概念設計與結構措施在建筑結構設計中的應用

賈晉

北京石大東方工程設計有限公司 北京 102200

引言

市場經濟為建筑行業帶來了更大的發展可能性。在各種類型及規模的建筑項目中，有關人員需注重結構設計工作，這是決定工程結構整體安全性的重要因素。目前在建筑結構設計中陸續出現了很多新理念、新方法與新技術，但為達到預期的設計效果，有關人員需合理應用概念設計思想，采取多樣化結構措施，保障結構整體與局部的合理性。結構設計是影響建筑功能效益、質量安全的關鍵方面，在未來的各個建筑結構設計中需大力推廣概念設計，建立科學的結構設計路徑。

1 概念設計的基本概念

1.1 概念設計的內涵

目前的建筑市場上，許多建筑結構設計中都采用了概念設計的相關理論。具體的設計工作中設計人員需依據設計概念來評估建筑設計計劃的合理性、規范性與可行性，與此同時還需結合自身的設計經驗，從宏觀角度確定建筑結構形狀，參考行業規范與標準確定結構細節，適當使用隔振裝置，達到建筑結構安全、穩定的設計目標[1]。依據建筑結構設計經驗，概念設計對建筑設計有直接影響，不僅關乎建筑的整體安全性，也與施工周期、項目投資等有關。如能在設計中合理應用概念設計方法，在一定程度上可減少估算、計算錯誤的現象，使有關人員從經濟性、技術性、安全性等角度優化建筑結構。

1.2 概念設計的實施步驟

目前，建筑行業內的工程設計中越發注重概念設計，此設計工作一般涉及分析、綜合、評估與完成幾個階段，每一階段都有其特定的工作目標，只有順利完成了每一階段的設計任務，方可進入下一環節的設計階段。如某一階段的設計工作達不到預期，應重新進行相應的工作，直到符合要求。概念設計的流程如下：①分析階段。此階段需獲取與建筑有關的各種信息，整合這些信息并進行相應的計算與分析，作為后續設計的參考。②綜合階段。此階段的工作中設計人員需依據自身的設計經驗，并利用行業現有的設計規范與標準，考慮建筑現場的具體情況及設計要求，制定總體的設計計劃，將該計劃以圖紙方式來呈現。③評估階段。此階段有關人員需從綜合性角度評估前期所制定的設計計劃，重點要分析該計劃是否可行、是否與行業規范相一致。與其他環節的設計工作相比，評估階段的工作呈現周期性特征，當設計工作符合標準后進入下一環節的工作，具體的評估過程中應創建完善的功能模型，在該模型中輸入各種公式，后續評估中可直接在該模型中進行自動對比、分析，從綜合性角度優選方案。④完成階段。依據已定義的建筑結構設計計劃執行相應操作。

2 結構設計的主要措施

2.1 科學選取建筑場地

建筑結構設計要達到預期目標，前期的選址工作尤為重要。許多建筑都有抗震性、安全性規定，前期選址時應優先選擇高抗震性區域。同一棟建筑物的不同建筑工地，其抗震特性有大有小，在結構設計與施工中需重點關注這一部分。地震作用力影響下不僅需關注基礎結構的穩固性，還需分析上部結構的承載力，在此條件下選定基礎、上部結構及其他局部位置的結構形式，將建筑建在合適位置。

2.2 科學合理的選擇結構材料

任何類型的建筑工程建設中都涉及了多種材料，材料類型及特性也是影響工程結構性能的重要因素。在利用結構措施優化建筑設計時，相關人員需優選材料，主要需做好以下工作：①鋼材與混凝土，這類型材料為建筑結構中的普遍性材料，但因為市場上的這些材料種類繁多，為有效確保這些材料的性能與工程結構要求相一致，應加強對比。對于一般性建筑工程項目，應使用強度等級在C25以上的混凝土。為縱向加固各結構元件，施工作業中應采用高強度鋼筋[2]。②根據需求選用新型材料。建筑行業穩步發展的過程中，在行業內陸續出現了各種新型材料，通過應用新材料與舊材料，可有效發揮新材料的優勢，提高建筑的結構性能。

