結構設計離不開概念設計

鐘國明

(廣東省建筑設計研究院，廣東廣州 510623)

1 概念設計

舊版的GB 50011-2001建筑抗震設計規范以及JGJ 3-2002高層建筑混凝土結構技術規程對概念設計已經有了較為明確的規定。在經歷汶川地震的檢驗后，也證明了依照該版規范所設計的建筑結構，其抗震性能是基本能達到預期效果的。而經過對舊規范在實際工程設計使用過程中近十年的經驗總結，還有震害教訓的歸納，新版的GB 50011-2010建筑抗震設計規范以及JGJ 3-2010高層建筑混凝土結構技術規程對概念設計的內容也有了更加全面和符合實際的補充、完善。而且給出了相關條文作為設計準則。根據規范的定義，建筑抗震概念設計就是指根據地震災害和工程經驗等所形成的基本設計原則和設計思想，進行建筑和結構總體布置并確定細部構造的過程。規則性概念是概念設計其中一個重要部分。新版抗震設計規范不但明確建筑形體的規則性，而且針對不同形體和布置的建筑劃分為規則和不規則兩大類。對不規則的建筑針對其程度的不同而提出不同的要求，并且強調了不允許采用嚴重不規則的建筑結構設計方案。

筆者認為概念設計是一種定性的設計。它是在建筑設計要求所規定的約束條件下，不需要經過精確的計算，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并結合結構的安全等級、抗震設防等級、地質資料、材料、自然環境等所獲得的基本設計原則和設計思想，它應該貫徹在整個結構設計的全過程。而依照規范的準則，結構設計人員的目標就是做一個滿足建筑使用功能與審美要求的規則結構。然而，在現實的設計工作中，這兩者往往是魚與熊掌不可兼得的，建筑的不規則性常常是不可避免的。因為建筑師不會按照結構的概念設計準則去進行創作，甚至個別建筑師會視之為對其創作靈感的一種束縛。所以，更多的情況是結構設計人員需要向建筑師和業主不斷的作出妥協和讓步，到最后結構設計人員所能保持的底線往往就只剩下不能使結構出現嚴重不規則的情況。

2 行業現狀與工程實例

隨著建筑設計行業設計周期遭到不斷的壓縮，對所謂高效率的設計更是無止境的追求。迫使一些參加工作時間不長的結構設計人員便要獨立完成一個項目從方案到施工圖的設計。而在計算機硬件、軟件高度發達的今天，結構設計的計算程序化程度也愈發提高。不少的計算軟件往往號稱能給出一個精確的計算結果，并且與規范條文一一對應，可操作性強，這使得對結構設計人員不合理的時間要求也似乎變成了可能。而對于工作時間不長的設計人員，工程經驗是極度缺乏的，甚至對規范學習也未曾深入了解，概念設計這一原則和思想自然也未建立起來，這就使得他們更多的只能依賴于結構設計程序和對規范條文的生搬硬套。但這樣的設計其可能導致的后果也是難以預料的。下面將以一個簡單的工程實例來加以說明。

某工程位于廣東省佛山市，13層實驗辦公樓，建筑物總高度為62.3 m，其中首層高7.2 m，二層高5.6 m，其余樓層高4.5 m，采用框架—剪力墻結構。建筑方案由國外建筑事務所負責設計。因為受建筑使用功能布置以及立面效果的限制，電梯井剪力墻只能集中偏置于一側。而由于結構剛度的需要，電梯井這部分的剪力墻不能減少，由此所帶來的最直接問題就是結構的扭轉效應過大該如何解決，結構設計人員想到的解決辦法理所當然的就是在建筑平面的另一側增設剪力墻。而且，基本的結構概念告訴我們，剪力墻越靠近建筑平面的外側其效果自然也會越明顯。結構設計人員正是憑著這一思路，在方案設計階段先后提出了以下兩個結構平面布置方案(見圖1，圖2)。

