芻議概念設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

劉麗

（太原城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，太原 030027）

1 前言

概念設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中扮演著重要的角色，其具有的創(chuàng)新性與優(yōu)化性特征打破了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式，為建筑設(shè)計(jì)師開(kāi)展建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作提供了新思路，極大確保了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量，同時(shí)能有效減少不必要的材料與人工浪費(fèi)，對(duì)建筑行業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性、科學(xué)性、規(guī)范性發(fā)展具有價(jià)值。但就目前建筑企業(yè)概念設(shè)計(jì)實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，受到人員專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)、綜合能力、重視程度等因素的影響，實(shí)際應(yīng)用出現(xiàn)諸多問(wèn)題，深入研究概念設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用步驟與應(yīng)用措施成為許多建筑企業(yè)未來(lái)重要的工作方向。

2 概念設(shè)計(jì)概述

概念設(shè)計(jì)具體指向確定需求之后創(chuàng)建產(chǎn)品或者提供服務(wù)的過(guò)程。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用概念設(shè)計(jì)遵循整體性、原則性和概念性原則，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的一些基本的、重要的、關(guān)鍵的問(wèn)題進(jìn)行明確與決策，具體涉及結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)與選定、設(shè)置負(fù)荷轉(zhuǎn)移與傳遞路徑、加強(qiáng)薄弱環(huán)節(jié)審核與判定、提升整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、穩(wěn)定發(fā)揮耗能作用等諸多環(huán)節(jié)。

概念設(shè)計(jì)屬于一種融入經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的非規(guī)范性設(shè)計(jì)，在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，不需要采用計(jì)算機(jī)或者計(jì)算工具開(kāi)展嚴(yán)密的數(shù)據(jù)運(yùn)算，而是綜合應(yīng)用地震參數(shù)、試驗(yàn)結(jié)果與結(jié)構(gòu)體系中的整體或者個(gè)體間力學(xué)聯(lián)系、結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理及工程經(jīng)驗(yàn)等實(shí)際研究成果，這種具有概念性的設(shè)計(jì)有助于對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行整體調(diào)控和規(guī)劃布置，并且有助于對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行整體構(gòu)思、比較和選擇，最終做出最優(yōu)選擇。實(shí)施最優(yōu)方案，不僅快速便捷有效，還具有極高的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也能為具體的建筑施工提供一定的設(shè)計(jì)支撐。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用概念設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)計(jì)師的水平要求比較高，只有具有豐富經(jīng)驗(yàn)、應(yīng)用熟練的設(shè)計(jì)師才能有效且快速地將概念設(shè)計(jì)應(yīng)用到實(shí)際的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)際環(huán)節(jié)中，提升建筑結(jié)構(gòu)的可靠性[1]。

3 概念設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用的必要性

概念設(shè)計(jì)一經(jīng)提出便受到了建筑行業(yè)的廣泛關(guān)注，其具有的顯著優(yōu)勢(shì)在實(shí)際應(yīng)用中被不斷證實(shí)。第一，概念設(shè)計(jì)提高了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性。概念設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)從宏觀角度把握建筑結(jié)構(gòu)的整體性能與可靠性，遵循整體性原則合理確定建筑結(jié)構(gòu)形式與實(shí)際布局，盡可能減少細(xì)節(jié)構(gòu)造處理中潛藏著的安全隱患，以此增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的安全性。第二，概念設(shè)計(jì)有助于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。概念結(jié)構(gòu)注重綜合考慮建筑、水暖電、結(jié)構(gòu)等各個(gè)環(huán)節(jié)之間的協(xié)調(diào)性，從整體角度出發(fā)，把握建筑物的總體性能，綜合考量各個(gè)環(huán)節(jié)與要素的要求和限制，從而不斷優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，提升建筑使用舒適度的同時(shí)，提高建筑空間利用率。第三，提升設(shè)計(jì)效率。概念設(shè)計(jì)在實(shí)際的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用過(guò)程中，具體采用草圖、模型等方式快速生成設(shè)計(jì)方案，并開(kāi)展初步的可行性評(píng)估對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，一定程度上避免了后期的時(shí)間與成本浪費(fèi)，與此同時(shí)，概念設(shè)計(jì)可為后續(xù)詳細(xì)設(shè)計(jì)與施工提供針對(duì)性地指導(dǎo)，能極大提升整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程的工作效率與工作質(zhì)量。第四，貫徹設(shè)計(jì)師意圖。概念設(shè)計(jì)是連接建筑師與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師溝通交流的橋梁，能幫助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師更好地理解建筑師的設(shè)計(jì)意圖，并將具體的想法貫徹到實(shí)際的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中，使建筑設(shè)計(jì)更加滿足預(yù)期要求，達(dá)到預(yù)期風(fēng)格[2]。

