結(jié)構(gòu)概念設(shè)計在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的作用分析

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摘要：結(jié)構(gòu)概念設(shè)計在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的運用能夠不斷豐富結(jié)構(gòu)概念，了解各類結(jié)構(gòu)的性能，對于促進建筑的繁榮和發(fā)展具有重要意義。本文結(jié)合結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的相關(guān)理論，研究了結(jié)構(gòu)概念設(shè)計在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的作用

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)概念設(shè)計；建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計；作用

前言

結(jié)構(gòu)設(shè)計是極其復(fù)雜的，力學(xué)計算僅僅是對于結(jié)構(gòu)的計算簡圖與荷載簡化模式的分析，實際結(jié)構(gòu)的受力狀況存在著大量的被忽略的內(nèi)容，因此，作為結(jié)構(gòu)工程師，不能簡單地依靠力學(xué)分析，更不能依靠計算機的計算結(jié)果，而應(yīng)該根據(jù)力學(xué)與結(jié)構(gòu)的基本概念，把握結(jié)構(gòu)設(shè)計中宏觀的結(jié)構(gòu)體系與概念原則。這種宏觀的結(jié)構(gòu)體系與概念原則，就是結(jié)構(gòu)設(shè)計中所體現(xiàn)的概念設(shè)計原則。尤其是對于結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計，概念原則更為重要。

1.結(jié)構(gòu)概念設(shè)計概述

1.1結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的概念

建筑工程的概念設(shè)計在我國應(yīng)成為一個先于建筑工程的初步設(shè)計，以功能優(yōu)越、造型美觀、技術(shù)先進的總體方案為目標的設(shè)計階段。建筑工程的概念設(shè)計一般有建筑方面的概念設(shè)計和結(jié)構(gòu)方面的概念設(shè)計兩大部分，它們之間相互影響、相互協(xié)調(diào)、相互結(jié)合。

做好結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的思維方式，需要把握以下幾個方面：從習(xí)慣于縱向思維（從結(jié)構(gòu)的方案、體系、布置）轉(zhuǎn)變?yōu)榧孀⒁鈾M向思維（規(guī)劃、設(shè)備、施工的結(jié)合）；從習(xí)慣于重視設(shè)計規(guī)范，轉(zhuǎn)變?yōu)楦匾晫嵺`；從習(xí)慣于重視理論分析，轉(zhuǎn)變?yōu)榧嬷匾暰C合考慮；從習(xí)慣于追求“絕對地確定”，轉(zhuǎn)變?yōu)樽⒁狻跋鄬Φ乇容^”；從習(xí)慣于標準、定型、傳統(tǒng)，轉(zhuǎn)變?yōu)楦母?、更新、?chuàng)造。總之，要做到構(gòu)思有新意，做法有創(chuàng)新，盡可能采用新技術(shù)，為新的實踐提供新思路。

1.2結(jié)構(gòu)概念設(shè)計與建筑結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

結(jié)構(gòu)布置的調(diào)整，須在概念設(shè)計的基礎(chǔ)上，從整體上進行把握，做到有的放矢。在具體設(shè)計時應(yīng)注意的問題：如，一般高層建筑單位面積的重量多數(shù)在15左右，如計算結(jié)果與此相差很大，則需考慮電算數(shù)據(jù)輸入是否正確；又如，高層建筑計算出的第一振型為扭轉(zhuǎn)振型，則表明結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件布置得不盡合理，質(zhì)量中心與側(cè)向剛度中心存在偏差，平動質(zhì)量對于剛度中心產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)慣性；或是抗側(cè)力構(gòu)件數(shù)量不足；或是整體抗扭剛度偏小，此時對結(jié)構(gòu)方案應(yīng)從加強抗扭剛度，減小相對偏心，使剛度中心與質(zhì)量中心一致，減小結(jié)構(gòu)平面的不規(guī)則性等角度出發(fā)，進行調(diào)整，因此可采用加強抗側(cè)力構(gòu)件截面或增加抗側(cè)力構(gòu)件數(shù)量，將抗側(cè)力構(gòu)件盡可能均勻?qū)ΨQ地布置在靠近建筑物周邊，必要時設(shè)置防震縫，將不規(guī)則平面劃分為若干相對規(guī)則平面等方法進行處理[1]。

2.結(jié)構(gòu)概念設(shè)計在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的作用

2.1拓寬了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的思路

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)計算理論的研究和結(jié)構(gòu)設(shè)計似乎只關(guān)注如何提高結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)工程師往往只注意到不超過最大配筋率，結(jié)果“肥梁”、“胖柱”、深基礎(chǔ)處處可見。這就是傳統(tǒng)的“被動設(shè)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(yīng)。

