淺談概念設計

劉英魁

摘 要：針對目前建筑結構設計當中墨守成規的現象，提倡采用概念設計思想來促進結構工程師的創造性，推動結構設計的發展。所謂的概念設計一般指不經數值計算，尤其在一些難以作出精確力學分析或在規范中難以規定的問題中，從整體的角度來確定建筑結構的總體布置和抗震細部措施的宏觀控制。

關鍵字：建筑設計；結構設計；概念設計

在不斷的結構設計研究與實踐中，人們積累了大量有益的經驗，并體現在設計規范、設計手冊、標準圖集等等。隨著計算機技術和計算方法的發展，計算機及其結構程序在結構工程中得到大量地應用，每個設計單位都在為徹底甩掉圖板而做努力。結果給部分結構工程師造成一種錯覺，覺得結構設計很簡單，只需遵循規范、手冊、圖集，等待建筑師給出一個空間形成的方案（非結構的），使用計算機，然后設法去完成它，自己只不過是一個東拼西湊的計算機畫圖匠而已。這不僅不能有效地運用他們的知識、精力和時間，而且還會與建筑師的交流中產生分歧與矛盾。

我國結構計算理論經歷了經驗估算，容許應力法，破損階段計算，極限狀態計算，到目前普遍采用的概率極限狀態理論等階段?，F行的《建筑結構設計統一標準》（GBJ68-84）則采用以概率理論為基礎的結構極限狀態設計準則，以使建筑結構的設計得以符合技術先進、經濟合理、安全適用。概率極限狀態設計法更科學、更合理。但該法在運算過程中還帶有一定程度的近似，只能視作近似概率法。并且光憑極限狀態設計也很難估計建筑物的真正承載力的。事實上，建筑物是一個空間結構，各種構件以相當復雜的方式共同工作，且都并非是脫離總的結構體系的單獨構件。目前，人們在具體的空間結構體系整體研究上還有一定的局限性，在設計過程中采用了許多假定與簡化。作為結構工程師不應盲目的照搬照抄規范，應該把它作為一種指南、參考，并在實際設計項目中作出正確的選擇。這就要求結構工程師對整體結構體系與各基本分體系之間的力學關系有透徹的認識，把概念設計應用到實際工作中去。

所謂的概念設計一般指不經數值計算，尤其在一些難以作出精確理性分析或在規范中難以規定的問題中，依據整體結構體系與分體系之間的力學關系、結構破壞機理、震害、試驗現象和工程經驗所獲得的基本設計原則和設計思想，從整體的角度來確定建筑結構的總體布置和抗震細部措施的宏觀控制。運用概念性近似估算方法，可以在建筑設計的方案階段迅速、有效地對結構體系進行構思、比較與選擇，易于手算。所得方案往往概念清晰、定性正確，避免后期設計階段一些不必要的繁瑣運算，具有較好的的經濟可靠性能。同時，也是判斷計算機內力分析輸出數據可靠與否的主要依據。

比如，有的設計人員用多、高層結構三維空間分析程序來計算底層框架，還人為的布置一些抗震墻，即不能滿足樓層間的合理剛度比，也不能正確地反映底層框架在地震時受力狀態。問題在于結構概念不明確，沒考慮這兩種結構體系的差異。軟件的選擇和使用不當，造成危害是不容忽視的。美國一些著名學者和專家曾警告工業界：“誤用計算機造成結構破壞而引起災難只是一個時間的問題。”然而避免這種情況，概念設計的思想不妨是個好方法。

運用概念設計的思想，也使得結構設計的思路得到了拓寬。傳統的結構計算理論的研究和結構設計似乎只關注如何提高結構抗力R，以至混凝土的等級越用越高，配筋量越來越大，造價越來越高。結構工程師往往只注意到不超過最大配筋率，結果肥梁、胖柱、深基礎處處可見。以抗震設計為例，一般是根據初定的尺寸、砼等級算出結構的剛度，再由結構剛度算出地震力，然后算配筋。但是大家知道，結構剛度越大，地震作用效應越大，配筋越多，剛度越大，地震力就越強。這樣為抵御地震而配的鋼筋，增加了結構的剛度，反而使地震作用效應增強。其實，為什么不考慮降低作用效應S呢？目前在抗震設計中，隔震消能的研究就是一個很好的例子。隔震消能的一般作法是在基礎與主體之間設柔性隔震層；加設消能支撐（類似于阻尼器的裝置）；有的在建筑物頂部裝一個“反擺”，地震時它的位移方向與建筑物頂部的位移相反，從對建筑物的振動加大阻尼作用，降低加速度，減少建筑物的位移，來降低地震作用效應。合理設計可降低地震作用效應達60%，并提高屋內物品的安全性。這一研究在國內外正廣泛地深入展開。在日本，研究成果已經廣泛應用于實際工程中，取得良好的經濟、適用效果。而我國由于經濟、技術和人們認識的限制，在工程界還未被廣泛地應用。

同時，在目前建筑結構抗震鑒定及加固中，概念設計的思想也應得到延伸。在1976年唐山地震中，天津市加固的2萬間民房無一倒塌，但天津第二毛紡廠三層的框架廠房，卻因偏重于傳統構部件的加固 ，忽視結構總體抗震性能的判斷，造成不合理的加固使抗震薄弱層轉移，仍然倒塌。

概念設計的思想被越來越多的結構工程師所接受，并將在結構設計中發揮越來越大的作用。然而現在的高校教學中，往往只重視單獨構件和孤立的分體系的力學概念講解。尤其在專業課教學中，單項計算練習居多，綜合練習偏少，并著重體現在考題中，使得相當部分學生養成只知套用公式解題的習慣。而且近年來強調計算機應用教育，比如，畢業設計用結構設計軟件計算、出圖。但由于計算機設計過程的屏蔽，手算過程訓練程度的削弱，造成學生產生一定依賴性，結果綜合運用能力下降，整體結構體系概念模糊。這些對于培養具有創造力、未來的工程師是相當不利的。

隨著社會經濟的發展和人們生活水平的提高，對建筑結構設計也提出了更高的要求。發展先進計算理論，加強計算機的應用，加快新型高強、輕質建材的研究與應用，使建筑結構設計更加安全、適用、可靠、經濟是當務之急。其中，打破建筑結構設計中的墨守成規，充分發揮結構工程師的創新能力，是相當必要的。因為他們是結構設計革命的推動者和執行者。這則需要工程界和教育界進行共同的努力。推廣概念設計思想是一種有效的辦法。

著名的美國工程院院士林同炎教授在《結構概念和體系》一書中為結構工程師提供了廣泛而又有獨特見解的結構概念設計基礎知識和設計實例。該書著重介紹用整體概念來規劃結果總體方案的方法，以及結構總體系和個分體系尖的相互力學關系和簡化近似設計方法。為結構工程師和建筑師在設計中創造性地相互配合，設計出令人滿意的建筑奠定基礎。這本書第二版的出版，為我們更好的加深概念設計的理解，提供有益的幫助。總之，概念設計必然會成為今后結構設計的主流思想，這就讓我們來共同學習、發展它吧，為結構設計的發展作出應有的貢獻。