4 概念設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用步驟

4.1 明確設(shè)計(jì)要求，初定結(jié)構(gòu)方案

目標(biāo)分析是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用概念設(shè)計(jì)的第一步，可為后續(xù)的設(shè)計(jì)工作提供基礎(chǔ)性支持。第一，明確設(shè)計(jì)要求。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)建筑物的功能、規(guī)模、用途、預(yù)算、安全性要求、經(jīng)濟(jì)性要求等諸多方面進(jìn)行深入了解是概念設(shè)計(jì)應(yīng)用的基礎(chǔ)和前提條件，通過(guò)對(duì)建筑物的深入了解與分析，能幫助設(shè)計(jì)師明確設(shè)計(jì)的方向和重點(diǎn)，為后續(xù)的設(shè)計(jì)工作開(kāi)展奠定基礎(chǔ)。第二，初定結(jié)構(gòu)方案。在掌握建筑結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)要求與標(biāo)準(zhǔn)之后，可依據(jù)實(shí)際情況，充分考慮到建筑物的空間布局、結(jié)構(gòu)體系、材料選擇、施工條件等方面的因素，初步確定結(jié)構(gòu)方案[3]。以某個(gè)商業(yè)綜合體為例，具體的設(shè)計(jì)任務(wù)和要求有：建筑規(guī)模5 萬(wàn)平方米，建筑高度為3 層，每層建筑面積為1萬(wàn)平方米，主要功能為商場(chǎng)、餐廳和娛樂(lè)設(shè)施，建筑物安全性與穩(wěn)定性需滿足消防和抗震要求，建筑物空間布局需盡可能提升商鋪的實(shí)用性和租金收益，采用節(jié)能環(huán)保的材料和設(shè)備，降低建筑物的能耗和維護(hù)成本。設(shè)計(jì)師在充分開(kāi)展目標(biāo)分析之后，依據(jù)實(shí)際情況，初步明確了采用具有較高承載力和剛度的剪力墻結(jié)構(gòu)作為主要的結(jié)構(gòu)方案，為后續(xù)的工作開(kāi)展奠定了基礎(chǔ)。

4.2 開(kāi)展概念分析，把握建筑要求

在實(shí)際的概念分析時(shí)，設(shè)計(jì)師需充分考慮以下因素：第一，不同的建筑使用功能不同，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的選擇也有所差異；第二，建筑物的規(guī)模和高度對(duì)結(jié)構(gòu)形式和材料選擇有很大的影響；第三，設(shè)計(jì)師需依據(jù)不同的地質(zhì)條件選擇合適的結(jié)構(gòu)形式和基礎(chǔ)類(lèi)型[4]。如商業(yè)建筑和住宅建筑在結(jié)構(gòu)形式和材料的選擇上存在著很大差異性，商業(yè)建筑通常包括商場(chǎng)、酒店、辦公樓等，需具有足夠的空間滿足商業(yè)活動(dòng)的需要，還需采用具有現(xiàn)代感與美觀感的結(jié)構(gòu)形式和材料突出外部形象的美感，同時(shí)需滿足易于改造和升級(jí)的要求，因此鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的組合是商業(yè)建筑的首選，而住宅建筑更加關(guān)注建筑使用的安全性與舒適性，磚混結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)更受歡迎。

