論建筑結構設計中的概念設計及其優化

李霞

（貴陽市建筑設計院有限公司　貴州貴陽　550003）

1　引言

隨著中國經濟的快速發展，對建筑產業起到了很大推動作用。在建筑結構設計中，如果采用科學合理的概念設計，則會起到事半功倍的效果，即既可以滿足人們在辦公住房上的需要，又能使建筑結構設計更具有經濟性和可靠性。此外，合理的概念設計還可以提高工程建設的效率。本文意在通過對建筑結構概念設計以及優化措施的分析，為同行提供參考，提高建筑結構設計水平和建筑設計質量，保證整個建設項目的質量。

2　概念設計理念

2.1　概念設計的含義

工程師在概念設計的大體方向確定后，通過數據的收集整理，對設計要求進行分解消化，在建筑方案的基礎上擬出一套初步的結構設計方案構想。概念設計難度較大，對工程師的實踐經驗要求也比較高。概念設計是在對建筑類型和特性的把握上做出的一種以結構為框架，包含地理因素，自然條件、建筑形態、建筑功能、結構措施并與總體規劃和場地特點相結合的一種系統展現，具有明顯多元化結合的特征。

2.2　概念設計的意義

在建筑結構設計中，概念設計是結構設計的核心，起著提綱挈領、把握主要設計方向的作用。概念設計與建筑中精確規整的局部構件設計不同，其是從整體的大局出發，結合結構概念所形成的合理的系統的設計方案，對結構設計有著從結構體系、受力性能上的合理化提升和優化完善作用；對于實現建筑方案、建筑功能、造價控制方面都有著不可替代的指導意義。

3　概念設計在建筑結構設計中的應用體現

3.1　建筑場地及結構構件選擇

概念設計在建筑結構設計中的應用是多方面的，比如建筑場地的選擇；結構體系的確定；局部特殊構件的結構體系確定，比如大跨度樓、屋蓋，大懸挑雨篷，大跨度采光頂篷，大跨度連廊等等；結構抗側力構件的布置；跨度尺寸模數的確定；高層建筑長寬比、高寬比與建筑方案的協調；高層建筑核心筒平面位置的確定以及核心筒與建筑，設備功能的協調等。

對建筑場地的選擇，需要綜合地質情況、風荷載、地震帶、建筑造型、建筑立面、建筑功能、城市天際線的制約等各方面因素，綜合考量，是一個典型的概念設計。

3.2　抗震設計

概念設計在抗震設計中的應用有其獨到的價值。概念設計融入抗震設計的過程更多是對整個建筑工程總體結構體系的分析和考量。抗震設計中，概念設計和結構措施是相輔相成的。從概念設計出發，對“地震力”采取或“抗”，或“耗”，或“隔”，或“傳”等等不同的處理方式。抗震設計中的性能設計也是概念設計的常見應用領域。建筑的抗震性能設計，通過對承載能力和變形能力的綜合考慮，尋求整體結構或者局部構件在承載能力以及變形能力的合理平衡點，具有很強的針對性、靈活性。

抗震規范提出的“三水準設防”目標（即小震不壞，基本地震可修，大震不倒）其實和抗震性能設計的目標是一致的，其本身也就是一種概念設計。從“三水準設防”目標出發，實際設計中，往往會對特別不規則結構（水平和豎向）、復雜結構根據具體情況，對抗側力的水平和豎向構件作出特別加強。

3.3　高層建筑結構設計

概念設計在高層建筑結構設計中的應用，常見的有結合建筑方案和平面布置控制高寬比，長寬比；根據建筑平面布置和建筑功能，設備要求合理布置抗震墻與核心筒，以及確立核心筒位于整個建筑平面的什么位置，是中置，是偏置，是單筒亦或雙筒，目的是為了使結構剛度中心和質量重心盡量重合。針對不規則平面布置出現的薄弱點，做特別加強處理比如加強樓板剛度等措施。這一點體現的很明顯。作為構件設計，常規的樓板厚度就可以滿足承載能力和變形能力的要求，但是從概念設計的角度出發，采取加強薄弱點的樓板剛度這一具體的結構措施，就可以大大提升整個結構的抗側力剛度，對于抗震性能設計，以及控制計算指標都有很積極的效果。

