建筑結構設計的概念思想

【摘 要】本文主要介紹建筑結構設計中的概念設計與其措施。

【關鍵詞】建筑；結構；設計；概念；措施；應用

【Abstract】This paper describes the design of building structures in the conceptual design of its measures.

【Key words】Construction；Construction；Design；Concept；Measures；Application

隨著概念設計的廣泛應用，概念設計越來越多的優點將會被更多的工程師所發現和接受，并將成為今后結構設計的主流思想。因此，研究建筑結構的概念設計對今后建筑設計的發展是具有深遠意義的，這就需要建筑設計師不斷探索和學習，為建筑設計做出更大的貢獻。本文主要簡單探討概念思想在建筑設計中的應用。

1. 概念設計在建筑結構設計中的涵義

1.1 概念設計的概念。 概念設計是指在建筑結構方案設計初期，工程設計師依據已知設計理論結合工程經驗，從宏觀的角度對建筑設計方案進行概念性的分析估算和比較選擇，通過對建筑結構的總體布局和布置必要的抗震措施，以實現合理設計的目標。所得方案往往概念清晰，定性正確，易于手算，避免后期設計階段中不必要的繁瑣運算，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重要依據。

1.2 概念設計的步驟。 概念設計階段是由不斷趨于滿意的循環過程構成的，其過程可分為以下三個階段：

（1）分析：對問題過程進行深入理解。其主要特點是信息模糊性，在分析的過程中，數據都是不完整的，以及一些可供設計人使用的都是一些較為準確的陳述。

（2）綜合：即產生解決方案的過程。在這個階段，運用各種知識結合工程經驗將想法方案通過圖紙的方式綜合表達出來，其特點主要是由工程師的靈感和思維起主導作用，從而將建筑結構和設計意圖的圖形表達方式產生出來。

（3）評估：即判斷和比較選擇方案的階段。這是一個選擇循環的過程，該循環過程會一直持續直到方案達到雙方滿意為止。設計人員在進行評估時，會用功能模型方式并運用數據計算等手段將各方案進行比對選擇，以期獲取合理的經濟可行性和技術可行性。

2. 概念設計在建筑設計中的應用

建筑結構設計方案的經濟合理是概念設計的最終目標。因此一個適用的、經濟的、合理的結構方案是概念設計的首要選擇，這其中所必須考慮的因素包括：

2.1 合理選擇利于建設的建筑場地。 建筑場地的選擇時設計的首要必經階段，一個合理的利于項目建設的場地對整個結構概念設計后期階段起到重要的作用。建筑場地的選擇首先應遵循這幾個基本要素：建筑退界、防護距離、防火間距、日照間距、防噪間距、建筑高度控制、通視要求、現有地形分析等。同時在建筑結構設計體系中，建設的場地應盡量選擇有利于抗震的地點，盡量避免在不利于抗震的危險地段建造建筑，如果實在無法避免，也應采取有效措施盡量減少和消除不利影響，一般在初步設計前就要進行勘探和選址。

2.2 合理選擇建筑基礎。 完成建筑場地的選擇后，再根據不同建筑的地形特征和結構形式選擇合理的建筑基礎。一般常包括有樁基礎，箱形基礎和筏形基礎這三種建筑基礎形式。

2.2.1 樁地基：普遍應用于地質松軟并且負載較大的多層建筑結構。使用天然地基無法足夠承載時，而采用樁地基可將荷載由上部結構傳送到下部堅實的持力層。

2.2.2 箱形基礎。箱形基礎廣泛應用于高層建筑中，其整體剛度適當，可以將荷載通過上部結構均勻地傳至下部基礎中，從而使結構組成良好地得以嵌固，并且降低了箱基不均勻沉降的問題，增強了建筑物的抗震抗災承受力。

2.2.3 筏形基礎。該基礎適用于低承載力地基、大荷載上部結構的建筑工程。其特點是剛度大結構整體良好，可以將上部結構的超荷載有效地進行分散從而將基地的壓力有效的調整并解決不均勻沉降的問題。

2.3 合理選擇結構規則和對稱的建筑主體。 主體建筑結構選擇必須合理、簡單和對稱，布局合理的結構可減小扭轉力，穩定非結構件工作狀態，降低耗材成本。通常建筑結構的對稱是指抗側力主體結構的對稱，可選擇較容易對稱的平面結構如簡體框架結構、剪力墻結構等。另外，建筑內結構的對稱亦需要結合建筑平面工程對其進行合理布置。實現結構基本對稱的方法可通過調整結構剛心、建筑物質心及平面形心的距離，使三者盡可能靠近。

2.4 合理設計抗震抗災防線。 作為一個建筑最基本的要求就是必須具備良好的抗震和重力承載的能力。設計中應設計多道抗震防線避免和消耗地震發生時的破壞性?？梢圆捎眠m當的控制結構動力來減輕建筑物受震動時破壞程度。若建筑結構遭受強烈震動的時候，通過贅余桿件的變形和屈服可以耗散地震的能量，同時可使贅余桿件停止工作從而將避開共振效應，使整個建筑結構過渡到另一種穩定的體系。

2.5 合理選擇結構剛度。 設計中選擇的建筑結構必須具備一個適當合理的剛度，同時也是建筑結構設計中的不可忽略的指標之一。選擇合理的結構剛度，可加長結構的基本自振周期，從而減小地震作用的危害。合理的結構剛度，主體承受的水平力，傾覆彎矩，地基基礎負擔都能有效的減少，從而配置合理數量的建筑構造材料，減少耗材。同時，合理的主體結構剛度，可有效減少結構占用空間，提高建筑平面的利用率，做到既經濟又合理。