4.3 制定設(shè)計(jì)方案，明確設(shè)計(jì)方向

制定設(shè)計(jì)方案需以概念分析結(jié)果、建筑物實(shí)際情況和各種因素為基礎(chǔ)和依據(jù)。首先，設(shè)計(jì)師需選擇合適的結(jié)構(gòu)體系。將建筑需求與墻承重結(jié)構(gòu)、排架結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)、大跨度空間結(jié)構(gòu)、混凝土框架結(jié)構(gòu)、木框架結(jié)構(gòu)、鋼框架結(jié)構(gòu)等基本特征與優(yōu)勢(shì)相匹配，選擇適合建筑需求的結(jié)構(gòu)體系，以此提升建筑的安全性。其次，選擇合適的材料。依據(jù)概念分析結(jié)果與承重結(jié)構(gòu)要求選擇鋼材、混凝土、木材等不同的材料。最后，選擇合適的施工工藝與方法，并預(yù)算和控制成本，在確保建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性和穩(wěn)定性的前提下，對(duì)施工工藝與方法及成本進(jìn)行優(yōu)化[5]。某市492 米高的超高層建筑，作為世界上最高的鋼筋混凝土建筑之一，在實(shí)際的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用了概念設(shè)計(jì)制定了詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師多因素考慮下，決定采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)和組合樓板設(shè)計(jì)等方案，以增強(qiáng)建筑的穩(wěn)定性和安全性，采用高強(qiáng)度混凝土、鋼材等材料，確保結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度；為更好地提升施工效率、降低成本，明確采用預(yù)制裝配式施工方法、逆作法等，并實(shí)時(shí)優(yōu)化施工工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，降低實(shí)際施工中影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性因素出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。

4.4 完善具體設(shè)計(jì)，完成圖紙制作

完善具體設(shè)計(jì)與圖紙制作屬于應(yīng)用概念設(shè)計(jì)開(kāi)展建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的核心環(huán)節(jié)。在實(shí)際實(shí)施過(guò)程中，建筑師需對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的分析和計(jì)算，不僅需要對(duì)結(jié)構(gòu)梁、板、柱、墻等部件的尺寸、形狀、材料、連接方式等進(jìn)行精準(zhǔn)的計(jì)算和設(shè)計(jì)，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)承受的重力、風(fēng)力、地震力等荷載進(jìn)行分析，還需關(guān)注建筑結(jié)構(gòu)的彎矩、剪力、軸力等內(nèi)力，同時(shí)需根據(jù)內(nèi)力分析與荷載計(jì)算結(jié)果，明確建筑結(jié)構(gòu)的配筋種類(lèi)、直徑、數(shù)量、布置方式等，以此確保建筑結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性。將詳細(xì)的計(jì)算與分析結(jié)果在各種施工圖紙、節(jié)點(diǎn)大樣圖、結(jié)構(gòu)剖面圖等施工圖紙上顯示出來(lái)，使概念設(shè)計(jì)應(yīng)用到建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中的最后步驟，需明確表達(dá)概念分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體結(jié)果，同時(shí)需以詳細(xì)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行印證，以確保建筑結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性。詳見(jiàn)圖1。

圖1 應(yīng)用概念設(shè)計(jì)完善具體建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程圖

4.5 進(jìn)行設(shè)計(jì)審查，優(yōu)化施工圖示

應(yīng)用概念設(shè)計(jì)開(kāi)展建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，需要對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)審查，其目的是評(píng)估設(shè)計(jì)是否符合相關(guān)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)、是否存在安全隱患等。在設(shè)計(jì)審查的過(guò)程中，需著重從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：第一，評(píng)估建筑結(jié)構(gòu)、建筑抗震設(shè)計(jì)等是否滿足國(guó)家及地方的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，如果不符合相關(guān)規(guī)范，需進(jìn)行針對(duì)性調(diào)整和修改；第二，審查結(jié)構(gòu)體系是否具備足夠的承載力和穩(wěn)定性，構(gòu)件設(shè)計(jì)是否切實(shí)符合施工難度和使用要求；第三，檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析的準(zhǔn)確性，采用合適的計(jì)算模型與方法，對(duì)各種負(fù)荷工況與組合方式進(jìn)行重新審核；第四，審核構(gòu)件措施的可靠性，注重細(xì)節(jié)問(wèn)題確保建筑結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性。此外，還需對(duì)施工圖進(jìn)行完善，針對(duì)出現(xiàn)的審查問(wèn)題進(jìn)行針對(duì)性修改，并關(guān)注細(xì)節(jié)處理，以提升其指導(dǎo)實(shí)際施工的準(zhǔn)確性，滿足建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量要求。

