工業建筑中的結構概念設計

隋翔宇

隨著計算機和結構分析軟件的廣泛應用和普及，它使結構工程師擺脫了過去必須進行的大量的手工計算，工作效率得以大幅度的提高。與此同時，有些結構工程師對結構計算軟件的依賴性也越來越大，有時甚至過分地相信計算軟件，而忽略了概念設計的重要性。

在結構設計中，主要分為民用建筑設計和工業建筑設計，在民用建筑內，無論是居住建筑還是公共建筑，一般建筑體型比較規則，荷載情況比較簡單;相反，在工業建筑中，隨著工藝特點的不同，相應的結構布置及結構形式也不一樣，往往建筑體型不規則，荷載情況也比較復雜;在設計中，由于工藝要求的特殊性，結構布置必須滿足特定的工藝布置，如電纜夾層在框架結構中容易形成短柱;框架內的輸送皮帶形成的斜樓板，造成的錯層布置;大型設備在室內布置，也容易造成框架柱在某一個方向的計算長度的取值問題;廠房的毗間、山墻、屋頂的局部框架問題;振動設備的減振構造措施等等。這些問題在采用結構計算軟件進行分析時，往往在規范中缺少明確的規定，需要結構工程師依靠豐富的設計經驗來處理。另外，工業建筑的復雜荷載工況也給計算帶來了許多麻煩，這還需要結構工程師對主要工藝性能做進一步的了解，才能判斷出什么樣的荷載工況才是最不利的，有的時候甚至要自己根據工藝特點進行荷載組合。在遇到這些問題時，不能簡單的按照常規設計要求進行，往往這些特殊因素才是真正的控制因素。現在國內通用的結構計算軟件基本都是以民用建筑作為主要適用對象，民用建筑大部分結構布置都比較規范，荷載情況也比較單一，因此，國內通用的結構計算軟件基本都能夠適用，而且，在建模計算后計算結果也都比較正常。相反，在工業建筑的結構設計分析時，有時個別特殊部位在模型中無法體現，有時雖然勉強在模型中能夠體現，但計算結果往往會顯示異常，導致計算結果不可用。因此，在工業建筑的設計中，結構概念設計就顯得尤為重要，恰當的簡化模型、適當的荷載組合對最終的計算結果就顯得尤為重要，只有這樣，才能借助目前現有的結構計算分析軟件，在結構設計中做到既保證結構的安全性，又能節約經濟，避免肥梁胖柱的出現。

概念設計是展現一個結構工程師設計思想的關鍵，結構工程師的主要任務就是在一定的建筑功能和工藝要求下來完成結構總體的設計，并能妥善地處理建筑與結構、工藝與結構、構件與結構、結構與結構的關系，最終設計出合理的產品。強調概念設計的重要，也是因為計算軟件的局限性并不能適應所有的結構問題，實際存在大量無法運用計算軟件進行準確分析的結構構件，它們都需要采用概念設計與結構措施來滿足最終的結構設計的目的。同時程序計算結果是根據不同工況提供不同的數據，究竟哪種工況下的計算結果才是真正需要的，有時甚至要結合不同工況的計算結果綜合分析應用，結構工程師只有加強結構概念的鍛煉，才能準確地判斷計算結果的合理性及準確性，最終獲得我們需要的結果。

概念設計之所以重要，還在于在初步設計階段、方案設計階段，這些過程是無法或完全借助于計算機和結構計算分析軟件來實現的。在初步設計或方案階段，往往需要結構工程師對結構體系，結構布置等根據工藝布置方案做出規劃，有時候甚至還要進行一定的建模計算，以便最終確定方案的可行性和合理性。在這一階段確定的方案，往往和工藝大的設備選型相輔相成，由于大型設備的生產制造周期較長，一旦通過相關部門的審查后，建設單位就會聯系相關制造商，開始訂貨，相應的結構設計方案就會成為下一階段施工圖設計階段的設計依據。如果結構工程師對方案考慮不周，會給下一階段的工作帶來相當大的麻煩，有時甚至會給整個項目帶來不可估量的損失。這就需要結構工程師在初步設計階段、方案設計階段綜合運用其掌握的結構概念，結合工藝特點，選擇結構性能好、經濟效益明顯的結構方案，為此，需要結構工程師不斷地豐富自己的結構概念，深入、深刻了解各類結構的性能，并能有意識地、靈活地運用它們。結合一定的結構分析軟件，合理的簡化模型，充分利用結構分析軟件的強大功能，最終提出經濟合理的設計方案，為下一階段的施工圖設計工作做好準備。

