概念設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

文/張?chǎng)?天津宇昊集團(tuán)建筑設(shè)計(jì)有限公司 天津 300381

1、前言

在經(jīng)濟(jì)全球化的新局面下，我國(guó)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作必須跟得上時(shí)代的步伐，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法是十分單調(diào)的，其與社會(huì)的發(fā)展形勢(shì)也是無(wú)法相適應(yīng)的。所以，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中應(yīng)用概念設(shè)計(jì)就顯得十分地重要和必要，其能夠有效的處理建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中易出現(xiàn)的問(wèn)題，并保證設(shè)計(jì)工作更加的貼近人們的生活，大大提升了建筑的應(yīng)用價(jià)值。

2、概念設(shè)計(jì)總體概述

2.1 概念設(shè)計(jì)的含義

概念設(shè)計(jì)追求的是逐漸向具體、精細(xì)、清晰的演化過(guò)程，在整個(gè)設(shè)計(jì)中，這種逐漸精細(xì)化的理念貫穿著始終。在建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，概念設(shè)計(jì)也就是指對(duì)結(jié)構(gòu)體系和分體系所作的分析。同時(shí)根據(jù)分析得出的結(jié)果結(jié)合設(shè)計(jì)人員長(zhǎng)期的工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)作，從而完成建筑設(shè)計(jì)中的抗震設(shè)計(jì)以及總體水平的設(shè)計(jì)。近些年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷提升，科學(xué)技術(shù)也有了較大的進(jìn)步，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的水平也在不斷的提升，將概念設(shè)計(jì)融入到整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，這是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要，同時(shí)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中也應(yīng)該將概念設(shè)計(jì)作為整個(gè)工作的重心所在。

2.2 概念設(shè)計(jì)的發(fā)展

在現(xiàn)在的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，我們會(huì)看到有些設(shè)計(jì)體現(xiàn)出了概念設(shè)計(jì)這一信號(hào)，只是這種設(shè)計(jì)形式的體現(xiàn)有時(shí)是在有意識(shí)的情況下體現(xiàn)出來(lái)的，而有的時(shí)候是在人們無(wú)意識(shí)的情況下體現(xiàn)出來(lái)的。隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，被要求設(shè)計(jì)的內(nèi)容越來(lái)越多，越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)于設(shè)計(jì)的水平要求也提高了很多，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中很好的融入概念設(shè)計(jì)就顯得很必要了。但是，在工作中，很多設(shè)計(jì)人員分屬于不同的工作領(lǐng)域，他們的觀點(diǎn)在一些問(wèn)題上會(huì)存在分歧。所以，我國(guó)在設(shè)計(jì)領(lǐng)域仍然處于一個(gè)初期的發(fā)展階段，正在慢慢的起步過(guò)程中。現(xiàn)代社會(huì)中，信息化已經(jīng)以很快的速度向前發(fā)展，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用程序越來(lái)越復(fù)雜。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中合理的利用信息化工具是一項(xiàng)很好的輔助工具。在現(xiàn)代社會(huì)中國(guó)狠多優(yōu)秀的作品中融入了概念設(shè)計(jì)的理念這種形勢(shì)下，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中融入概念設(shè)計(jì)是一種很好的促進(jìn)設(shè)計(jì)工作發(fā)展的形勢(shì)，在社會(huì)發(fā)展中比較受重視，擁有著較好的發(fā)展前景。

3、建筑結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化計(jì)算

3.1 結(jié)構(gòu)安全度的人為控制

高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算，目前結(jié)構(gòu)工程師都已廣泛采用各類(lèi)結(jié)構(gòu)軟件電算程序進(jìn)行。在這種情況下，高層結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化計(jì)算還要不要？如果要，深度應(yīng)該達(dá)到什么程度？結(jié)構(gòu)工程師根據(jù)實(shí)際工程設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，一致認(rèn)為答案是明確的，要簡(jiǎn)化計(jì)算，而且要達(dá)到一定的深度，但也不必過(guò)于繁瑣，要力求快速，簡(jiǎn)捷，明了，并能把握結(jié)構(gòu)的主要受力特征。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)合理

結(jié)構(gòu)工程師通過(guò)高層建筑結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化計(jì)算，可以在正式電算前得到主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)及其樓蓋結(jié)構(gòu)的合理布置和截面的合理確定，下一步的電算實(shí)際上成為簡(jiǎn)化計(jì)算的輔證和深化，這樣一方面，可以不必在上機(jī)后來(lái)回調(diào)整，節(jié)省電算時(shí)間，使電算更快捷有效，電算結(jié)果也比較放心，另一方面結(jié)構(gòu)的布置，斷面的確定比較快的得到經(jīng)濟(jì)合理的實(shí)現(xiàn)。

4、概念設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

4.1 平面設(shè)計(jì)

在水平荷載作用下結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高層建筑設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵控制因素，如何在滿足相關(guān)要求的前提下選擇更好的抗側(cè)力體系成了結(jié)構(gòu)工程師追求的重大目標(biāo)。建筑平面的形狀宜選用風(fēng)壓較小的形式，并應(yīng)考慮鄰近高層建筑對(duì)其風(fēng)壓分布的影響，還必須考慮其抵抗豎向荷載能力，在地震作用下，建筑平面要力求簡(jiǎn)單規(guī)則。風(fēng)荷載作用下則可適當(dāng)放寬，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)整體彎曲變形所引起的側(cè)移與結(jié)構(gòu)體系抵抗傾覆力矩的有效寬度的三次方成反比例關(guān)系，所以不適宜建筑寬度很小的建筑物。

4.2 剖面設(shè)計(jì)

4.2.1 豎向傳力體系設(shè)計(jì)

