結構概念設計在建筑結構設計中的作用分析

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摘要：結構概念設計在建筑結構設計中的運用能夠不斷豐富結構概念，了解各類結構的性能，對于促進建筑的繁榮和發展具有重要意義。本文結合結構概念設計的相關理論，研究了結構概念設計在建筑結構設計中的作用

關鍵詞：結構概念設計；建筑結構設計；作用

前言

結構設計是極其復雜的，力學計算僅僅是對于結構的計算簡圖與荷載簡化模式的分析，實際結構的受力狀況存在著大量的被忽略的內容，因此，作為結構工程師，不能簡單地依靠力學分析，更不能依靠計算機的計算結果，而應該根據力學與結構的基本概念，把握結構設計中宏觀的結構體系與概念原則。這種宏觀的結構體系與概念原則，就是結構設計中所體現的概念設計原則。尤其是對于結構的抗震設計，概念原則更為重要。

1.結構概念設計概述

1.1結構概念設計的概念

建筑工程的概念設計在我國應成為一個先于建筑工程的初步設計，以功能優越、造型美觀、技術先進的總體方案為目標的設計階段。建筑工程的概念設計一般有建筑方面的概念設計和結構方面的概念設計兩大部分，它們之間相互影響、相互協調、相互結合。

做好結構概念設計的思維方式，需要把握以下幾個方面：從習慣于縱向思維（從結構的方案、體系、布置）轉變為兼注意橫向思維（規劃、設備、施工的結合）；從習慣于重視設計規范，轉變為更重視實踐；從習慣于重視理論分析，轉變為兼重視綜合考慮；從習慣于追求“絕對地確定”，轉變為注意“相對地比較”；從習慣于標準、定型、傳統，轉變為改革、更新、創造。總之，要做到構思有新意，做法有創新，盡可能采用新技術，為新的實踐提供新思路。

1.2結構概念設計與建筑結構創新

結構布置的調整，須在概念設計的基礎上，從整體上進行把握，做到有的放矢。在具體設計時應注意的問題：如，一般高層建筑單位面積的重量多數在15左右，如計算結果與此相差很大，則需考慮電算數據輸入是否正確；又如，高層建筑計算出的第一振型為扭轉振型，則表明結構的抗側力構件布置得不盡合理，質量中心與側向剛度中心存在偏差，平動質量對于剛度中心產生扭轉慣性；或是抗側力構件數量不足；或是整體抗扭剛度偏小，此時對結構方案應從加強抗扭剛度，減小相對偏心，使剛度中心與質量中心一致，減小結構平面的不規則性等角度出發，進行調整，因此可采用加強抗側力構件截面或增加抗側力構件數量，將抗側力構件盡可能均勻對稱地布置在靠近建筑物周邊，必要時設置防震縫，將不規則平面劃分為若干相對規則平面等方法進行處理[1]。

2.結構概念設計在建筑結構設計中的作用

2.1拓寬了建筑結構設計的思路

傳統的結構計算理論的研究和結構設計似乎只關注如何提高結構抗力尺，以至混凝土的等級越用越高，配筋量越來越大，造價越來越高。結構工程師往往只注意到不超過最大配筋率，結果“肥梁”、“胖柱”、深基礎處處可見。這就是傳統的“被動設計方法”。如果從降低作用效率來考慮，如隔震消能的研究就是一個很好的例子。有的在建筑物頂部裝一個“反擺”，地震時它的位移方向與建筑物頂部的位移相反，從對建筑物的振動加大阻尼作用、降低加速度、減少建筑物的位移、來降低地震作用效應。

2.2有利于結構工程師更好的分析設計

高層建筑結構設計尤其是在高層建筑抗震設計中，應當非常重視概念設計。這是因為高層建筑結構的復雜性，發生地震時地震動的不確定性，人們對地震時結構響應認識的局限性與模糊性，高層結構計算尤其是抗震分析計算的精確性，材料性能與施工安裝時的變異性以及其他不可預測的因素，致使設計計算結果可能與實際相差較大，甚至有些作用效應至今尚無法定量計算出來。因此在設計中，雖然分析計算是必需的，也是設計的重要依據，但僅此往往不能滿足結構安全性、可靠性的要求，不能達到預期的設計目標，還必須非常重視概念設計。從某種意義上講，概念設計甚至比分析計算更為重要[2]。