5 概念設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用措施

5.1 增強(qiáng)結(jié)構(gòu)體系概念，考慮結(jié)構(gòu)耐久性

建筑結(jié)構(gòu)體系是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)體系概念是發(fā)展概念設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。在應(yīng)用概念設(shè)計(jì)開(kāi)展建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)師需深入理解不同結(jié)構(gòu)體系的性能和適用條件，結(jié)合具體的建筑工程實(shí)際需求進(jìn)行合理選擇和應(yīng)用，與此同時(shí)，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)體系概念設(shè)計(jì)，從整體性能和安全性角度出發(fā)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格把控，以此確保建筑物充分發(fā)揮其功能，如選擇結(jié)構(gòu)體系時(shí)，采用對(duì)抗震有利的建筑平面、立面布置，在不影響建筑使用需求的位置設(shè)置防震縫，且寬度取值應(yīng)比規(guī)范規(guī)定值大50㎜，以免在地震中的發(fā)生碰撞。

5.2 強(qiáng)化概念設(shè)計(jì)意識(shí)，建立概念設(shè)計(jì)規(guī)范

強(qiáng)化概念設(shè)計(jì)意識(shí)是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)在要求。實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)計(jì)師需樹(shù)立概念設(shè)計(jì)應(yīng)用意識(shí)，充分認(rèn)識(shí)到其對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要價(jià)值，與相關(guān)專(zhuān)業(yè)人員加強(qiáng)溝通和協(xié)同的同時(shí)，采用整體思維和創(chuàng)造性思維，將概念設(shè)計(jì)貫徹到整個(gè)設(shè)計(jì)中。概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范是發(fā)展概念設(shè)計(jì)的重要保障，也是設(shè)計(jì)師應(yīng)用的基本準(zhǔn)則，通過(guò)制定相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，明確概念設(shè)計(jì)原則與方法，將引導(dǎo)設(shè)計(jì)師在實(shí)踐中更合理地運(yùn)用概念設(shè)計(jì)開(kāi)展建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

5.3 提升設(shè)計(jì)師綜合素養(yǎng)，奠定人才基礎(chǔ)

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用概念設(shè)計(jì)，涉及多個(gè)方面和環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)師作為其中關(guān)鍵的參與者，其綜合素養(yǎng)將直接影響到概念設(shè)計(jì)實(shí)際應(yīng)用質(zhì)量和效率，因此，設(shè)計(jì)師的培訓(xùn)與能力提升是建筑企業(yè)不容忽視的一個(gè)環(huán)節(jié)。一方面，建筑企業(yè)需提升設(shè)計(jì)師對(duì)概念設(shè)計(jì)知識(shí)體系的完善，搜集整理相關(guān)內(nèi)容和案例加快設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)積累，提升其專(zhuān)業(yè)能力，另一方面培養(yǎng)設(shè)計(jì)師的創(chuàng)新意識(shí)、全局觀念，采用研討會(huì)、交流會(huì)、講座等方式，循序漸進(jìn)培養(yǎng)設(shè)計(jì)師的創(chuàng)新意識(shí)和能力，促使其能用自身知識(shí)體系，開(kāi)展概念設(shè)計(jì)應(yīng)用工作，同時(shí)提升其全局意識(shí)，兼顧建筑結(jié)構(gòu)的安全性、經(jīng)濟(jì)性、美觀性等，從整體角度出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

6 結(jié)論

目前，概念設(shè)計(jì)已經(jīng)成為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不可或缺的一個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量提升和建筑工程的順利進(jìn)行起到了重要作用。在實(shí)際應(yīng)用概念設(shè)計(jì)開(kāi)展建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)師需樹(shù)立全局意識(shí)、整體觀念，明確設(shè)計(jì)要求，開(kāi)展概念分析，制定設(shè)計(jì)方案，完善具體設(shè)計(jì)，并進(jìn)行設(shè)計(jì)審查，以此提升建筑結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，確保建筑使用的質(zhì)量。