建筑結(jié)構(gòu)中概念設(shè)計的探討

郭小寶 蔣繼

摘 要：隨著生活水平的提高，人們對建筑需求也變得非常豐富，對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計也提出了更高的要求。計算機結(jié)構(gòu)分析軟件的廣泛應(yīng)用，加強了設(shè)計師對建筑結(jié)構(gòu)計算軟件的依賴，但是實際經(jīng)驗及工程實踐對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計也非常重要，概念設(shè)計不僅體現(xiàn)在對建筑結(jié)構(gòu)的充分理解，也是對結(jié)構(gòu)工程師的綜合設(shè)計能力的考驗，概念設(shè)計反映了對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計安全、適用、可靠、經(jīng)濟的深層次體現(xiàn)。本文探討了建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的概念與必要性，重點探討了建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的原則。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)；概念設(shè)計

1 前言

建筑結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計就是運用清晰的結(jié)構(gòu)概念，不經(jīng)數(shù)值計算，尤其在一些難以作出精確理性分析或在規(guī)范中難以規(guī)定的問題中，依據(jù)整體結(jié)構(gòu)體系與分體系之間的力學(xué)關(guān)系、結(jié)構(gòu)破壞機理、震害、實驗現(xiàn)象和工程經(jīng)驗所獲得的基本設(shè)計原則和設(shè)計思想，對結(jié)構(gòu)及計算結(jié)果進行正確的分析，并考慮結(jié)構(gòu)實際受力狀況與計算假設(shè)間的差異，對結(jié)構(gòu)和構(gòu)造進行設(shè)計，使建筑物受力更合理、安全、協(xié)調(diào)。

2 概念沒計的概述

概念設(shè)計主要從兩個方面對結(jié)構(gòu)設(shè)計進行宏觀控制[1]；一是在方案設(shè)計滿足建筑要求的前提下，從宏觀的角度考慮結(jié)構(gòu)整體性及主要分體的相互協(xié)調(diào)關(guān)系，以此來從整體上來完成對建筑結(jié)構(gòu)的總體規(guī)劃與布置，有效管理與控制抗震細部方法等；二是在理論設(shè)計過程中綜合考慮工程條件、計算理論、材料性能等各種因素對計算結(jié)果的影響，判斷理論設(shè)計的準確性，并對一些工程中難以作出精確理性分析或在規(guī)范中難以規(guī)定的問題，根據(jù)實際經(jīng)驗采用一些結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施進行處理[2]。換句話說，概念設(shè)計是運用人的判斷和思維能力，從宏觀解決結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本問題。概念設(shè)計是一種思路，是一種定性的設(shè)計，它不以精確的力學(xué)分析為依據(jù)，而是對工程進行概括性的分析，制定設(shè)計目標，采取相應(yīng)結(jié)構(gòu)措施。具體到設(shè)計過程，就是根據(jù)特定的建筑空間和地理條件，結(jié)合建筑的功能要求，考慮結(jié)構(gòu)安全、適用、經(jīng)濟、美觀、施工方便等各種因素后，確定結(jié)構(gòu)的總體方案，按照結(jié)構(gòu)的破壞機理和破壞過程，靈活且能有意識地利用整體結(jié)構(gòu)體系與基本桿件間的力學(xué)特性與關(guān)系、設(shè)計準則、工程現(xiàn)場實時的資源條件，全面合理地解決結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本問題。既要注意到總體布置的大原則，又要顧及到關(guān)鍵部位的細節(jié)，從根本上提高結(jié)構(gòu)的可靠度。概念設(shè)計的目的是力求使設(shè)計方案安全、可靠、經(jīng)濟、合理，是一個優(yōu)化的過程。