2.6 合理選用計算簡圖。 計算簡圖是概念設計結構計算的基礎，選擇合理的計算簡圖可以保證建筑的安全和穩定，否則，不當的計算簡圖可能引發安全事故的隱患及發生。設計合理的計算簡圖的同時，設計師應同時提供構造措施進行相應的保證。

3. 概念設計中的結構措施

3.1 協同工作與結構體系。對于建筑結構，協同工作的概念即是要求結構內部的各個構件相互配合，共同工作.這不僅要求結構構件在承載能力極限狀態能共同受力，協同工作，同時達到極限狀態，還要求他們能有共同的耐久壽命.結構的協同工作表現在基礎與上部結構的關系上，必須視基礎與上部結構為一個有機的整體，不能把兩者割裂開來處理.例如，對磚混結構，必須依靠圈粱和構造柱將上部結構與基礎連接成一個整體，而不能單純依靠基礎自身的剛度來抵御不均勻沉降，所有圈粱和構造柱的設置，都必須圍繞這個中心。

3.2 對協同工作的理解，還在于當結構受力時，結構中的各個構件能同時達到較高的應力水平。

（1）在多高層結構設計時，應盡可能避免短柱，其主要的目的是使同層各柱在相同的水平位移時，能同時達到最大承載能力，但隨著建筑物的高度與層數的增加，巨大的豎向和水平荷載使底層柱截面越來越大，從而造成高層建筑的底部數層出現大量短拄，為了避免這種現象的出現，對于大截面柱，可以通過對柱截面開豎槽，使矩形柱成為田形柱，從而增大長細比，避免短柱的出現，這樣就能使同層的抗側力結構在相近的水平位移下，達到最大的水平承載力；而對于梁的跨高比的限制，一般還沒有充分認識到.實際上與長短柱混雜的效果一樣，長、短梁在同一榀框架中并存，也是極為不利的，短跨粱在水平力的作用下，剪力很大，梁端正、負彎矩也很大，其配筋全部由水平力決定，豎向荷載基本不起作用，甚至于粱端正彎矩鋼筋也會出現超筋現象。同時，由于梁的剪力增大，也會使支承柱的軸力大幅增大，這種設計是不符臺協同工作原則的，并使結構的造價上升。多高層結構設計的主要目的即是為了抵抗水平力的作用，防止扭轉，為有效的抵抗水平力作用，平面上2個正交方向的尺寸宜盡量接近，目的是保證這z個方向上的“慣性矩”相等，以防止1個方向強度（穩定性）儲備太大，而另一個方向較弱.因此，抗側力結構（柱、剪力墻）宜設置在四周，以增大整體的抗側剛度及抗扭慣性矩，同時，應加大梁或樓層的剛度，使柱（或剪力墻）能承擔較大的整體彎矩，這就是“轉換層”的概念.防止扭轉的目的，是因為在扭轉發生時，各柱節點水平位移不等，距扭轉中心較遠的角柱剪力很大，而中柱剪力較小，破壞由外向里，先外后里.為防止扭轉，抗側力結構應對稱布置，宜設在結構兩端，緊靠四周設置，以增大抗扭慣性矩.因此，高層或超高層建筑中，盡管角柱軸壓比較小，但其在抗扭過程中作用卻很大（若角柱先壞，整個結構的扭轉剛度或強度下降，中柱必定依次被破壞），同時，在水平力的作用下，角柱軸力的變化幅度也會很大，這樣勢必要求角柱有較大的變形能力。由于角柱的上述作用，角柱設計時在承載力和變形能力上都應有較多考慮，如加大配箍，采用密排箍筋柱、鋼管混凝土柱。

（2）目前，部分建筑在其四角設置巨型鋼管柱，從而極大地增強了角柱的強度和抗變形能力.在高層建筑結構設計中，柱軸壓比的限值已成為困擾結構工程師的實際問題，隨著建筑高度的增加，結構下部柱截面也越來越大，而柱的縱向鋼筋卻為構造配筋，即使采用高強混凝土，柱截面也不會明顯降低.實際上，柱的軸壓比大小，直接反映了柱的塑性變形能力，而構件的變形能力會極大地影響結構的延性?；炷粱纠碚撝赋觯夯炷翗嫾那释⑿裕磸澢冃文芰χ饕Q于截面的相對受壓區高度和受壓區邊緣混凝土的極限變形能力.相對受壓區高度主要取決于軸壓比、配筋等，混凝土的極限變形能力主要取決于箍筋的約束程度，即箍筋的形式和配箍特征值.因此，為了增大柱在地震作用下的變形能力，控制柱的軸壓比和改善配箍具有同樣的意義，因而采用密排螺旋箍筋柱或鋼管混凝土均可以提高柱軸壓比的限值。

4. 結束語

隨著社會經濟的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。發展先進計算理論，加強計算機的應用，加快新型高強、輕質、環保建材的研究與應用，使建筑結構設計更加安全、適用、可靠、經濟是當務之急。其中，打破建筑結構設計中的墨守成規，充分發揮結構工程師的創新能力，是相當必要的。因為他們是結構設計革命的推動者和執行者。這則需要工程界和教育界進行共同的努力。推廣概念設計思想是一種有效的辦法。

參考文獻

[1] 高立人，王躍.結構設計的新思路[J].概念設計，工業建筑，1999（1）.

[2] 戴國瑩，李德虎.建筑結構抗震鑒定及加固的若干問題[J].建筑結構，1999（4）.

[3] S.D.思多臺斯伯利.結構概念和體系.中國建筑工業出版社.

[文章編號]1619-2737（2015）03-18-326