建筑結構概念設計的理念及方法

陳先虎

（同圓設計集團有限公司安徽分公司，安徽合肥 230001）

1 結構概念設計的內涵

結構概念設計指不用數值計算，在無法進行精確數值分析、難以進行規范規定分析的情況下，運用整體結構體系和分體系、結構構件之間關系，如力學理論、結構破壞機理、實驗現象和工程經驗所獲取的基本設計原則與設計思想用于項目整體和局部的設計。概念設計是一種宏觀角度對建筑結構的總體布局、細部措施安排等的控制思想，雖然不用數值計算但需要采用概念近似估算，可以快速有效地進行方案構思，并最終選擇合適的設計方案，以減少了后期不必要的設計方案變更，減少具體實施階段的工作反復，經濟性和可靠性較強。結構設計師如能充分掌握結構概念設計，就能減少設計對計算軟件的依賴，高效地進行設計方案選擇，也激發了建筑工程師們的創造力，使理論和實際結合起來，使建筑結構設計工作更加客觀科學，同時也讓建筑結構設計更加靈活，提高建筑結構設計水平，同時也有助于推動整個建筑行業的發展。

2 結構概念設計的重要性和必要性

2.1 結構概念設計的重要性

概念設計是一種基于理論基礎知識的設計思想，結合先進的設計工具、設計技術等制定全面科學的設計方案，使理論和實際結合起來，使結構體系在力學性質、構造處理等方面都比較適合的結構方案。概念設計一方面可以激發結構設計師的主動與創造性，另一方面能全面提高建筑結構設計的質量。一名優秀的結構設計師必須要首先詳細了解概念設計的內容、特點和作用等，才能提高建筑結構設計水平。此外，在設計方案制定初期，必須要結構設計師結合具體情況作出判斷，這就要求結構工程師們必須要全面掌握好建筑結構的概念，才能制定出比較好的結構方案。

2.2 結構概念設計對建筑結構設計的必要性

在計算機技術迅速發展的背景下，結構工程師們對于計算機計算過于依賴，但計算機并不能代替設計，只有加強結構概念設計的意識，才能更加客觀真實地理解建筑結構的工作性能，合理地進行設計。

在進行建筑結構設計時需要做出各種力學數值計算和分析，但是一般會借助計算軟件工作，使得結構師們缺乏對建筑設計工作深入的思考，也會存在因軟件問題而帶來的危害。比如在進行結構平面布置時，計算時通過計算加大材料能夠滿足軟件計算的承載力和使用要求，但是并不是合適的結構方案，使得結構臃腫，浪費材料。如果使用概念設計的思想與方法，就能處理好整體結構體系和構件之間的關系，使最終形成的方案更加準確合理，從而免去了后期工作中的一些煩瑣計算。此外，概念設計的應用還能對計算機輸出的數據進行判斷，避免出現電算誤差和軟件操作錯誤，在實際工作時采用概念設計理論有利于探討更加深層次的設計問題，從而使設計總體質量得到提升，不僅簡化了設計的流程，而且也保證了計算數據結果的準確性。

3 在建筑結構設計中開展概念設計的途徑

概念設計的工作包括：①明確設計目標，如“大震不倒、中震可修、小震不壞”就是抗震設計的目標；②形成基本的結構模型：包括結構體系、計算簡圖、基礎選型、構件尺寸選擇；③對計算結果進行評估調整，對構件加強，如采用強柱弱梁方法進行調整；④設計好能發揮結構作用的構造措施。概念設計既可以從大的方面整體把握方向，也可以從細節體現整體設計理念，具體實施過程中可以從以下幾個方面具體考慮：

3.1 選擇合理的結構方案

合理的結構方案中應該包含科學合理的結構形式和體系，該結構體系必須受力明確，具有清晰和簡便的傳力系統。在高層建筑平面設計中，必須注重概念設計，在設計方案階段就應該先保證所設計的方案是完全符合受力要求的。合理的結構方案是開展結構概念設計的前提，而結構方案想要更加科學合理就需要滿足和調節建筑要求，和水暖、供電等其他專業進行協商，然后確定結構選型和結構方案。結構體系選擇時應考慮地震作用的大小，選擇合適的結構形式。結構概念設計可以從平面和豎向分別考慮。

3.2 平面設計

為提高建筑的抗震能力，在平面設計時宜選擇規則的結構布局形式，控制結構的扭轉，避免薄弱連接，可設置抗震縫將結構劃分成若干抗震單元。在高層建筑平面設計中，由于建筑需要承受更多的風壓，所以必須保證建筑外形是流線型，如圓形建筑平面的風荷載較矩形平面的小。平面上兩個正交方向的剛度宜盡量接近，抗側力結構（柱、剪力墻）宜設置在四周，以增大整體的抗側剛度及抗扭剛度，同時，應加大梁或樓層的剛度，使柱（或剪力墻）能承擔較大的整體彎矩。

3.3 豎向設計

高層結構抗側力結構的剛度應從下往上逐漸過渡，避免因為突變而減弱了對水平荷載力的抵抗能力。豎向設計時可以通過“剛柔并濟”的方法加強某些構件，減弱某些構件，如美洲銀行大廈，通過設置較大剛度的束筒和較弱的連梁，達到很好的消能減震的作用。另外結合建筑的要求，結構可以進行適當創新設計，如深圳萬科中心設計采用斜拉索的結構形式，采用了類似于斜拉橋的設計方法，在首層形成了連續大空間。

3.4 建筑基礎的設計

在進行基礎結構設計時，首先要先做好對當地地質地形、自然環境等條件的考察，收集和分析相關數據，在此基礎上制定科學合理的基礎方案。一般建筑物基礎埋深都有一定的要求，施工時都需要開挖基槽，建筑宜設置地下室，對建筑抗震也有利。基礎選型主要考慮承載力和變形沉降，對于高層建筑帶裙樓的工程，高層可采用樁基礎，裙樓采用天然基礎，可以很好地調節變形。基礎設計宜與上部結構同時考慮。

4 結語

綜上所述，本文對建筑結構概念設計的作用、重要性和具體設計措施進行了簡單分析，重點剖析了概念設計的意義和重要性，并介紹了概念設計的方法。概念設計和工程師們的理論水平和經驗有關，將概念設計應用到建筑結構設計中，要求結構設計師們從宏觀整體的角度對總建筑體系和構件進行研究，并不斷總結設計思想來提高概念設計的水平，采用創新的方案開展結構設計，不僅避免了建筑結構設計中采用計算軟件帶來的誤差，而且也有利于提高結構設計的水平和效率，避免后期出現不必要的設計反復，推動建筑整體發展。概念設計，不單關乎豐富的經歷與經驗，更是來源于對基本的力學、材料等概念特性的掌握，同時要求結構師有開闊的視野，靈活運用設計方法，是具有創造性的設計。