3 概念設(shè)計的必要性

概念設(shè)計是結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計在結(jié)構(gòu)設(shè)計中占有重要的地位。首先，概念設(shè)計是設(shè)計思想的一種體現(xiàn)，它有意識的運用總體的概念來考慮建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計，能有效的構(gòu)思、分析并選擇較好的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案；其次，概念設(shè)計體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計原則與設(shè)計的靈活性，在概念設(shè)計中，結(jié)構(gòu)設(shè)計師一方面要遵守國家相應(yīng)的規(guī)范法規(guī)，另一方面要根據(jù)實際情況及建筑物的布置等靈活運用，根據(jù)實際工作經(jīng)驗作出以下基本假設(shè)和簡化；最后，概念設(shè)計能夠彌補計算理論上存在的缺陷，拓寬結(jié)構(gòu)設(shè)計的思路，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、經(jīng)濟性和施工的合理性。

結(jié)構(gòu)設(shè)計的流程一般分為三個階段：前期的方案選擇、中期的結(jié)構(gòu)計算及后期的施工圖繪制。結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計是結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計的第一步，結(jié)構(gòu)設(shè)計三個階段都離不開科學(xué)的概念設(shè)計作指導(dǎo)。

（1）方案設(shè)計階段。一個成功的設(shè)計必須選擇一個經(jīng)濟合理的結(jié)構(gòu)方案，即選擇一個切實可靠的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)體系。在此階段，設(shè)計者除了對建筑物的功能要求、地理環(huán)境、資金配備、材料供應(yīng)、施工條件與水平等進行綜合的分析，并與建筑、水電、設(shè)備等專業(yè)進行充分比較外，還要考慮結(jié)構(gòu)內(nèi)部的協(xié)同工作、結(jié)構(gòu)抗震的構(gòu)造設(shè)計、結(jié)構(gòu)整體性能控制等問題，而后完成結(jié)構(gòu)選型，確定結(jié)構(gòu)方案，必要時還要對多個方案進行比較，擇優(yōu)選用。因此方案設(shè)計過程是不能借助于計算機或理論計算來實現(xiàn)的，它需要結(jié)構(gòu)工程師綜合應(yīng)用其掌握的結(jié)構(gòu)概念，在深入了解各類結(jié)構(gòu)性能的基礎(chǔ)上，有針對性地選擇合理的結(jié)構(gòu)方案。

（2）結(jié)構(gòu)計算階段。結(jié)構(gòu)計算一般是通過計算機來完成的，因此結(jié)構(gòu)工程師要把實際工程的結(jié)構(gòu)形式轉(zhuǎn)換成計算機能夠識別的計算模型，并且要保證模型受力和變形的精確性，在此基礎(chǔ)上結(jié)構(gòu)工程師還應(yīng)根據(jù)實際結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，在全面了解程序軟件的適用范圍與技術(shù)條件后正確選擇和使用結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件，同時再用概念設(shè)計對電算結(jié)果進行科學(xué)分析，作出正確合理的判斷。

（3）施工圖繪制階段。結(jié)構(gòu)工程師通過計算機完成結(jié)構(gòu)設(shè)計計算并對結(jié)果確認無誤后，接著就是把計算結(jié)果用施工圖的方式表現(xiàn)出來。他們要檢查施工是否正確反映設(shè)計意圖，是否滿足結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定和各構(gòu)件間協(xié)同工作的要求、結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的要求、結(jié)構(gòu)的材料利用率和經(jīng)濟適用的要求等。再根據(jù)相關(guān)規(guī)范做出構(gòu)造措施，最終完成施工圖設(shè)計。

4 概念設(shè)計的原則

（1）結(jié)構(gòu)的簡單性：指結(jié)構(gòu)在地震及其他荷載作用下具有明確的和直接的傳力途徑，便于建立完整、準確的結(jié)構(gòu)計算模型。

