概念設計在建筑結構設計中的應用

曹亞峰

（中鐵十二局集團有限公司，山西 太原 030024）

1 建筑結構概念設計的概念

1.1 概念設計的定義

建筑結構概念設計是依靠結構工程師自身的專業理論知識，豐富的工程設計經驗，通過一些震害分析、結構實驗等成果研究的基礎上對建筑結構進行結構選型、內力傳遞分布、構件與結構整體的關系處理的思想理念。結構概念設計既要分析總體布置上的大原則，也要關注關鍵部位的細節問題。建筑結構體系盡量采用抗震能力強、延性好、耗能能力強、便于施工的具有多道設防的結構體系[1]。經常用到的概念設計思想有在結構整體布置上采用多道抗震防線思路，在結構整體計算過程中采用軸壓比、剪壓比、體積配箍率等參數控制提高結構延性的措施，在結構構件設計中采用強柱弱梁、強剪弱彎、強節點錨固等。

1.2 關于概念設計的一點認識

關于概念設計，筆者結合對專業理論的理解談一談看法。概念設計是以較高的站位引導結構設計的理念，要具備“一覽眾山小”的高度站位，而非“橫看成嶺側成峰，遠近高低各不同，只緣身在此山中”的低站位狀態，更非是“盲人摸象”式的唯心主義觀點。所以在概念設計的分析處理中既要尊重科學理論，也要尊重客觀事實，看問題要以站得高，望得遠的態度分析問題，解決問題。其實大自然中本就存在有助于理解概念設計的元素，比如大家熟悉的竹子，給大家的印象是樹干結實，身材修長，竹子其實是名副其實的“高層專家”，竹子有6 個基本特點：①竹子高度與其截面比值較大；②竹子是空心的；③竹子是一節一節組成的；④竹子的截面是圓形的；⑤竹子外皮堅硬且有韌性；⑥竹子整體較柔，隨風飄動卻不易造成樹干損壞。竹子的這6 個基本特點與建筑結構概念設計有異曲同工之妙，竹子高度與其截面比值較大，也就是專業上說的高厚比較大；竹子是空心的，大家都知道建筑構件外形尺寸相同的情況下，空心的比實心的慣性矩大，抗側剛度較大，抵抗外力能力較強，并且重量較輕，地震作用下受力較?。恢褡邮且还澮还澖M成的，每一竹節就像是建筑單體的樓板，均勻分割減少豎向構件的計算長度，或者說是超高層建筑設置的加強層，有利于加強建筑單體的整體性，同時降低建筑結構水平位移；圓形截面是結構豎向構件中受力最合理的截面形式，符合概念設計中的布置簡單、規則、對稱的特點；竹子外皮堅硬且有韌性，就好比是建筑結構平面布置中的周邊豎向構件，或者說是豎向構件設置的縱向鋼筋，鋼筋是彈性材料，有較高的強度和延性，再或者說是剪力墻結構中的邊緣構件等等，竹子這一材料特點符合日常所說的“金角銀邊白肚皮”的豎向構件布置原則；竹子整體較柔，就好比建筑結構強度適中，且具備一定延性，遇到地震作用通過建筑材料的性能提供合理的剛度保證結構安全，通過結構產生位移消耗地震作用以降低結構構件受力[2]。

通過有關結構規范、技術標準的學習，理論聯系實際，結合建筑結構設計經驗以及與大自然有異曲同工之妙的生物比照，對于結構設計人員加強建筑結構概念設計的思想認識、系統提高概念設計能力、熟練應用結構相關規范條文無疑是一種好的方法。

2 概念設計在建筑結構設計中的應用范圍

概念設計貫穿于建筑結構設計始終，其中包括方案設計階段、初步設計階段、施工圖設計階段。

2.1 方案設計階段

方案設計階段的重點工作是確定結構體系問題，比如根據正式地質勘查報告提供的場地條件和建筑提資條件確定基礎型式，是采用天然地基，還是需要地基處理，或是采用樁基礎等；根據審定的建筑方案確定主體結構型式，根據建筑材料分為鋼筋混凝土結構、鋼結構、混合結構、砌體結構等，根據建筑使用功能和建筑高度分為框架結構、框剪結構、剪力墻結構等，需要通過專業理論知識和設計經驗綜合判斷，必要時進行結構設計方案比選，最終選擇結構安全、功能適用、經濟環保的結構設計方案。

2.2 初步設計階段

初步設計階段的概念設計主要工作是對結構方案進行優化和驗證，確保結構方案的可行性，同時滿足結構專業相關規范、技術規程要求，對結構構件進行深化。比如根據作用于建筑結構的恒、活荷載、地震作用等確定基礎截面尺寸大小，框架柱、剪力墻、框架梁、樓板等主要結構構件的尺寸，必要的荷載統計、基礎計算、主體結構整體計算等計算文件等，確保主體結構整體強度、剛度、延性等指標符合規范要求。