3.4　地基基礎設計

在地基和基礎設計中，概念設計的應用也很常見。比如，抗震規范第3.3.4條第2款規定“同一結構單元不宜部分采用天然地基部分采用樁基”，該規定是為了避免建筑物受到地震作用時，基礎因為抗側剛度的嚴重不均勻而發生抗剪破壞。另《建筑樁基技術規范》（JGJ94-2008）提出了變剛度調平設計理念。該理念體現了概念設計的精髓。尤其對于主樓、裙房一體的建筑物，對主樓，裙房采用不同的基礎形式或者基礎處理方案，可以有效地控制沉降和差異沉降；再比如，主樓和裙房都采用樁基礎，但是主樓樁基密集強化，裙房樁基稀疏弱化，則是常用的控制差異沉降的結構措施。

4　概念設計在抗震設計中的優化分析

4.1　結構規則

在高層建筑的構建過程中，實際的建筑結構是三維立體的，而在地震發生時，地震的方向具有任意性，所以高層建筑的主體抗側力結構的主軸的剛度要均勻相同，這樣高層建筑就會有非常好的抗震能力。處于強震區的高層建筑要注意主體抗側力的豎向斷面的變化要均勻，不能變化太大，這樣可以避免在地震時因為建筑的薄弱環節而造成的整體損壞。在高層建筑主體抗側力這一方面的平面布置上，既要注意同一方向上的剛度要均勻同時也不能忽視延展性對主體結構的影響，還要滿足對稱性的要求。

4.2　選擇結構

在建筑高層蓋梁時，要注意使重力荷載要以最短的途徑傳達到豎向構建上。在布置豎向構件時，要保持豎向構件和重力荷載作用力水平接近，從而避免構件壓力的轉移，所以垂直重力作用下構件壓應力均勻是最優選擇。整體抗側力結構是由框架、支撐、墻體等組成，在構建整體抗側力時要把這些結構連續、緊密連接。在結構的轉換上要做到把上層結構的重力通過轉換結構多次轉換，保證能夠傳遞到下層結構上去。

4.3　設立抗震結構

剪力墻是最主要的抗側力結構，同時也是第一層抗震結構，所以剪力墻的數量要達到抗震標準。在剪力墻開裂后要重新分配地震力，就要使每層的框架要和墻體共同承擔地震力。在剪力墻結構中，可以使用連梁結構形成聯肢墻，從而具有更高的抗震能力。在聯接過程中要注意使梁結構的各項能力要和墻肢均勻相似，從而減少因為拉力過大出現的抗震能力下降的現象。

4.4　剛度設定

在進行主體抗側力結構的剛度設定時要注意，剛度要符合位移、延展性等的要求，保證地震發生時高層建筑結構可以穩定應對。且主體抗側力的剛度不能過大有以下幾點原因：符合要求的高層建筑的結構剛度要略大于規定的范圍值，高層建筑結構的延展性是根據結構的設計和構造決定的。如果剛度過大，會導致在地震發生時結構的振動頻率減少，使地震對建筑的影響加大，從而導致高層建筑結構所承受的地震力增強，對地基的負擔也會增多。

5　結語

在建筑結構設計中，為了確保設計方案的科學性和實用性，設計人員應當根據建筑的概念進行結構設計，設計出一套適用于施工的建筑結構設計方案，才能確保建筑施工順利進行。本文從建筑結構概念設計的介紹出發，分析了概念設計的現狀，以及目前結構概念設計在應用時需要注意的問題，接著提出了建筑結構概念設計的具體應用，最后著重分析了高層抗震設計中利用概念設計進行優化的要點，在今后的建筑設計工作中，提出更多更好的抗震設計方案，提高建筑物的剛度，使其能更好的抵御地震災害造成的破壞。