2.3 合理選擇建筑結構體系

在概念設計下設計建筑結構時，有關人員應確保結構體系有明確的地震作用傳遞途徑。第一，在布置樓屋蓋梁系時，應盡量使垂直重力荷載以最短的路徑傳遞到豎向構件墻、柱上；第二，布置豎向構件時，應使此類構件在垂直重力荷載作用下的壓應力水平接近均勻，以防止豎向構件之間壓應力的二次轉移現象；第三，布置轉換結構時，應盡可能使上部結構豎向構件傳來的垂直重力荷載通過轉換層一次或者多次轉換，也就是能正常傳遞到豎向構件中；第四，整體抗側力結構應明確，傳力應直接，抗側力結構體系主要為框架、剪力墻形成，這些之間應貫通連續，如這些沿豎向有變化，變化應緩慢且均勻。

2.4 抗震設計

建筑結構設計中的抗震概念設計，就是要保障建筑整體結構可耗散地震能量，防止地震過程中建筑中有薄弱敏感區域。一旦地震能量僅集中在個別薄弱區域，將破壞整體結構。現代建筑中抗震設計十分重要，相關人員需基于對整個結構在耗散地震能量方面的作用，以小地震作用為前提計算結構受力情況，確定構件截面，并選定構造措施，具體可通過彈性時程分析來實現補充計算。為提高建筑抗震概念設計水平，主要需關注以下方面：應選擇利于抗震的場地與地基，并采用相應的措施維護地基穩固性，以應對地基變形現象；基礎設計應遵循合理性規定，屬于同一結構的單元部分不應設置于不同性質的地基上，也不得選擇不同的基礎形式；在選擇建筑物體型時，應遵循對稱、規則、簡單性原則，確保質量、剛度的變化具有均勻性，以應對地震導致的結構變形、應力集中現象。

3 概念設計與結構措施在建筑結構設計中的具體應用

3.1 項目概況

某大型建筑，總共25層，地上、地下分別23層、2層，總建筑面積29000萬m2。綜合本項目建設情況，安排專人進入現場展開了一系列調研，項目所在地屬于Ⅲ類土質，結構主體選擇剪力墻。由于本項目所在地特征，在結構設計中應確保具有8度的抗震設防烈度級別。

3.2 實踐應用

3.2.1 合理選擇施工場地。針對本建筑項目，在利用概念設計與結構措施進行結構設計時，關鍵應做好前期的選址工作，在恰當的場地上建設項目，當確定場地位置后再依據場地內的地基類型，做好基礎處理。本項目中當相關人員完成了立項任務后，為保障設計工作的高效開展，有關人員需按照要求開展設計準備工作。首先，本項目有嚴格的基礎建設規定，最初設計中企業需安排專人進入現場展開一系列調研，分析建設場地內的土壤、水文等基本情況，獲得完整且準確的地質勘察結果，將此結果作為設計依據。有關人員進入現場開展了一系列調研后，發現場地、四周均無斷裂現象，也未存在明顯的不利地質條件。工程企業邀請多個專家進行了評估與分析后，所選擇場地穩定性較好，基本能滿足工程施工要求。其次，在確定工程場地時，有關人員還需要從多個角度做好地基基礎的選型工作，由專人根據地質勘察結果，考慮工程建設的結構要求，進行受力分析與計算[3]。統計地質勘察、受力結算結果，發現本項目擬建設場地在海平面以下7m的區域，施工作業中面臨濕陷性黃土條件。最后，根據上述的分析結果，為達到結構標準，施工企業需為結構施工配備專業化設備。另外，在地下一層的層高為3.3m，地下2層的層高為3m。綜上，本項目中選擇的是筏形基礎，厚度為1.4m。施工建設期間遇到濕陷性土層時，為與結構穩定性要求相一致，需將濕陷性土層全部挖除。

