淺談建筑結構的概念設計及應用

梁毅

（桂林市建筑設計研究院,廣西桂林541002）

淺談建筑結構的概念設計及應用

梁毅

（桂林市建筑設計研究院,廣西桂林541002）

概念設計是當今建筑結構設計發展的必然結果，也是一味依賴計算機之缺陷凸顯所博弈的應然結果。為此，概念設計日益成為建筑工程界關注的話題之一。鑒于此，論文著重對概念設計和結構設計區別、概念設計一般原則與重要作用予以闡述，并在此基礎之上對方案選擇、結構體系選擇等應用和注意問題進行探討。

建筑結構；概念設計；應用

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.06.004

1 引言

在當今計算機技術應用建筑結構設計中，雖然給建筑結構工程師帶來了便利，但與此同時也帶來了對計算機的依賴癥，使得建筑結構設計趨向簡單化，計算結果也無法判斷正誤性，從而亟需概念設計深入應用到建筑結構設計中，以便最大限度地發揮結構工程師的創新能力，彰顯建筑結構的力學之美。

2 概念設計概述

2.1 概念設計的定義

概念設計是不經過數值的計算，在難以做出準確理論數據分析的情況之下，根據各建筑結構的分體系與總體的關系、震害結構、破壞機理等基本的設計原則和設計思路對整體的建筑結構設計和安全抗震等進行宏觀把控[1]。從中可見，概念設計可以有效拓展結構設計思路，從而使得建筑結構能夠最大程度抗御地震等之類的自然災害。

2.2 概念設計和結構設計的區別

概念設計主要是依賴于實踐經驗，而結構設計則主要是依賴于理論基礎。概念設計和結構設計的區別見表1。

表1 概念設計和結構設計的區別

2.3 概念設計的一般原則

2.3.1 結構的簡單性

此處簡單主要指向具有直接和明確的傳力途徑結構，以便能夠承受各種外在力量的重壓和作用，這就要求在結構體系中有明確的計算簡圖，便于內力和位移分析，最大程度限制薄弱部位的出現。

2.3.2 結構的整體性

在建筑結構中，相當于水平隔板功效并能夠提供足夠剛度和內力的樓蓋，可以聚集和傳遞慣性力到各個豎向抗側力子結構，并且要求這些子結構能協同承受地震作用，從而起到抗御地震等之類的自然災害的破壞作用[2]。但是如若豎向抗側力子結構布置不均或水平變形特征不同，就使其不能有效協同工作，從而大大消弱抗御效果。如位于尼加拉瓜首都馬那瓜的中央銀行大廈的平面布置圖（見圖1），經受1972年的地震而使得大夏結構嚴重破壞，通過分析得知存在平面、立面布置嚴重不均勻、不連續等概念設計錯誤。而基于概念設計思想設計的美洲銀行大廈，同樣是位于尼加拉瓜首都馬那瓜也同樣經受了1972年的地震，且該所大夏還位于震中，但是僅僅墻體呈現很小裂縫。這樣鮮明的對比就是在于美洲銀行大夏得益于概念設計思想，該建筑通過4個柔性筒組成并對稱地由連梁連接起來，使得相對獨立的柔性筒具有延性的結構體系，并形成了對稱布置的剛性體系，緩解并承受了外來的地震作用和風荷載力，在發生強烈地震時有效地抗御了破壞作用力，從而確保該座大廈巍然不動。

圖1 中央銀行大廈平面布置圖

2.3.3 結構的規則性和均勻性

建筑結構具備結構的規則性和均勻性，可以有效防止薄弱的子結構過早破壞、倒塌，使得建筑物分布質量與結構剛度分布協調，利于充分發揮整個結構抗御自然災害的破壞作用，從而最大限度避免承載力和傳力途徑的突變。

2.3.4 空間作用原則

如若考量建筑結構的空間作用，實質上是還原建筑本來面貌即可。不過，如若有意識地利用構成構件間的空間關系，還需要考量剛度、受力等，通過概念設計來確保空間作用。

2.3.5 優化選型原則

在建筑結構之中，概念設計主要是對結構體系和結構布置予以優化，前者主要是根據基本構件特征和荷載實況等來形成基本結構單元，并通過集合形式構成主要結構體系；后者主要是布置基礎系統、柱墻豎向支撐系統、樓屋蓋水平系統。

2.3.6 合理受力原則

一般而言，建筑結構進行結構概念設計時，往往需要注意做到均勻受力、超靜定受力體系、剛性連接、空間作用等[3]；同時，還要注意分析建筑結構的宏觀受力狀態、直接受力狀態和主要受力狀態，以便運用力學原理來處理好受力分析問題。

2.4 概念設計的重要作用

2.4.1 填補計算機程序操作漏洞

在建筑結構設計中利用計算機程序完成方案設計工作已成為必不可少的環節，但是這并不意味著過度依賴計算機程序，反而恰恰需要掌握概念設計的相關知識來填補計算機程序操作的漏洞，從而保持建筑結構設計主體的持久創新能力，而不至于設計能力隱性退化使得建筑結構設計處于停滯狀態中。