2.2有利于結(jié)構(gòu)工程師更好的分析設(shè)計

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計尤其是在高層建筑抗震設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)非常重視概念設(shè)計。這是因為高層建筑結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，發(fā)生地震時地震動的不確定性，人們對地震時結(jié)構(gòu)響應(yīng)認識的局限性與模糊性，高層結(jié)構(gòu)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(yù)測的因素，致使設(shè)計計算結(jié)果可能與實際相差較大，甚至有些作用效應(yīng)至今尚無法定量計算出來。因此在設(shè)計中，雖然分析計算是必需的，也是設(shè)計的重要依據(jù)，但僅此往往不能滿足結(jié)構(gòu)安全性、可靠性的要求，不能達到預(yù)期的設(shè)計目標，還必須非常重視概念設(shè)計。從某種意義上講，概念設(shè)計甚至比分析計算更為重要[2]。

2.2結(jié)構(gòu)概念設(shè)計對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響越來越大

結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的思想已被越來越多的結(jié)構(gòu)工程師所接受，并將在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中發(fā)揮越來越大的作用。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計也提出了更高的要求。發(fā)展先進計算理論，加強計算機的應(yīng)用，加快新型高強、輕質(zhì)、環(huán)保建材的研究與應(yīng)用，使建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計更加安全、適用、可靠、經(jīng)濟是當(dāng)務(wù)之急。其中，打破建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的墨守成規(guī)，充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)工程師的創(chuàng)新能力，是相當(dāng)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(shè)計的思想。

2.4結(jié)構(gòu)概念設(shè)計有利于優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計

首先是對結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化。前提是掌握各類基本構(gòu)件的特征（如與受力相關(guān)的幾何特征、與變形相關(guān)的剛性特征等），根據(jù)環(huán)境、使用、建筑和荷載實況優(yōu)化選擇合理的基本構(gòu)件，確定它們間的聯(lián)系，形成基本結(jié)構(gòu)單元和它的支承做法（如框架結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)等）；再將基本結(jié)構(gòu)單元通過線型、平面、疊合、交叉等集合形式構(gòu)成主要結(jié)構(gòu)體系。其次是對結(jié)構(gòu)布置的優(yōu)化。在滿足使用要求和建筑意向前提下優(yōu)化地布置樓屋蓋水平系統(tǒng)、柱墻豎向支承系統(tǒng)和基礎(chǔ)系統(tǒng)。這時除比較各種布置的承載能力、豎向和側(cè)向變形、支承做法、地質(zhì)條件等結(jié)構(gòu)問題的合理性、優(yōu)越性外，重要的原則是平立面宜規(guī)則、對稱，具有良好的整體性，豎向剖面除規(guī)整外側(cè)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(gòu)造做法的優(yōu)化。重點是結(jié)構(gòu)構(gòu)造做法和建筑構(gòu)造要求相一致，結(jié)構(gòu)的理論構(gòu)造要求和施工的實際構(gòu)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(shè)防烈度為8度，設(shè)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(shè)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(nèi)隔墻應(yīng)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(yīng)考慮其布置方式對主體結(jié)構(gòu)的不利影響，避免平面布置不均勻造成主體結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)，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(diào)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(yīng)將各層的剪力墻厚度進行調(diào)整，具體如下：二層以下的剪力墻厚度調(diào)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(jīng)電算進行調(diào)整。

③剪力墻的抗側(cè)剛度問題：本工程的結(jié)構(gòu)體系為鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，為了使結(jié)構(gòu)不致因剪力墻抗側(cè)剛度太大造成結(jié)構(gòu)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(diào)整，使一般墻肢長度多在2.5～3m。為了避免剪力墻體系產(chǎn)生水平方向的扭轉(zhuǎn)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(zhì)量產(chǎn)生的側(cè)向荷載的作用中心。

4.結(jié)語

總的來說，結(jié)構(gòu)概念設(shè)計不僅僅是結(jié)構(gòu)工程師“規(guī)范加計算”，更不是“規(guī)范加一體化計算機結(jié)構(gòu)分析程序”，而應(yīng)是對結(jié)構(gòu)設(shè)計概念、經(jīng)驗、悟性、判斷力和創(chuàng)造力的掌握。在當(dāng)前面臨困難、挑戰(zhàn)和競爭的形勢下，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計者要不斷學(xué)習(xí)，設(shè)計水平要提高，技術(shù)要創(chuàng)新，這樣才能與時俱進，去適應(yīng)時代的發(fā)展。

參考文獻：

[1]張廣生.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的概念設(shè)計與結(jié)構(gòu)措施[J]. 中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2012（03）：13-15.

[2]吳愛菊.結(jié)構(gòu)設(shè)計中的概念設(shè)計與應(yīng)用[J].溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2013（02）：40-41.

[3]徐正加.淺析建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中概念設(shè)計的意義與應(yīng)用[J].大眾商務(wù)，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(jié)構(gòu)設(shè)計工作。