3.2.2 改善結構抗震性能。建筑行業在穩步發展的過程中，人們對結構設計提出了全新的要求，在任何一個建筑項目中，抗震設計都應作為重點部分。在建筑抗震設計中應以概念設計為基準，綜合利用各種結構措施，使設計人員轉變設計思路，采用多樣化設計方法。在本建筑項目中，為增強結構抗震性，設計人員主要需注意以下方面：①全面統計與本項目有關的數據，由專人分析與結構抗震性能有關的數據，總結影響抗震性能的關鍵因素。在其他條件都符合要求的情況，建筑材料的性能對結構抗震性的影響較大，正式施工之前有關人員需對比多種原材料的性能。②按照本項目的結構設計要求，從已有的數據中獲取各種結構參數、防震數據。本項目的結構設計中為選出符合要求的材料，企業安排專人市場展開了一系列調研，分析了可用材料的類型，以及每一種材料的生產廠家、性能參數、價格、優缺點等，從選出的幾種可用材料中又進行了更為細化的對比。③確定與生產要素相一致的原材料驗收基礎、使用和生產指標，在建筑結構的各個部分合理應用原材料，發揮原材料的性能優勢。與此同時，在結構設計的各個部分，都需結合每一部分的結構需求適當調整材料尺寸等參數，以剪力墻為例，設計中應通過指標化方式確定剪力墻材料使用部位，以及材料參數，以保障材料能在局部結構中發揮作用，增強結構性能。④設計人員需全面總結其概念設計的相關經驗，完整列出施工階段的全部作業要素、建設指標，生成清單，使設計人員規范應用各種原材料，優化建筑抗震性能[4]。

3.2.3 設好防震縫及后澆帶。從建筑結構完整性角度，當達到了基本的設計規定后，應減少“設縫”。但是，從概念設計、結構措施的角度，在許多建筑中都必須合理“設縫”。因此，建筑結構設計中為凸顯“設縫”在結構體系中的作用，設計人員需做好總體性的結構分析，選定“設縫”位置，并同步給該位置設計防水、保溫方案。“設縫”具有較高的技術要求，結構施工中如“設縫”過多，不僅增大了施工難度和建設成本，也無法保障建筑的美觀性。常規性建筑中比較常見的有防震縫、伸縮縫、沉降縫，為提高這些結構縫的施工水平，有關人員需從實際需求方面采取更有針對性的設計措施，不僅需確保結構縫數量、類型的合理性，也需將各類結構縫布設在恰當的位置[5]。為達到本建筑項目的結構穩定與安全標準，需給結構體系設置防震縫、后澆帶，前者用于減震，后者可替代伸縮縫。綜合本項目的各種參數，建筑體型為“十”字形連拼體型，建筑高度較大，在設置了防震縫與后澆帶后，可改善結構扭轉，控制溫度應力。

3.2.4 靈活調整系數。任何類型及規模的建筑項目，為達到結構目標，都需保持概念設計與結構措施的協調性，以概念設計為基準，合理調整系數。首先，實際周期折減系數。建筑結構設計中這一系數為關鍵參數，以框架結構為例，其剛度與建筑總剛度成正比，與實際周期折減系數呈反比，在此關系下，如實際周期折減系數呈減小趨勢，具體剛度將伴隨著總剛度的增大而增大。常規條件下實際周期折減系數一般在0.8～1之間，以此為規范，本項目的結構情況符合標準。其次，振型數、高寬比。為檢驗這一參數是否符合結構標準，設計人員需按照結構的非規則特性，通過扭轉耦聯振型分解方式來展開詳細分析。本建筑項目中有超過15個以上的振型數。一旦擬建設項目為多塔形式，需依據超過9倍塔數的標準來確定振型數。再次，豎向荷載。市場上許多建筑的豎向荷載對梁結構有一定的作用力，考慮到這一受力特性，設計人員在確定負彎梁端調幅系數時，必須參考荷載大小值，必要情況下設置跨中彎矩，以保障梁結構的穩定性與安全性符合相應的標準。

4 結束語

建筑結構設計的難度較大、技術要求高，為在當下設計出符合人們需求的建筑，設計人員需根據結構設計規范，以概念設計為基準，采取一系列結構措施，優化整體結構并調節局部結構，以增強建筑結構的美觀性、安全性、經濟性。