2.4.2 滿足用戶多元需求

當今建筑結構設計需求不再是立足于設計者本身，還不同程度地滲透著用戶對建筑結構設計的需求。換言之，建筑結構設計實質是將各種設計需求量化為實物的過程。而在當今社會多元化發展趨向下，用戶對建筑結構的設計也趨向多元化，而設計者唯有通過概念設計，才能最大化滿足用戶多元化需求，防止出現概念模糊、混亂等定性錯誤。

3 概念設計在建筑結構中的主要應用

3.1 方案選擇

建筑結構設計往往與地質結構、地形特點等建筑場地條件存在一定關聯，也就是不同地域的居民對建筑結構有著不同的需求和審美，意味著在選擇建筑結構設計方案中，要立足從整體到局部、局部到整體的概念設計來考量設計方案，譬如建筑地基就要考量場地資料來設計。

3.2 結構體系選擇

對于高層混凝土結構而言，存在著框架結構、剪力墻結構、筒體結構、巨型結構等結構體系，這就需要設計者在綜合各種設計需求中選擇最佳的結構體系，并在保證水平荷載下滿足嵌固要求，也就是確保地震作用和風荷載之作用下的強度和穩定性，從而適合配置車庫、蓄水池等用途的基坑施工。總而言之，唯有依賴概念設計才能選擇和確定結構體系。

3.3 抗震設計中的應用

抗震設計并不僅僅依賴軟件計算，而是需要設計人員依據概念設計進行操作，譬如強柱弱梁只能依賴設計人員放大柱截面，構造邊緣構建、底部加強區設置、最大（小）配筋率要求等,都需要設計人員根據抗震概念設計來確定。

3.4 結構分析中各種調整系數

在建筑結構設計中，有時會涉及一些調整系數，譬如地震作用調整系數、周期折減系數、梁端彎矩調幅系數、連梁剛度折減系數、振型數、梁跨中彎矩放大系數、梁扭矩折減系數、梁剛度增大系數等，都可能會依據概念設計予以調整系數[4]。

3.5 對計算結果的分析判斷和調整

在建筑結構設計中，對于位移、平衡性、對稱性以及周期、振型和地震力等，需要通過概念設計和規范要求予以相應的調整。同時，對于軸壓比、剪重比、剛度比、位移比、周期比、剛重比等，也需要依據概念設計對計算結果予以判斷和控制。

4 概念設計應用注意的問題

4.1 認識結構的破壞機制

建筑結構的破壞機制主要涉及樓層破壞和整體破壞2個部分，前者主要是某部分薄弱和短板效應而未能達到最大荷載所受到的損害；后者主要是基于整體結構而受到的損害。因此，在建筑結構設計中，要特別注意整體破壞問題。

4.2 注意建筑物剛度的判斷

建筑物剛度不能過大也不能過小，這樣就不宜使得建筑結構自振周期過短，也不宜造成建筑材料的浪費和建筑發生大幅度位移，從而危及建筑物的穩定和安全。為此，對于建筑物的剛度要準確判斷。

4.3 注意等強度和耗能設計

不容否認，建筑的主要承重結構可能會存在一些設計或施工質量所引發的隱患，這樣建筑遇及地震發生時就會在水平作用的破壞之下而危及或造成建筑破壞。故而，在概念設計中要力避短板設計，并注意等強度和耗能設計，特別是注意處于彈性階段工作的構件約束耗能構件的屈服應力、承受豎向荷載的構件不宜作為耗能構件。

5 結論

在建筑多元需求的消費模式下，基于對結構設計的創新與超越的概念設計日益備受建筑界和廣大客戶的關注和青睞，畢竟概念設計給建筑結構帶來受力合理、造價低廉、安全可靠等諸多優勢，并且有效地提升了建筑結構的設計水平，使得建筑師和結構師予以在一個平臺上溝通，改變完全依賴計算機計算的不利局面，從而成為建筑結構今后發展的主流設計思想。

【1】李志奇.建筑結構的概念設計[J].中外建筑，2003（3）：91-92.

【2】劉華新，孫志屏，孫榮書.抗震概念設計在高層建筑結構設計中的應用[J].遼寧工程技術大學學報，2007（2）：222-224.

【3】左詠梅，李俊玲，高洪俊.多高層建設結構的概念設計應用與分析[J].煤炭工程，2009（12）：30-31.

【4】古雪琴.建筑結構概念設計研究[J].商品混凝土，2012（9）：134+136.

On the Conceptual Design and Application of BuildingStructures

LIANG Yi
（ArchitecturalDesignandResearchInstituteofGuilin,Guilin 541002，China）

Theconceptualdesignistheinevitableresultofthedevelopmentoftoday'sarchitecturaldesign,but alsoblindlyrelydefective computers ought to highlight the results of the game.For this reason,the concept of design is increasingly becoming one of the topics of buildingworkssectorisconcerned.Therefore,thisarticlefocusesonthedifferencebetweenconceptualdesignandstructuraldesign,concept designandtheimportantroleofthegeneralprinciplesmustbesetforth,andonthisbasistobeexploredontheprogramselection,architecture selectionandotheraspectsofapplicationsandapplicationnoteissues.

buildingstructure;conceptualdesign;applications

TU3

A

1007-9467（2016）06-0035-03

梁毅（1972～），女，廣西桂林人，高級工程師，從事工業與民用建筑結構設計研究，（電子信箱）kuashiji2008@126.com。

2016-02-24