其中，方案一是結構設計人員在剛拿到建筑平面方案后，聽取了建筑師簡單的介紹和要求，然后經過試算后提出的結構柱網。若僅看計算程序的輸出結果，包括結構的周期、周期比、位移角、位移比、層剛度比、剪重比、有效質量系數等等所有規范條文所提及的設計參數均能滿足要求。但是，只要我們稍加思考便能發現方案一有一個極大缺陷，而且是安全隱患。那就是左側的剪力墻集中的設置在①軸樓梯平臺端部，只有兩片小墻肢設在②軸，而整個樓梯間只有兩根梁和樓層位于同一標高與樓層相接，根據結構概念，當整個結構受到水平地震作用時根本無法通過樓板有效的將其傳到①軸的剪力墻上。然而，從該片剪力墻的計算結果卻可看到，它承擔了很大一部分的水平地震作用。說明其計算結果與實際受力情況并不相符。

為了解決方案一的缺陷，結構設計人員克服溝通上的困難，多次主動與國外建筑師進行了的溝通協商達至妥協，在盡可能少影響建筑平面使用功能以及立面效果的前提下，并經過反復的試算，最終提出了方案二的結構柱網。其主要處理思路按以下幾個方面進行:1)減少①軸上剪力墻的剛度。在滿足基本的豎向承載力需求前提下，把該部分剪力墻截面盡可能做小，以減少它對結構所提供的不真實抗扭剛度，計算時按異形柱錄入，計算結果顯示其所分配到的水平力大幅降低，符合設計設想的效果;2)首層在②軸交?軸～?軸處增加兩小片剪力墻，提高結構抗扭剛度同時解決因首層層高過高而相對剛度較弱的問題;3)把②軸上原有的兩片剪力墻加厚加長，并在二層～三層?軸～?軸及?軸～軸間增設鋼骨混凝土斜向支撐，以保證結構所受的水平力能有效傳遞并分配到抗側力構件上。在采取了上述的處理方法后，計算結果均能滿足規范的要求，所得到的結果也能符合實際預期。

3 結語

從上述簡單的實例我們可知，若能在形成建筑方案的最初階段，建筑師和結構設計人員經過討論協商，把建筑的不規則性控制得盡量的少，那是最理想的。但是，作為結構設計人員，除了應該更主動與建筑專業加強溝通外，不能把設計過程中遇到的種種困難全都歸結到建筑專業上。而且我們也不能不加思索地去采用計算程序得出的所有結果，否則其后果將會如一些美國專家學者所警告的:“誤用計算機造成結構破壞而引起災難只是一個時間問題。”而概念設計的原則、思想就是避免導致這種惡果的最有效方法。另外規范所給出的準則便是使概念設計這一原則、思想的具體化，它應當成為結構設計人員實際工作的指引、依據，我們對這些準則要知其然以及知其所以然，切忌一知半解而盲目做設計。所以，培養自身概念設計這一重要思想，使它很好的貫徹在實際設計的全過程，應當成為每個結構設計人員的一個既定目標。

我們可以遵循以下兩個方面去達至這一目標:

1)必須懂得歸納總結。

因為從概念設計的定義中我們便可以知道，其本身是離不開對過去工程經驗、教訓的總結，對于工作時間不長、實際設計工程經驗不太多的結構設計人員，就應該多學習前人的經驗、經典案例，尤其是規范，不單是表面條文，應盡可能深入了解其內涵及其制定的背景和出發點，并在實際工程中好好的體會、積累，切莫急于求成。

2)靈活應用。

雖然概念設計是一種設計原則和思想，但它并不應該是固化的，也不應讓規范成為結構設計墨守成規的理由，隨著對不同結構類型及其性能更深入、深刻的了解，對結構概念也將會有新的認知，其內涵也會有新的發展變化，我們應該有意識地、靈活地運用它，為概念設計不斷注入新的思想。總之，結構設計人員是離不開概念設計這一基本原則和思想的。因為它不但能提升設計人員自身的結構水平、結構素養和創新能力，而且能有效保障結構安全性這一根本要求，使建筑結構設計得更加安全、實用、經濟、美觀。

［1］GB 50011-2010，建筑抗震設計規范［S］.

［2］JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結構技術規程［S］.

［3］高立人，方鄂華，錢稼茹.高層建筑結構概念設計［M］.北京:中國計劃出版社，2005.

［4］徐培福.復雜高層建筑結構設計［M］.北京:中國建筑工業出版社，2005.

［5］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.