建筑結構概念設計方法淺析

王 一 蔣芝桂

（貴陽市建筑設計院有限公司 貴州貴陽 550081）

引言

隨著我國經濟建設和全國城市化步伐的飛速發展，各類城市建設工程正在大量興建，這些反映著當前經濟、文化和信息特征的現代建筑相對于以往的傳統建筑，除了建筑高度和跨度的不斷增加外，還有新型結構體系和新型材料的不斷出現和應用，以滿足人們對建筑功能性、舒適性、美觀性和可持續性的更高要求。而人們對現代化建筑的這些需求，都必須建立在建筑結構安全的基礎上。因此，在這些現代建筑的設計工作中，結構工程師不得不面臨各種傳統技術上的困難，這就要求結構工程師必須具有不斷創新和挑戰的精神，從整體上把握美學以及可持續發展的觀點，并且也要根據力學理論和體系構建的整體內容，以把握結構的分解和集成，把復雜的大型整體結構簡化，使其成為簡單的三維整體結構或者二維平面子結構，甚至成為一維線性或非線性構件，還要使這些結構構件滿足跨度、空間等不同建筑的要求，以及有可實施性的結構形式。

1 建筑結構概念設計的意義

目前，我國在建筑結構設計中主要運用極限狀態的設計方法，該方法的基礎是概率論。衡量結構可靠度是以結構的失效概率或可靠指標，該設計方法對荷載和材料強度的標準值分別以數理統計方法取值，其設計式是用荷載、材料特性以及物理參數的各種分項系數，并結合結構重要性系數以表示的，這些系數都是結構在規定的時間內，在規定的條件下，完成預定功能的概率。對構件的設計來講，確實要比容許應力法更為接近實際，但問題仍然是很難算出建筑結構的真正承載能力。實際的建筑結構都是一種整體的三維結構，所有的構件都以相當復雜的方式在共同協調作用，并非是脫離總結構體系的獨立構件。

由此可見，結構設計沒有唯一正確的解決方案，只有相對滿意的解決方案。同時也說明了在結構設計過程中需要估算材料特性、近似分析結構模型、估計可能發生的各種外部荷載、保證結構的安全和滿足使用功能的要求。這也說明結構設計從建筑方案設計到初步設計以及最后的詳圖設計實際上都是一種“概念設計”，概念設計不僅在前期的方案設計中起重要作用，對初步設計和詳圖設計也有重要的指導作用。因此，對結構工程師以及建筑師來說，學習結構設計中的概念和體系特點有十分重要的意義。傳統的建筑結構設計體制過分強調結構的細節設計和精確的力學分析，而忽略結構的整體力學概念和結構體系的應用，在這種體制下，工程師在結構設計的早期階段不能發揮作用，即使在結構后期的設計中也不能抓住問題的關鍵。在現代結構設計中，要求設計師在結構設計的早期就能夠提出好的結構體系和結構概念，從而保證結構整體設計方案的可行性，使建筑方案更為完美，使建筑造價更為節省，從而達到力學和美學表達以及可持續發展的總體要求。

2 貫穿全過程的概念設計方法

工程項目的所有設計階段時期，結構工程師和建筑師要緊密溝通協作，根據結構自身的結構體系和受力情況、變形情況，并實地考察建筑物所處的地理位置、環境條件、施工條件與投入等因素，通過探索、比較、反饋和優化，以找到合理的方案。要實現一個建筑物的全面設計，至少應有三個反饋、優化的階段：方案設計階段、初步設計階段和施工圖設計階段。

在方案設計階段，結構工程師應憑借自身的工程設計理念、經驗、判斷力和創造力，用概念設計去幫助建筑師開拓或實現業主對建筑的需求，或已初步構思的空間形式及其使用、構造與形象功能。并以此為統一目標，與建筑師一起構思總結構體系，以避免基本思路受到無數具體細節問題的干擾，而且在構思結構總體系時就能考慮到材料、施工的可行性與經濟性，這樣的構思易于反饋和優化，以便于改進或開拓建筑設計方案。

在初步設計階段，設計的重點已轉移到如何精心去改善已構思擬定的設計方案上，也即已轉移到分體系具體方案的設計上，確定分體系及其相關構件的幾何尺寸與截面特征和相互之間的關系，經過近似計算以后再考核該設計方案的可行性。初步設計階段所進行的完善措施一定要反饋回去，進一步完善總體方案。

在施工圖紙的設計階段，如果不同專業的設計人員和業主都對前期的設計優化方案的可行性表示認可，則全部設計的基本問題都已解決，只需要進行構件截面設計和節點構造處理等細部設計工作。也就是說，只要方案設計和初步設計做得深入、透徹，則施工圖設計階段就不會再引起較大的反復，因為整個設計過程是一個循序漸進的發展過程。

