

現代建筑的高速發展給結構設計帶來了諸多機遇與挑戰，新穎的結構、新的高性能材料的研究和應用，這些都在結構設計規范中無法找到對應的條款，并且無以往工程經驗作為參照，因此結構工程師要協調建筑師完成其構思，必定需要積極的探索和研究慨念設計的思想和理念并且在設計全過程中貫徹執行。

[1]《建筑抗震設計規范》GB50011-2010

[2]《混凝土結構設計規范》GB50010-2010

[3]《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010

[4]《建筑地基基礎設計規范》GB50007-2011