1）應(yīng)注意控制建筑的高寬比。2）高層建筑的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)剛度，應(yīng)注意由基礎(chǔ)向頂層逐漸過(guò)渡，要盡量避免出現(xiàn)在豎向上剛度發(fā)生突變的現(xiàn)象，以免由于剛度的較大突變而削弱其抵抗水平荷載的能力。3）由于使用上的要求造成剛度變化特別大，或結(jié)構(gòu)布置發(fā)生變化時(shí)必須設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。4）高層建筑必須有相應(yīng)的錨固深度，此錨固深度可結(jié)合布置設(shè)備用房和地下停車(chē)庫(kù)的需要，作為一層或多層地下空間，這對(duì)降低高層建筑的重心有利，可提高建筑抗震能力及抗傾覆能力。

4.2.2 豎向形體設(shè)計(jì)

1）截錐形。采用由下而上分段逐漸減小樓層面積階梯狀體型，能使房屋剛度大大增加，由于房屋頂部的樓面尺寸比底部小，除了在建筑使用功能方面存在優(yōu)點(diǎn)外，在抗風(fēng)和抗震方面也具有一定的優(yōu)越性。2）上窄下寬形。高層建筑隨著高度的增加在符合豎向結(jié)構(gòu)的要求下，樓身向上不斷收進(jìn)與變細(xì)，這樣可減輕承受的風(fēng)力，降低樓體的重心，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，這種形體主要包括上削楔形體和退縮體，上削楔形體利于抗風(fēng)，抗震，并呈現(xiàn)穩(wěn)固堅(jiān)韌的特性，退縮體的形式比較多樣，有收進(jìn)式，截切式，臺(tái)階式。3）新月形。新月形房屋就像一個(gè)豎向的懸臂殼體一樣，能有效地增加它低抗側(cè)向力的剛度，它的作用就像波形的屋面殼體能有效地抵抗重力荷載一樣，重力荷載由柱—?dú)ぁ蚣艹惺埽瑐?cè)向荷載由豎向的殼體抵抗，該殼體由于樓面結(jié)構(gòu)的加勁作用而得以加強(qiáng)，新月形的殼體形式能有效地抵抗對(duì)稱作用與它的側(cè)向力。

4.3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)概念

4.3.1 基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)協(xié)同作用

基礎(chǔ)除了與地基相互作用外，與上部結(jié)構(gòu)作用的關(guān)系也很復(fù)雜，除非在建筑的邊緣部位荷載很大的情況以外，一般建筑基礎(chǔ)的變形總是內(nèi)部沉降多，外部沉降小，在建造下部幾層時(shí)，基礎(chǔ)鋼筋應(yīng)力不斷增長(zhǎng)，建筑到四五層時(shí)鋼筋應(yīng)力達(dá)到最高值，以后隨層數(shù)和荷載的增加應(yīng)力又逐漸減小，這種現(xiàn)象是基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)協(xié)同作用的結(jié)果，當(dāng)上部結(jié)構(gòu)高低層數(shù)差別很大，但地下室有直通要求時(shí)，應(yīng)做成整體基礎(chǔ)，高低層不分開(kāi)是有條件的，首先地基地質(zhì)要好，或采用樁基。要求地基沉降量不能過(guò)大，重要的是控制高低層的沉降差，天然地基的建筑，高層部分一般采用滿堂紅基礎(chǔ)，低層部分采用雙向條形或單獨(dú)基礎(chǔ)，高層建筑常設(shè)有通往地下車(chē)庫(kù)的通道，通道緊貼高層的外壁，并平行于外壁，作為車(chē)道的底板，便于鋪防水層，也保證了高層建筑的整體連接。

4.3.2 基礎(chǔ)選型及特點(diǎn)

根據(jù)不同建筑的地理位置結(jié)構(gòu)形式可選擇樁基礎(chǔ)，箱形基礎(chǔ)和筏形基礎(chǔ)。樁基礎(chǔ)，當(dāng)?shù)鼗临|(zhì)較軟弱，建筑物層數(shù)較多，荷載較大的情況下，天然地基不能滿足地基承載力的要求可以采用樁基將上部結(jié)構(gòu)荷載直接傳到下部堅(jiān)實(shí)的持力層，高層建筑的樁基礎(chǔ)可采用預(yù)制鋼筋混凝土樁，混凝土灌注樁和鋼管樁。箱形基礎(chǔ)，箱形基礎(chǔ)在高層建筑中廣泛應(yīng)用，它整體剛度好，能將上部結(jié)構(gòu)的荷載均勻地傳給基礎(chǔ)，對(duì)上部結(jié)構(gòu)能良好地嵌固，箱基有效地抵抗不均勻沉降，并與周?chē)馏w協(xié)同工作，提高建筑物的抗震和抗風(fēng)能力。筏形基礎(chǔ)，筏形基礎(chǔ)適用于上部結(jié)構(gòu)荷載較大，地基承載力較低的工程，筏形基礎(chǔ)整體較好，剛度大，能有效地分散上部結(jié)構(gòu)的荷載，調(diào)整基底的壓力和不均勻沉降。

結(jié)語(yǔ)：

在建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中加入概念設(shè)計(jì)的理念，可以從多個(gè)方面使設(shè)計(jì)更加的完善。概念設(shè)計(jì)在整個(gè)建筑的結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)中有很多方面都可以運(yùn)用到，并且相比于計(jì)算機(jī)程序下的設(shè)計(jì)，概念設(shè)計(jì)有著獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。只有對(duì)概念設(shè)計(jì)的理念有一個(gè)深入的了解，才能正確的處理可能出現(xiàn)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)出最符合要求，且更安全，更經(jīng)濟(jì)，更高效的作品。

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