建筑結構設計中的概念設計與結構措施

賴 武

（廣西水利電力職業技術學院設計所，廣西 南寧 530023）

1 結構設計概念闡述與主要內容

所謂結構設計是將建筑、其他設備專業所要表達的內容用結構語言體現出來的過程，而結構語言則是指各種結構元素，而結構元素則是從專業圖紙中提煉出來的，建筑物或其他構筑物的結構體系就是利用這些結構元素構成的。具體而言，結構設計的主要內容是結構方案、結構計算以及施工圖設計等三個環節，其中結構方案的主要任務是確定出建筑的結構形式，需要參考的指標包括建筑物的重要性、工程所在地的抗震設施烈度、相關地質勘查資料、建筑高度與層數、場地類別等等，然后根據確定好的結構形式的特點與實際要求，進行結構承重體系、支撐以及受力構件的布置。該階段的基本方法就是結合不同結構形式的適用范圍，遵循經濟性與合理性的原則，最終確定出最佳的結構形式。結構計算環節的主要內容是計算各項參數，包括荷載、內力以及構件的相關試算與計算等，要注意選擇科學、適用的計算方法。

施工圖設計環節的主要任務則是根據計算環節的結構將構件布置、配筋等確定下來，然后再確定構件的構造措施。需要注意的是，在整個結構設計的過程中要嚴格參照相關規范要求來進行，設計人員不但要全面、深入地理解相關規范，還要全面把握施工的工藝及具體流程，從而保證結構設計的適用性、合理性以及科學性。

2 結構設計與概念設計的關系

所謂概念設計是以個人經驗為基礎，基于宏觀的角度對建筑結構進行定性設計。相對概念設計來講，結構設計是一個逆向過程，其根據概念設計的整體要求、力學與數據原理等由定量設計發展為定性設計，其中定量設計包括內力、配筋、穩定性以及變形等，而定性設計則是規范中規定的構造要求。由此可見，建筑結構造價水平的高低以及施工進度的快慢會受概念設計水平的直接影響，如果概念設計不合理，會導致建筑整體結構出現安全問題。概念設計體現的是一種先進的設計思想，結構工程師的主要任務是基于特定的建筑空間利用整體的概念進行結構設計，并對構件與結構、結構與結構之間的關系進行和諧處理。

從某種程度而言，現行的結構設計與計算理論還存在一定的不足，例如混凝土結構設計過程中，內力計算以彈性理論為基礎，截面設計則以塑性理論的極限狀態為基礎，計算理論本身就存在矛盾性，因此計算結果必然會與實際情況存在較大差異。針對這種不足就需要通過優秀的概念設計加以彌補。此外，現代設計對計算機程序的依賴性過強，計算結果未做科學分析，并且在設計方案環節無法利用計算機實現初步設計，而是需要結構工程師利用其結構概念專業知識選擇效果好、成本低的結構方案，無法保證單根構件的安全性，就無法保證結構整體的安全性，因此概念設計與結構設計的關系是相輔相成、缺一不可的。

3 結構設計的主要措施

在實際的結構設計中，無論是制定方案或者初步設計，還是結構計算或者繪制施工圖，甚至在施工現場的工地服務均要貫穿概念設計的理念，因此，結構設計過程中要注意以下幾個方面：

首先，在選擇建筑場地時要選擇抗震性較好的地段，盡量避開不利地段，如果避不開的地段則要采取針對措施，必須將由于地震場地條件而間接導致結構破壞的因素考慮進來。概念設計過程中不能忽略建筑平面布置等要求，如果方案存在嚴重不規則的現象則嚴禁采用。在確定結構體系的過程中，要對結構體系方案、技術可行性和經濟性等進行綜合比較，提高建筑結構的延性與勻質性，盡量降低建筑重心。此外，由于發生地震時會持續一定的時間或者會多次、反復作用，所以要盡量設置多道抗震防線。因此在結構設計過程中，要保證結構體系與相關抗震結構要求相符，對構件的強弱關系進行適當處理，從而提高結構的抗震能力。

其次，注意結構剛度、承載力分布的合理性，在實際工程中只有通過提高工程成本或者降低結構延性指標等才能進一步改善結構的抗側移剛度，而結構設計時可以有意識地提高結構中重要構件、關鍵構件的延性，以改善設計方案的經濟性。在判斷計算方法是否合理時可以通過概念來確定，從某種程度而言，這種方法也是概念設計的延伸。現在計算機技術在工程設計中的應用越來越廣泛，絕大多數設計均是依靠計算機來實現的，但是要在設計過程中將設計經驗理性、科學地利用起來，再與施工中可能遇到的問題互相結合，對計算結果進行分析，并在畫圖中進行合理的調整，才能保證結構設計的科學性與實用性。

再次，在結構材料選擇過程中，選擇鋼筋時要盡量選擇延性、韌性以及可焊性較好的，且混凝土也要與規定的強度等級要求相符，控制脆性材料的用量，保證材料滿足抗震設計要求，將其強度充分發揮出來。此外，為提高結構強度還要保證結構的整體性，具體包括兩個方面：一是滿足抗震的構造連接，二是包括經過計算的節點連接。節點連接要遵循“強節點、弱桿件”的設計原則，把握好構造連接的度，并非構造連接越剛越好。

最后，要注意施工過程中實際問題的現場處理。因為建筑施工現場存在諸多不確定性因素，可存會出現無法操作或者施工誤差過大等各種問題，僅靠單純的計算無法解決問題，因此只能依靠設計人員專業的設計經驗與設計技術，在協商施工、監理等各方后再提出準確、合理的解決方案。

4 結構設計中協同工作概念的應用

通常在工業產品的設計與制作過程中會融入協同工作的概念，所謂協同工作是指某個工業產品未達以使用壽命期間，某個結構零件發生損壞對產品的整體性能產生影響。而對于建筑結構而言，協同工作是指建筑工程中要將每個部件的作用充分發揮出來，實現其與其他零件的互相配合。協同工作要求產品零部件的使用壽命相似，并且承受基本相同的荷載，不得出現長時間受力不均的問題。在結構設計中的協同工作要注意正確處理基礎與上部的關系，保證二者形成一個有機的整體，例如磚混結構受自身剛度的影響會發生不均勻沉降，因此可以利用鋼圈與構造柱之間形成一個統一的整體來抵御。此外，在建筑結構設計中，協同合作還表現在建筑受力時要保證結構的各個部件受力均勻，水平應力要保持在較高的水平。

高層建筑設計中要盡可能避免短柱，保持各個柱的水平應力互相接近，同步達到最大承載能力。不過實際工程中建筑物層數越多，豎向與水平方向所產生的荷載力變越大，相應的地層的截面積也會逐漸加大，會導致高層建筑物底部的幾層出現短柱現象。針對這種情況，可以在柱截面設置豎槽，將矩形柱變成田形柱來提高結構的承載能力，減少短柱現象，這樣既保證了同層的水平柱在受力時，同時達到最大的承載能力。

總之，在概念設計日益重要的今天，要求結構工程師應有深厚的基本理論基礎，并能不斷吸取他人先進的設計思想。對自己的作品、設計，應經常進行深刻的反思，對每一項設計都精益求精。

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