2.3 施工圖階段

施工圖階段概念設計主要工作是對主要結構構件進行深化設計，滿足規范對結構構件截面尺寸和配筋的基本要求，優化結構設計。

在結構設計全過程中應用概念設計做到結構方案合理、計算假定正確、計算模型無誤、計算結果有效、對結構關鍵部位的把握準確等，以保證建筑結構安全可靠、功能適用、經濟環保、費用可控的目的。

3 概念設計在建筑設計中的作用

概念設計在建筑結構設計中意義重大，是不可或缺的。當外部荷載和作用無法預估時，特別是地震作用下，作用大小和方向均難以做出判斷，所以說抗震概念設計尤為重要。概念設計強調的重概念輕精度，從宏觀上對建筑結構的安全性進行把控。

3.1 通過震害分析總結結構設計思路， 提高建筑結構的安全性

我國歷次大地震過后都會通過震害分析總結寶貴的經驗，提出可行的結構措施保證建筑結構安全。如1966 年邢臺地震過后提出“基礎埋的深一點，墻體做的厚一點，屋頂做的輕一點”、1976 年唐山地震過后提出構造柱和圈梁的結構形式以及目前應用的“小震不壞，中震可修，大震不倒”的三級設防標準，這些科學的經驗總結被國際工程界公認為行之有效的基于性能的抗震設計理念[3]。

3.2 補充建筑結構設計過程中難以計算的空白

目前對結構設計的理論和計算方法還存在缺陷和不足，使得理論計算和結構實際受力存在差異，比如說在鋼筋混凝土結構設計過程中，結構構件內力計算采用彈性理論分析方法，而結構構件截面設計采用塑性理論的極限狀態分析法，導致理論和實際不相符合；結構抗震設計中對于地震作用大小、作用方向等問題，理論計算不能準確預判等?；谶@種情況，為了彌補這種理論上的不足，或者說存在理論計算難以把控的結構設計，倡導結構概念設計理念無疑是行之有效的方法，通過結構概念設計和結構措施來保證結構安全可靠。

3.3 為計算機軟件計算結果簡化復核提供依據

計算機和結構計算軟件的發展提高了結構設計工作的效率，但也帶來了一些弊端?，F在一些結構設計師對計算軟件的依賴程度較高，目前某些常用結構軟件是“傻瓜式”操作，設計師的操作按照既定好的模式進行，通過建立結構模型、輸入荷載、設定計算條件、開始計算、查看結果等幾個流程，經驗欠缺的設計師把計算結果當成唯一可行的依據，計算結果“紅了”，反復調整構件截面尺寸，直到計算結果“不紅了”，感覺所建模型是合理的。即使計算結果“不紅”，計算結果是否合理，是否具有施工可行性卻不明白。提倡概念設計，利用基本力學知識進行簡化手算很有必要，也是對電算的一個檢驗和復核。設計過程中應該充分理解結構概念設計，理解結構受力傳遞及分布，把結構設計軟件作為工具，人主導計算軟件，而非被計算軟件綁架。

4 概念設計在工程設計實踐中的應用

通過一些結構實驗及歷次震害分析，我國建筑結構專家們都總結了不少寶貴的經驗，下文根據結構規范標準相關要求，結合筆者的結構設計經驗，談一談在具體工程中一些概念設計的應用。

4.1 多道抗震防線理念

鋼筋混凝土結構中比較常見的結構形式有框架結構和剪力墻結構，框架結構多用于公用建筑，比如辦公樓、教學樓等，剪力墻結構多用于高層住宅?？蚣芙Y構豎向構件截面較小，抗側剛度不大，屬于剪切型變形。在地震作用下，通過形成梁塑性鉸，結構產生位移消耗地震能量，只此一道防線對結構安全不利，何況在項目實施過程中未必做到“強柱弱梁”，梁塑性鉸難以形成，還容易造成“強梁弱柱”的不合理情況。基于這種情況，可以采取設置柱間支撐（建筑功能允許的情況下）、框架柱翼墻，或者設置部分剪力墻形成少墻框架結構的方法，多一道防線，從概念設計上可以提高建筑結構的安全性。

