建筑結構設計中概念設計與結構措施的應用研究

文 豪

隨著生活水平的不斷提高，人們對建筑物的要求越來越高。因此，建筑結構設計也需要與時俱進，以人們的實際需求為導向，設計出具有現(xiàn)代生活理念的建筑物。概念設計與結構措施是建筑結構設計的有機組成部分，二者相互協(xié)同，最終實現(xiàn)了建筑設計的人性化、合理化。通過優(yōu)化概念設計和結構措施，有利于提高建筑結構的性能，促進設計的科學性和可行性，從而延長整個建筑結構的使用年限。因此，建筑設計人員需要在建筑結構設計工作中合理應用概念設計和結構措施，為建筑工程開展后續(xù)工作打好堅實基礎。

1 概念設計與結構措施概述

1.1 概念設計

概念設計是指設計人員根據(jù)設計方面的相關理念，依據(jù)個人實踐經(jīng)驗，在勘查建筑現(xiàn)場后，從宏觀上把握建筑結構的外形，并通過對比分析解決產(chǎn)生的問題，不斷調整設計，最終實現(xiàn)最佳的設計效果。概念設計是結構設計的基礎和前提，是設計人員的經(jīng)驗和理念的充分體現(xiàn)；概念設計是對建筑結構及施工的籠統(tǒng)概括，細節(jié)不夠明顯，卻能反映出各結構間的關系與延展性。巧妙地應用概念設計能夠減少設計的估算和計算錯誤，提高設計的科學性，是建筑結構設計最重要的部分之一[1]。

1.2 結構措施

結構措施是概念設計的一部分，是概念設計內(nèi)容的具體深化和拓展延伸部分，是建筑結構設計的骨架。在設計初期，設計人員會通過施工現(xiàn)場的實地考察，系統(tǒng)分析建筑物的功能、外觀等，并結合建筑結構設計規(guī)范，構建出科學的結構體系。

2 概念設計與結構措施的重要作用

2.1 優(yōu)化建筑結構設計方案

設計人員在進行建筑結構設計時，先要進行概念設計，通過對建筑物情況及施工環(huán)境的綜合考慮，構建建筑結構設計的整體框架，然后通過結構受力分析不斷調整設計方案，實現(xiàn)力的有效均衡分配，實現(xiàn)以最小成本達到最佳設計效果的目標。通過優(yōu)化建筑結構設計方案將概念設計合理應用到結構設計環(huán)節(jié)，能夠提高結構設計方案的科學性與合理性，為后續(xù)建筑項目施工奠定基礎。

2.2 促進局部設計與整體設計的協(xié)調性

概念設計是建筑結構設計宏觀層面的整體框架式設計，涵蓋了建設結構設計的各個要素。現(xiàn)代施工設計應具有整體性概念，通過制訂系統(tǒng)的設計方案，能夠有效指導局部設計，提高設計效率，促進局部設計與整體設計的協(xié)調，提升整個項目的設計水平。例如，進行水電設計時，應當充分利用概念設計與結構措施，判斷其與建筑結構設計間的融合程度及彼此間的相互影響。在此基礎上優(yōu)化水電設計方案，實現(xiàn)水電局部設計與整體設計間的協(xié)調，節(jié)約設計時間和成本。

2.3 提升建筑結構設計方案的創(chuàng)新性

傳統(tǒng)建筑結構設計主要依靠計算機、信息軟件等硬件設備計算出來的客觀數(shù)據(jù)，由于這些數(shù)據(jù)使用時不夠靈活變通，因此無法判斷其合理性與實用性。概念設計與結構措施在計算機計算的基礎上加入了設計人員的主觀經(jīng)驗和設計理念，將主觀與客觀有機結合來判斷計算機計算數(shù)據(jù)的科學性和實用性，并通過經(jīng)驗交流不斷進行優(yōu)化調整，實現(xiàn)建筑結構設計方案的創(chuàng)新。

3 概念設計和結構措施的原則

3.1 受力合理原則

概念設計與結構措施需要充分考慮建筑結構的受力情況，準確分析影響建筑結構變形的因素并加以規(guī)避。在建筑結構受力方面，均勻受力要優(yōu)于集中受力情況，而多跨連續(xù)結構要優(yōu)于單跨結構。在概念設計和結構措施中需要遵循合理受力的原則，設計過程中關注重點部位、薄弱部位，優(yōu)化建筑結構的受力情況，保證建筑結構受力平衡，避免出現(xiàn)結構不穩(wěn)定的情況[2]。

3.2 完整原則

概念設計雖然是籠統(tǒng)性的設計，但涵蓋的內(nèi)容非常全面。在概念設計和結構措施中應能完整反映建筑工程的基本內(nèi)容，不僅要反映建筑物的性能、外觀、材料等內(nèi)在情況，還要反映出建筑物的地基土質等外在情況。通過綜合考慮各方面因素，科學分析和判斷建筑物的承載力，利用交叉、疊合等設計方式優(yōu)化設計方案，提升建筑結構的安全性和穩(wěn)固性。