2.2結構概念設計對建筑結構設計的影響越來越大

結構概念設計的思想已被越來越多的結構工程師所接受，并將在建筑結構設計中發揮越來越大的作用。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。這則需要工程界和教育界進行共同的努力，共同推廣概念設計的思想。

2.4結構概念設計有利于優化建筑結構設計

首先是對結構體系的優化。前提是掌握各類基本構件的特征（如與受力相關的幾何特征、與變形相關的剛性特征等），根據環境、使用、建筑和荷載實況優化選擇合理的基本構件，確定它們間的聯系，形成基本結構單元和它的支承做法（如框架結構、筒體結構等）；再將基本結構單元通過線型、平面、疊合、交叉等集合形式構成主要結構體系。其次是對結構布置的優化。在滿足使用要求和建筑意向前提下優化地布置樓屋蓋水平系統、柱墻豎向支承系統和基礎系統。這時除比較各種布置的承載能力、豎向和側向變形、支承做法、地質條件等結構問題的合理性、優越性外，重要的原則是平立面宜規則、對稱，具有良好的整體性，豎向剖面除規整外側向剛度宜均勻變化，自下而上逐漸減小，避免突變。最后是對構造做法的優化。重點是結構構造做法和建筑構造要求相一致，結構的理論構造要求和施工的實際構造做法相一致[3]。

3.案例分析

3.1工程概況

某高層塔樓住宅建筑，共21層，含一層地下室，地下室底標高為-3.40m。層高分別為：地下4.9m，一層4.8m，二至十八層2.9m，十九至二十一層3.1m。本工程抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度值為0.30g，框架抗震等級為二級，剪力墻抗震等級為一級，場地土類別為II類。

3.2概念設計思想運用的分析

①填充墻的材料問題：為了減輕塔樓自重，除外墻采用200mm厚的黏土空心磚外，其余內隔墻應首選加氣混凝土砌塊，其次是黏土空心磚。加氣混凝土砌塊加砂漿砌筑后的容重取9～10，黏土空心磚的容重則按實際取用。另外在布置填充墻時，應考慮其布置方式對主體結構的不利影響，避免平面布置不均勻造成主體結構扭轉，上下布置不均勻造成層剛度突變形成軟弱層。

②層間剪剛比調整問題：塔樓地下室層高為4.9m，首層為4.8m，二層以上為2.9m。顯然，如果首層與二層的剪力墻面積相同，則兩者的剛度比為1.655，即二層的剛度大于首層，因此為了使塔樓各層的剛度趨于均勻，應將各層的剪力墻厚度進行調整，具體如下：二層以下的剪力墻厚度調整為：除電梯間和樓梯間的墻厚200mm，電梯井筒間墻厚160mm外，其余均為240mm；二層以上除電梯間和樓梯間的墻厚180mm，電梯井筒間墻厚160mm外，其余均為200mm，并且尚需經電算進行調整。

③剪力墻的抗側剛度問題：本工程的結構體系為鋼筋混凝土剪力墻結構，為了使結構不致因剪力墻抗側剛度太大造成結構的自振周期短，房屋頂點位移、層間位移小，從而使得工程費用增加，本工程對墻體的位置、墻肢的長度均進行了合理的布置和調整，使一般墻肢長度多在2.5～3m。為了避免剪力墻體系產生水平方向的扭轉問題，在考慮剪力墻的布置時盡量做到正交抗剪中心接近建筑物質量產生的側向荷載的作用中心。

4.結語

總的來說，結構概念設計不僅僅是結構工程師“規范加計算”，更不是“規范加一體化計算機結構分析程序”，而應是對結構設計概念、經驗、悟性、判斷力和創造力的掌握。在當前面臨困難、挑戰和競爭的形勢下，建筑結構設計者要不斷學習，設計水平要提高，技術要創新，這樣才能與時俱進，去適應時代的發展。

參考文獻：

[1]張廣生.建筑結構設計中的概念設計與結構措施[J]. 中國新技術新產品，2012（03）：13-15.

[2]吳愛菊.結構設計中的概念設計與應用[J].溫州職業技術學院學報，2013（02）：40-41.

[3]徐正加.淺析建筑結構設計中概念設計的意義與應用[J].大眾商務，2012（03）：20-21.

作者簡介：

申曉寶（1987.11—），男，廣西柳州人，助理工程師，本科，從事結構設計工作。