相較于框架結構來說，剪力墻結構在抗震防線上具有優越性，墻肢間連梁作為第一道防線，在小震作用下，連梁保持完好或者輕微受損，不影響建筑功能的使用，中震作用下，連梁作為消能構件，其與墻肢交接處形成塑性鉸，吸收地震能量，作為第一道防線保護了剪力墻墻肢的損壞，從而保證了建筑結構的整體安全。其他結構形式也應從概念設計角度出發采取多道防線的設計理念，比如砌體結構按照要求設置構造柱和圈梁，提高結構延性，在保證結構整體安全上具有舉足輕重的作用。

4.2 強柱弱梁、強剪弱彎

“強柱弱梁、強剪弱彎”是結構設計過程中非常重要的結構概念，下文分別從設計過程中如何實踐應用進行論述。

鋼筋混凝土框架結構中框架柱和框架梁是主要的受力構件，為了滿足“強柱弱梁”的設計理念，規范要求在內力計算的基礎上對框架柱端節點承載力乘以放大系數，有利于形成梁塑性鉸的效果。但實際操作過程中不易保證，原因有3 個方面：①彈性計算分析加大了梁端負彎矩值，一般情況下，框架梁跨度為相鄰框架柱中心之間的距離，無疑計算框架梁端最大負彎矩位置位于相關框架柱中心，這與實際情況是不符的，設計中建議按照框架梁凈跨度進行計算，讀取框架梁與框架柱交接處的梁端負彎矩進行配筋，從而降低框架梁端負彎矩鋼筋配筋量，有效實現強柱弱梁效果。②框架梁底伸入框架柱鋼筋超出計算配筋值，影響強柱弱梁概念的形成，若梁底配置兩排鋼筋，問題更麻煩。這里說明兩個概念，框架梁底正彎矩鋼筋與框架梁端底部鋼筋不是一個概念，在實際結構設計過程中，宜將適量框架梁底部鋼筋伸入框架柱，其余梁底鋼筋在框架柱以外截斷，既保證了強柱弱梁的效果，又有利于保證節點核心區混凝土澆筑質量。③設計過程中出現鋼筋的超配現象普遍，框架梁端和框架柱端鋼筋的超配加大了梁端實際承載力和計算承載力的差距，使強柱弱梁的實現增加困難。在具體設計過程中，根據配筋計算值，框架梁端頂部配筋不宜超過計算值，結合項目具體情況，配筋量宜為計算值的0.9~0.95 倍，框架梁底正彎矩鋼筋配筋量適當超配，但不大于計算值的10%。

強剪弱彎概念是指結構構件的跨高比較小，容易形成剪切破壞，剪切破壞屬于脆性破壞，對結構受力不利，為了避免該現象發生，從概念上加強結構構件抗剪能力，結構構件延性有所增加，使結構受力趨于合理。在結構設計過程中會遇到短柱、框架結構角柱、框支梁等，設計要求箍筋全長加密，就是要提高構件的抗剪能力[4]。

4.3 不同結構體系的樓梯做法

為了滿足建筑單體的使用功能，大多建筑單體需設置樓梯，樓梯作為重要疏散通道，其重要性可想而知。樓梯梯板為斜板，從結構受力上來講，樓梯等同于支撐構件，能提供較大的側向剛度。在地震作用下，剛度越大，受力越大，對結構整體剛度的均勻性產生影響，無形中對樓梯安全度有所降低。以下對不同結構體系中樓梯做法進行簡單論述。

剪力墻結構樓梯間周邊一般設置混凝土剪力墻，其抗側剛度較大，樓梯支撐剛度與樓梯間周邊剪力墻剛度相比可以忽略不計，所以說，剪力墻結構體系的樓梯做法采用傳統現澆式對整體結構和樓梯自身安全性影響不大。

框架結構樓梯做法按照傳統現澆方法就有些牽強了。歷次震害表明，框架結構樓梯間損壞嚴重，根據震害分析，樓梯板的支撐效應對整體結構的剛度均勻性造成很大影響，由于其抗側剛度較框架柱大很多，樓梯受力加大，造成梯板損害，逃生通道堵塞，使人身財產受到較大損失。此問題可通過以下2 種方法解決。①根據現行結構相關規范要求，樓梯間四周設置構造柱和圈梁，以加強該區域的整體性；②樓梯結構做法優化，一種做法是將梯板與休息平臺交接處設置滑動支座，降低梯段抗側剛度，使整體結構剛度區域均勻，改善受力傳遞路徑。另一種做法是在休息平臺垂直梯梁方向長度較小時，采用梯板與休息平臺交接處設置構造柱和梯梁，作為休息平臺嵌固端，休息平臺為懸挑構件，且休息平臺與主體結構框架柱設置結構伸縮縫，從而打破梯板形成斜支撐的受力傳遞。在結構設計過程中需結合建筑條件靈活掌握，利用概念設計的理念解決工程設計實際問題[5]。