淺議概念設計在建筑結構設計中的應用

【摘 要】針對傳統建筑結構設計缺少創新，無法與建筑、設備、施工等完美整合的缺陷，本文探討了概念設計的優點、方法以及在建筑結構設計中的應用，論述了概念設計適應目前建筑工程日趨復雜、不確定因素多的優勢所在。

【關鍵詞】概念設計；建筑結構；應用

傳統上，建筑結構設計是從考慮結構方案開始，需要經歷體系、布置、計算、構造到施工圖這樣一個過程，設計主要依據各種建筑結構設計規范，結合一些理論分析，基本上是按部就班、沒有太多創新實踐的流程性的活動，這樣的方式難以實現建筑功能、結構、美觀及建造的完美統一[1]。結構概念設計，在項目規劃設計階段就參與其中，通過宏觀的把握，運用結構設計的理論和比較現有結構設計的實踐成果，從建筑規劃的意圖、功能、材料、施工、造價等方面的綜合理解出發，進行概念性的分析、估算、評價和選擇，從而實現“多快好省”的設計目標。概念設計為建筑結構設計開創了新的設計空間，可以更好地適應當今建筑工程日趨復雜、不確定因素多的現實需求。因此，結構設計人員應當熟悉并用好概念設計方法，以達到更加合理、可靠、經濟的設計目標。

1、建筑結構概念設計方法

1.1 概念設計過程

概念設計過程，是經過分析-綜合-評價三個階段的不斷循環改進和提高而實現的，如圖1所示。分析即通過對問題的剖析，加深對問題的理解。由于信息不太清晰，數據也不夠完整，可供設計人員使用的是一些相對準確的描述性的概念。綜合過程就是產生方案的過程。在此過程中，通過運用結構設計理論和工程經驗，將方案以圖形表達出來，而實現這一過程需要創造性的思維方式，甚至是設計的靈感。評價即經過判斷和比較選擇最佳方案。設計人員通過分析模型，并進行數據計算等方式，對各種方案進行比較，從而選擇經濟合理、技術可行的方案。由于方案不會一次就令人滿意，需要經過多次的循環改進，直至令各方滿意為止[2]。

1.2 概念設計原則

（1）全面分析、注重協調

全面分析就是既要考慮整體要求，也要顧及局部需求。先從整體入手，在通盤考慮建筑、結構、施工三維關系的基礎上，思考建筑功能、技術、經濟之間的特點和關聯。根據建筑場地條件，確定主要分體系的結構形式、基礎選型，進而確定構件類型及其連接關系。再從結構的使用要求、安全性能、耐久性和整體穩定性上進行調整。解決了三維構思的問題，就要考慮豎向分體系（即基礎、柱、墻）和水平分體系（板、梁）之間的二維關系。最后就是進行一維施工圖設計[3]。

功能協調就是充分考慮建筑、結構、設備、施工之間的協調。建筑與結構之間要考慮建筑的使用與結構的配置、建筑的分區與結構的分段之間的功能協調；結構與設備之間應思考結構布局與設備布置、結構構造與設備安排之間的功能協調；結構與施工之間需設想結構構件與施工可行性、局部構件與施工便利性、構件受力狀態與施工做法之間的功能協調。

（2）因地制宜、精益求精

因地制宜就是設計方案要針對當地的實際情況，如了解氣象、水文、地質等自然條件；考察民情、民俗、傳統文化背景等社會環境；研究當地資源、設備供應、施工技術等施工所具備的能力。

精益求精就是設計方案要能夠做到優中選優。不僅從“面”上考慮，還要顧及到“點”和“線”；既要思考縱向體系，也要分析水平體系；不僅能分析問題，還要會提出問題；采用方法上，既要有理論定性分析，也需做模擬試驗來判斷；評價上，除了評價能否的問題，還要知道可否、值否，更要會分析應否。

（3）減輕自重、合理受力

努力減輕建筑自重，應成為結構設計人員不懈追求的目標和進行概念設計的原則。減輕自重的好處包括降低荷載、減小地震作用效應、節省成本、提高施工速度、節約資源等。減輕自重的方法是積極采用高強材料、新型材料；結構布置上更加合理；采用有效減輕自重的結構體系和高效結構型式，如預應力結構、網架網殼體系、空間桁架等。

合理受力是要求結構構件受力均勻、傳力簡捷和清晰。因此，應利用結構的對稱性、剛度的相對性以及變形的連續性和協同性，充分考慮受力的合理性。對于協調受力的構件，應將其作為整體來看待，如進行基礎設計時要將地基、基礎、上部結構視為整體，并利用等帶剛度法考慮上部結構對基礎的影響。

（4）空間作用、優化選型。

在進行建筑結構計算時，出于分析和計算的方便，而將建筑分解成平面狀態進行分析，而實際上建筑物是空間結構，因此進行概念設計時就應該考慮建筑空間作用，例如考慮板與梁的相互作用、剪力墻體系與框架體系的相互作用等。

優化選型主要是優化結構體系、優化結構布置及構造合理化等原則。優化結構體系，即根據建筑、使用、環境和荷載優化選用合適的構件，再構成體系；優化結構布置，是在滿足使用要求前提下，合理布置縱向體系、水平體系和基礎系統；構造合理化是構造的理論要求應與實際構造做法保持一致等。

2、概念設計在結構設計中的應用

2.1 在抗震設計中的應用

傳統結構設計方法，主要關心提高結構抗力 ，以至于陷入混凝土強度等級越用越高，配筋量越用越多，結構自重越來越大，造價越來越高的誤區。結果造成到處都是肥梁、胖柱、深基礎的怪現象。具體到抗震設計方面，初定尺寸、混凝土強度等級 結構強度 地震力 配筋率。為了抵御地震作用去配筋，必然增加結構剛度，整體剛度增加又必然導致地震作用效應增強[3]。

采用概念設計的思想，可以有效克服這種困境。譬如采用隔振消能的做法，在基礎與主體結構之間加設柔性的隔震層、隔震器，或者在建筑頂部安裝“反擺”裝置等，通過增加阻尼，降低加速度，減小地震作用效應，提高建筑的安全性，實現“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震目標。圖2是減震器的例子。

2.2 在基礎設計中的應用

基礎將上層結構的荷載傳給地基，建筑的結構和地基的承載力決定了基礎的型式。常用的基礎有獨立基礎、條形基礎、樁基礎、箱形基礎和筏形基礎等型式。在決定采用何種基礎型式時，應根據建筑場地的地質勘察報告、地震設防烈度、荷載特點等綜合之后選擇。當地基較軟、建筑層數較多、負荷較大而天然地基承載不足時，應考慮采用樁基礎，將負荷傳至下部的持力層。高層建筑常采用箱形基礎，由于該型式基礎可將上部荷載均勻傳給地基，可有效改善基礎的不均勻沉降問題。筏形基礎整體性好、剛度大，適