（2）結(jié)構(gòu)的規(guī)則性和均勻性：建筑平面規(guī)則、平面內(nèi)結(jié)構(gòu)布置宜規(guī)則、對稱、均勻、減少偏心，使建筑物分布質(zhì)量產(chǎn)生的地震慣性力能以比較短和直接的途徑傳遞，并使質(zhì)量分布與結(jié)構(gòu)剛度分布協(xié)調(diào)，限制質(zhì)量與剛度之間的偏心。沿建筑物豎向的結(jié)構(gòu)布置宜規(guī)則、均勻，避免有過大的外挑和內(nèi)收，避免剛度、承載能力和傳力途徑的突變，以限制結(jié)構(gòu)在豎向第一樓層或少數(shù)幾個樓層出現(xiàn)薄弱層，以致在這些部位因產(chǎn)生應(yīng)力集中和過大的變形而使結(jié)構(gòu)不安全。

（3）結(jié)構(gòu)的剛度和抗震能力：結(jié)構(gòu)布置應(yīng)使結(jié)構(gòu)平面在兩個主軸方向均具有足夠的剛度和抗震能力，同時還應(yīng)具有抗扭轉(zhuǎn)剛度和抵抗扭轉(zhuǎn)振動的能力。框架結(jié)構(gòu)應(yīng)在縱橫兩個方向布置成雙向剛接框架。

（4）結(jié)構(gòu)的整體性：由于設(shè)計內(nèi)力計算模型是建立在樓蓋平面內(nèi)剛度無限大的假定的基礎(chǔ)上，設(shè)計應(yīng)使樓蓋系統(tǒng)有足夠的平面內(nèi)剛度和抗力，并與豎向結(jié)構(gòu)有效連接，從而保證梁、板、柱、墻能共同協(xié)同工作。

（5）抗震建筑應(yīng)盡可能設(shè)置多道抗震防線，并考慮第一防線被突破后，引起內(nèi)力重分布的影響不至于使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)倒塌。

（6）結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)具有必要的承載力、剛度、穩(wěn)定性、延性及耗能等方面的性能。主要耗能構(gòu)件應(yīng)具有較高的延性和適當?shù)膭偠龋惺茇Q向荷載的主要構(gòu)件不宜作為主要耗能構(gòu)件。

（7）合理控制結(jié)構(gòu)的非彈性部位（塑性鉸區(qū)）：掌握結(jié)構(gòu)的屈服過程，實現(xiàn)合理的屈服機制。多高層鋼筋混凝土房屋可以歸納為兩類屈服機制：一種為總體機制，另一種為樓層機制，其他機制均可由這兩種機制組合而成。典型的樓層機制表現(xiàn)為在水平力作用下僅豎向構(gòu)件屈服，而橫向構(gòu)件處于彈性。總體機制則表現(xiàn)為所有橫向構(gòu)件屈服而豎向構(gòu)件除根部外均處于彈性狀態(tài)。

5 結(jié)語

運用概念設(shè)計方法，可以迅速、有效地對結(jié)構(gòu)體系進行構(gòu)思、比較與選擇，同時幫助建筑師開拓或?qū)崿F(xiàn)建筑物業(yè)所想要的空間形式及其使用、構(gòu)造與形象功能，并以此為目標，與建筑師一起確定建筑的總體結(jié)構(gòu)體系，并能明確總體結(jié)構(gòu)體系分體結(jié)構(gòu)體系的最優(yōu)受力方案所得方案往往概念清晰、定性正確，避免了后期設(shè)計階段一些不必要的煩瑣運算，具有較好的經(jīng)濟可靠性能。同時，這也是判斷汁算機內(nèi)力分析輸出數(shù)據(jù)可靠與否的主要依據(jù)。概念設(shè)計是結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心和靈魂，它統(tǒng)領(lǐng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的全過程，貫穿著設(shè)計工程師的知識水平和設(shè)計水平。運用結(jié)構(gòu)概念設(shè)計從整體上把握結(jié)構(gòu)的各項性能，這樣才能對計算分析結(jié)果進行科學(xué)的判斷、合理的應(yīng)用。

參考文獻：

[1] 高立人，王躍.結(jié)構(gòu)設(shè)計的新思路——概念設(shè)計[J].工業(yè)建筑，1999（1）：20～21.