試析建筑結構設計中概念設計的應用

【摘 要】隨著科學技術的發展和時代的進步，我國人民的生活水平越來越高，對建筑結構設計也提出了更高的要求，這也就給建筑結構的設計帶來了更大的壓力。為了提高建筑結構的設計水平，概念設計的思想被越來越多的設計師和設計單位所采納。文章試述了概念設計在建筑結構設計中的重要性，并重點探討了建筑結構設計中概念設計的應用。

【關鍵詞】建筑；結構設計；概念設計

概念設計是結構設計的核心和靈魂，它貫穿于結構設計的全過程。概念設計運用得好，能使結構滿足建筑要求并以最快的方式將荷載傳遞到基礎、地基中，創造更為安全、舒適的工作和生活環境，并節約材料和資金。由此可見， 在建筑結構設計中， 充分的正確掌握設計概念， 運用概念把控設計、計算過程， 運用設計概念檢驗計算結果的可靠性， 并能夠運用概念對不可靠結構進行調整， 是現代建筑結構設計的精髓， 是做出完美建筑工程的前提。

1 概念設計的概念

所謂的概念設計一般指不經數值計算，尤其在一些難以做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，有效地運載結構體系進行構思。比較與選擇，易于手算。所得方案往往概念清晰，定性正確，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。

2 概念設計的重要性

概念設計是展現先進設計思想的關鍵，一個結構工程師的主要任務就是在特定的建筑空間中用整體的概念來完成結構總體方案的設計，并能有意識地處理構件與結構、結構與結構的關系。一般認為，概念設計做得好的結構工程師，隨著他的不懈追求，其結構概念將隨他的年齡與實踐的增長而越來越豐富，設計成果也越來越創新、完善。

強調概念設計的重要，主要還因為現行的結構設計理論與計算理論存在許多缺陷或不可計算性，比如對混凝土結構設計，內力計算是基于彈性理論的計算方法，而截面計算卻是基于塑性理論的極限狀態設計方法，這一矛盾使計算結果與結構的實際受力狀態差之甚遠，為了彌補這類計算理論的缺陷，或者實現對實際存在的大量地樂趣計算的結構構件的設計，都需要優秀的概念設計與結構措施來滿足結構設計的目的。概念設計之所以重要，還在于方案設計階段，初步設計過程是不能借助于計算機來實現的，這就需要結構工程師綜合運用其掌握的結構概念，選擇效果最好，造價最低的結構方案。

3 建筑結構中運用概念設計時應注意的問題

3.1建筑設計應重視建筑結構的規則性

在高層建筑中，結構的對稱性主要指的是抗側力主體結構的對稱。對稱的建筑如平面對稱的簡體框架結構，剪力墻結構，框架結構等，一般比較容易實現結構的對稱性。不對稱的建設如平面形狀復雜的L型、T型、S型，樓電梯間偏于平面一側或一角的度層建筑等，內含結構的基本對稱仍是有可能實現的。這主要取決于結構工程師結合建筑平面的功能和需要進行合理的結構布置，如簡體，剪力墻的合理布置，可以設法調整結構的剛心與建筑物質心、平面的形心盡量接近，從而實現結構的基本對稱。結構的較大不對稱，將引起結構在水平側力作用下產生較大的扭轉變形，不利于結構抗側力，不利于非結構構件如填充墻、幕墻的正常工作，同時造成結構耗材，成本的較大增加。

3.2合理的建筑結構體系選擇

3.2.1結構體系應具有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑。1）樓屋蓋梁系的布置，應盡量使垂直重力荷載以最短的路徑傳遞到豎向構件墻，柱上去。2）豎向構件的布置，應盡量使豎向構件在垂直重力荷載作用下的壓應力水平按近均勻，以避免豎向構件之間壓實力的二次轉移。3）轉換結構的布置，應盡量做到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至多二次轉換，即能傳遞到下部的豎向構件上去。4）整體抗側力結構必須體系明確，傳力直接，抗側力結構一般由框架，剪力墻等組成，它們宜盡量貫通連續，若它們沿豎向要有變化，則變化要緩慢均勻。

3.2.2結構體系應避免因部分結構或構件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。

3.2.3結構體系應具備必要的承載能力，良好的變形能力和消耗地震能量的能力。

3.2.4結構體系宜有多道抗震防線。框架—剪力墻結構是具有良好性能的多道防線的抗震結構，其中剪力墻既是主要抗側力構件又是第一道抗震防線。因此，剪力墻應有相當數量，其承受的結構底部地震傾覆力矩不應小于底部總地震傾覆力矩的50%。

3.2.5結構體系宜具有合理的剛度。主體抗側力結構的剛度合理是高層建筑結構設計的重要指標之一。1）主體抗側力結構剛度過大，結構的基本自振周期短短，地震作用加大，結構承受的水平力，傾覆彎矩加大，地基基礎的負擔加大，此時結構的截面和相應的構造配筋增加較大，不經濟。2）主體抗側力結構剛度過大，勢必造成結構所占的面積，空間加大，影響建筑作用，降低建筑平面利用系數，不合理。

3.3 建筑結構的簡化計算

3.3.1 結構安全度的人為控制。高層建筑結構的設計計算，目前結構工程師都已廣泛采用各類結構軟件電算程序進行。在這種情況下，高層結構的簡化計算還要不要？如果要，深度應該達到什么程度？結構工程師根據實際工程設計的經驗，一致認為答案是明確的，要簡化計算，而且要達到一定的深度，但也不必過于繁瑣，要力求快速，簡捷，明了，并能把握結構的主要受力特征。