3 概念設計中應重視的基本原則

概念設計的宗旨就是在特定的空間形式、功能和地理環境條件下，以結構工程師自身確定的理想承載力、剛度和延性為主導目標，用整體構思來設計各部分有機相連的結構總體系，并能有意識地利用和發揮結構總體系和主要分體系以及分體系與構件之間的最佳受力特征與協調關系。基于上述基本理念，筆者總結了結構概念設計中應重視的一些基本原則，以便于概念設計方法更良好的應用。

（1）采用具有多道抗震防線的結構框架。由兩種受力和變形性能不同的超靜定抗側力結構組成的雙重抗側立框架，其抗側力結構都能夠有合格的剛度和承載力，能夠承受部分的水平荷載，并由樓板之間的連接進行協作，共同抵抗外力。在地震作用下，如果有一部分損傷時，另一部分可以提供足夠的剛度和承載力，損傷部分還能夠擔當一部分的抗震作用，甚至可以獨自抵抗地震。在抗震結構中設計雙重抗側力體系可以實現多道設防，是安全而可靠的抗震結構體系。

（2）采用剛柔并濟的結構布置方案。設計高層建筑結構考慮抗風和抗震要求的出發點往往是相互矛盾的，剛度大的結構對抗風荷載有利，反之，較柔的結構抗震性能好：①地震作用小；②可以避免與地震運動共振，這樣就不會產生過大的應力。所以要設計一個抗風和抗震性能都很好的高層建筑結構必須要剛柔并濟，在矛盾中尋求一個合理的平衡點。

（3）應將復雜轉變為容易。將結構的受力與傳力路徑設計的越簡單、越明確就越好。

最大限度地防范出現以抗扭為主的重要傳力構件，傳力路徑越復雜就越易形成內力與變形的不協調和難以預料的薄弱環節。在進行結構分析的時候，也需要應用最簡單、最直接的計算方法，切忌使用那些含糊不清的概念，系數繁瑣的計算方法。

（4）布置結構平面時應盡量使結構的剛度中心和建筑物的質量中心或建筑物的表面風力作用中心靠近，最好重合，消除在風荷載或地震波影響下產生的扭轉效應和其相應的破壞風險。

（5）結構抗側力構件沿建筑物豎向的變化應盡量均勻、連續，以防發生層剛度、層間位移、內力及其傳力途徑的突變。如因建筑空間的結構或實用功能的要求而必須出現結構豎向不規則變化時，應有效地協調上下部結構之間剪切剛度、彎曲剛度和軸壓剛度的平穩過渡。

（6）應重視上部結構與其支承結構整體共同作用的機理，即傳力者和受力者共同抗力的概念。例如，上部結構與地基基礎的協同設計，在基礎設計時應考慮上部結構剛度，而在上部結構設計時，也應合理考慮基礎剛度的影響，因為實際的建筑物都是一種整體的三維空間結構，所有的結構構件都以相當復雜的方式在共同協調工作，而都不是脫離總結構體系的孤立構件。

（7）對于高層建筑，應盡可能加大豎向抗側力構件的抗傾覆力臂有效寬度，也就是盡可能的將豎向構件設置在結構平面的最外邊緣，這可有效減少因抵抗側向水平力所需增加的材料用量。反之，如果增加的材料用量越多，建筑物的質量就會越大，地震作用下的慣性力就會變得更加厲害，從而使建筑的抗震設計更加嚴峻。因此，遵循能有效增大高層建筑抵抗側向力的能力，而不需增加更多成本的基本理念是十分有必要的。

4 結語

結構工程師不僅僅靠工程結構設計作為一個生活的手段，也能夠留給后人一些示范。人不是天生就有概念、判斷力和創造力的，這都是在每一個工程的概念設計中，通過自身的不斷思考、比較、總結才能逐漸積累和充實的。所以我們應該珍惜每一次的設計機遇，無論項目規模是大是小，無論設計條件是簡單還是復雜，都是一個完整的有機結構，都應激發自我挑戰和創造的欲望。在每一個工程項目設計的開始，結構工程師應善解建筑師的心意和業主的需求，不但不能拿所謂的條條框框，一個勁地搖頭來阻止或束縛建筑師所追求的夢想，而應反過來主動去幫助建筑師開拓更令人興奮的空間形式和三大功能。可以說，結構工程師的創造力和創新才是對建筑師、業主和該項目設計的最大貢獻。

[1]黃真，林少培.現代結構設計的概念與方法[M].北京：中國建筑工業出版社，2009.

[2]高立人，方鄂華，錢稼茹.高層建筑結構概念設計中[M].北京：中國計劃出版社，2005，11.

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