隨著社會的發展，大型、超大型的工業建筑越來越多，建筑體型也越來越復雜，另外，鋼結構在工業建筑中的應用也越來越多，許多新的工業建筑都是前所未有的。有時為了工程進度及工藝要求，鋼結構與鋼筋混凝土結構往往組合使用，這樣，既提高了施工進度，又便于后期的工藝安裝。在這種情況下，就更加突顯出結構概念設計的重要性，同時也對結構計算分析軟件提出了更高的要求，而軟件本身又存在一定的滯后性，往往是軟件開發人員針對新出現的設計問題來不斷完善軟件的功能。在結構設計過程中，不可能等設計軟件完善后再繼續設計，只能利用現有的結構分析軟件進行設計。正因為如此，結構工程師只能通過恰當的概念設計，經過一系列的簡化和假定，盡量使工程設計和所采用的計算軟件的基本假定、力學模型更加接近，使計算分析更加能夠體現建筑本身的實際運行工況，保證計算結果的正確合理、有效。

抗震分析也是建筑結構計算分析的一個重要方面，尤其是一些重要的工業建筑，基于本身的特殊功能，關系到國家的經濟發展和人民的基本生活保障，如大型核電廠、大型化工建筑、能源建筑，對地震作用有著嚴格的要求，一旦它們在地震時遭到損毀，會給救災和災后重建帶來無法想象的困難。有時，這些工業建筑一旦遭到損毀，其自身帶來的損失和災害甚至要比地震造成的損害更加嚴重。由于地震作用的不確定因素太多，僅憑計算軟件的分析是不能保證結構安全的，抗震概念設計就成為抗震設計的一個重要組成部分，它應該貫穿于結構計算分析和細部構造的全過程。就如砌體結構，無論縱墻承重、橫墻承重還是縱橫墻共同承重，在結構分析軟件中都能順利通過計算，但是這三種布置方式的地震作用傳遞途徑不同，當然，在地震力作用下，抗震效果也截然不同。因此，在抗震分析時，概念設計主要體現在這幾個方面:首先應具有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑，對可能出現的薄弱部位，應采取相應的構造措施提高抗震能力，應避免因部分結構或構件的局部破壞而導致整個結構喪失抗震能力或對重力荷載的承載能力。其次結構應具備必要的抗震承載力，良好的變形能力和消耗地震能量的能力，宜具有合理的剛度和承載力分布，避免因局部削弱或突變形成薄弱部位，產生過大的應力集中或塑性變形集中。最后結構在兩個主軸方向的動力特性宜接近，采用有效的措施防止過早的剪切和受壓等脆性破壞。

綜上所述，結構的概念設計在工業建筑設計中，是核心和靈魂，它影響著結構設計的全部過程，從方案到構造，從計算分析到抗震措施都貫穿著概念設計。結構計算軟件是目前結構設計必不可少的工具，只有恰如其分的運用結構概念設計從整體上把握結構的各項性能，配合結構計算軟件進行準確的計算分析，最后再對計算分析結果進行科學的判斷、合理的采用。只有這樣，才能面對復雜多變的工業建筑，從容的進行結構設計，才能確保結構的安全性、經濟性;而作為設計人員，也只有不斷地提高自身的概念設計能力，才會逐步成為一名優秀的結構工程師。

[1] GB 50010-2002，混凝土結構設計規范[S].

[2] GB 50011-2001，建筑抗震設計規范(2008年版)[S].

[3] 林鳳欽.淺探房屋建筑的結構概念設計[J].山西建筑，2010，36(14):59-60.