3.3.2 結構設計的經濟合理。結構工程師通過高層建筑結構的簡化設算，可以在正式電算前得到主體抗側力結構及其樓蓋結構的合理布置和截面的合理確定，下一步的電算實際上成為簡化計算的輔證和深化，這樣一方面，可以不必在上機后來回調整，節省電算時間，使電算更快捷有效，電算結果也容易比較放心，另一方面結構的布置，斷面的確定比較快的得到經濟合理的實現，從而使結構設計更加經濟合理。

4 建筑結構設計中概念設計的應用分析

4.1 平面設計

在水平荷載作用下結構側移已成為高層建筑設計中的關鍵控制因素，如何在滿足相關要求的前提下選擇更好的抗側力體系成了結構工程師追求的重大目標。建筑平面的形狀宜選用風壓較小的形式，并應考慮鄰近高層建筑對其風壓分布的影響，還必須考慮有利于抵抗能力和豎向荷載，在地震作用下，建筑平面要力求簡單規則。風荷載作用下則可適當放寬，因為結構整體彎曲變形所引起的側移與結構體系抵抗傾覆力矩的有效寬度的三次方成反比例關系，所以不宜建筑寬度很小的建筑物。

4.2 剖面設計

4.2.1 豎向傳力體系設計。1）應注意控制建筑的高度比。2）高層建筑的抗側力結構剛度，應注意由基礎向頂層逐漸過渡，要盡量避免出現在豎向上剛度發生突變的現象，以免由于剛度的較大突變而削弱其抵抗水平荷載的能力。3）由于使用上的要求造成剛度變化特別大，或結構布置發生變化時必須設置結構轉換層。4）高層建筑必須有相應的錨固深度，此錨固深度可結合布置設備用房和地下停車庫的需要，作為一層或多層地下空間，這對降低高層建筑的重心有利，可提高建筑抗震能力及抗傾覆能力。

4.2.2 豎向形體設計。1）截錐形。采用由下而上分段逐漸減小樓層面積階梯狀體型，能使房屋剛度大大增加，由于房屋頂部的樓面尺寸比底部小，除了在建筑使用功能方面存在優點外，在抗風和抗震方面也具有一定的優越性。2）上窄下寬形。高層建筑隨著高度的增加在符合豎向結構的要求下，樓身向上不斷收進與變細，這樣可減輕承受的風力，降低樓體的重心，加強結構的穩定性，這種形體主要包括上削楔形體和退縮體，上削楔形體利于抗風，抗震，并呈現穩固堅韌的特性，退縮體的形式比較多樣，有收進式，截切式，臺階式。3）新月形。新月形房屋就像一個豎向的懸臂殼體一樣，能有效地增加它低抗側向力的剛度，它的作用就像波形的屋面殼體能有效地抵抗重力荷載一樣，重力荷載由柱—殼—框架承受，側向荷載由豎向的殼體抵抗，該殼體由于樓面結構的加勁作用而得以加強，新月形的殼體形式能有效地抵抗對稱作用與它的側向力。

4.3 基礎設計概念

4.3.1 基礎與上部結構協同作用。基礎除了與地基相互作用外，與上部結構作用的關系也很復雜，除非在建筑的邊緣部位荷載很大的情況以外，一般建筑基礎的變形總是成鍋底開腫部沉降多，外級沉降小，在建造下部幾層時，基礎鋼筋應力不斷增長，建筑到四五層時鋼筋應力達到最高值，以后隨層數和荷載的增加應力又逐漸減小，這種現象是基礎和上部結構協同作用的結果，當上部結構高低層數差別很大，但地下室有直通要求時，應做成整體基礎，高低層不分開是有條件的，首先地基地質要好，或采用樁基。要求地基沉降量不能過大，重要的是控制高低層的沉降差，天然地基的建筑，高層部分一般采用滿堂紅基礎，低層部分采用雙向條形或單獨基礎，高層建筑常設有通往地下車庫的通道，通道緊貼高層的外壁，并平行于外壁，作為車道的底板，便于鋪防水層，也保證了高層建筑的整體連接。

4.3.2基礎選型及特點。根據不同建筑的地理位置結構形式可選擇樁基礎，箱形基礎和筏形基礎。樁基礎，當地基土質較軟弱，建筑物層數較多，荷載較大的情況下，天然地基不能滿足地基承載力的要求可以采用樁基將上部結構荷載直接傳到下部堅實的持力層，高層建筑的樁基礎可采用預制鋼筋混凝土樁，混凝土灌注樁和鋼管樁。箱形基礎，箱開基礎在高層建筑中廣泛應用，它整體剛度好，能將上部結構的荷載均勻地傳給基礎，對上部結構能良好地嵌固，箱基有效地抵抗不均勻沉降，并與周圍土體協同工作，提高建筑物的抗震和抗風能力。筏形基礎，筏形基礎適用于上部結構荷載較大，地基承載力較低的工程，筏形基礎整體較好，剛度大，能有效地分散上部結構的荷載，調整基底的壓力和不均勻沉降。

5 結語

隨著我國經濟的不斷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。概念設計的思想被越來越多的結構設計工程師所接受，并將在結構設計中發揮越來越大的作用，它基本貫穿整個結構設計，起著舉足輕重的作用，一幢建筑物的設計，如果沒有事先經過全盤正確的概念設計，以后的計算模式再準確、計算再精確，也不可能是一個經濟、合理的優秀設計工程。所以，我們要共同學習、研究，使概念設計必然會成為今后結構設計的主流思想，為結構設計的發展作出應有的貢獻。

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