4 概念設計和結構措施的步驟

概念設計和結構措施是基于建筑物的客觀情況，根據(jù)設計人員的經(jīng)驗、理念等主觀因素不斷優(yōu)化整個設計過程。概念設計包括以下幾個步驟。

4.1 分析

前期分析只是一個準備階段，是建立在對建筑物了解的基礎上分析建筑物存在的問題。在設計初期，設計人員需要了解建筑物的結構、性能、外觀及地基的地質情況，全面收集一切與建筑物有關的信息和材料，并根據(jù)材料分析建筑物結構設計中可能存在的問題，實現(xiàn)信息的最大化[3]。

4.2 綜合

綜合是分析的深化和升華，是概念設計中最重要的一個階段。設計人員在了解建筑物基本情況并分析建筑物存在的問題后，運用自身的專業(yè)知識和實踐經(jīng)驗將符合建筑物情況的建筑結構設計方案通過圖紙的形式展現(xiàn)出來，使抽象的設計理念和設計構思得以具體化和形式化[4]。

4.3 評估

評估是階段性的工作，設計人員每完成一步設計計劃就要進行專業(yè)評估，根據(jù)評估結果選擇一種科學、合理的設計計劃。因此，評估并不是一項固定的工作，而是周期性的工作[5]。

4.4 完成

完成是概念設計的最后一個步驟。經(jīng)過反復的科學評估選出最優(yōu)、最經(jīng)濟安全的概念設計，并根據(jù)概念設計開展后續(xù)的設計工作，將概念設計落到實處，提高建筑結構設計的效率。

5 概念設計與結構措施的應用

5.1 概念設計的應用

5.1.1 科學選擇基礎結構

基礎結構是建筑結構的基礎，是概念設計的重要內(nèi)容之一。設計人員在設計前應進行勘察，了解建筑物的內(nèi)部結構和外部特征，并根據(jù)建筑物的特點和周邊環(huán)境選擇適宜的基礎結構。基礎結構按照構造形式可以分為樁基礎結構、箱型基礎結構、條形基礎結構及獨立基礎結構等，其中樁基礎結構適用于地表土壤松軟或者荷載相對較大的高層建筑，具有較強的穩(wěn)定性，通過豎向單樁承載力或者群樁承載力，承擔了建筑物的全部豎向荷載。箱型基礎結構的優(yōu)點是剛度大，可以將建筑物傳來的荷載均勻分布，避免受力不均勻產(chǎn)生基礎沉降不一致的現(xiàn)象，且具有較好的抗震性能。基礎結構的選擇考驗了設計人員的選型能力，因此設計人員要提高對勘察工作的重視程度，通過實地勘察收集相關數(shù)據(jù)信息，全面了解建筑物周邊的地質、水文、氣候等情況，并結合自身的專業(yè)知識選擇合理的基礎結構形式，優(yōu)化結構設計方案[6]。

5.1.2 選擇合理的主體結構

主體結構是建筑結構的骨骼，對建筑結構具有重要的支撐作用，一般遵循對稱、均勻的原則。從建筑結構設計的理論來講，對稱、均勻的結構承載力和穩(wěn)定性是最強的，可以減少建筑材料的使用，降低建筑結構的扭轉力，保證建筑結構的承載力符合建筑要求。在設計過程中，為了保證結構平衡，需要調整建筑結構的重心，使其均勻對稱。例如，剪力墻是主體結構的重要組成部分，其在平面內(nèi)抵抗外力方面有著獨特的優(yōu)勢，但平面外的抗力卻明顯不足。為了能夠實現(xiàn)抗力均衡，需要設置兩個垂直相交的墻體，合理利用兩個方向的外力，從而降低因外力作用而產(chǎn)生的扭轉效應[7]。

5.1.3 科學選擇建筑結構剛度

建筑結構的剛度在穩(wěn)定性、安全性、經(jīng)濟性方面具有非常重要的意義。通過建筑結構剛度的選擇，不僅能提高空間利用率，還可以節(jié)約材料，提升經(jīng)濟效益。為了選擇合適的建筑結構剛度，設計時要合理設計配筋率，使平面設計滿足剛性樓板的要求，盡量不選擇大開洞等平面，并且所選施工材料的強度要滿足建筑要求和規(guī)范規(guī)定。實踐表明，建筑結構的剛度越大，在遭受地震等自然災害時所受到的影響就越大。因此，在材料的選用上要充分考慮建筑結構的抗震能力，盡量使用輕型材料，減少厚重材料的使用[8]。

5.1.4 科學選址

科學選址也是概念設計中的重要內(nèi)容，是進行設計和施工的前提。建筑選址時需要綜合考慮日照間距、安全防護距離等因素。在地震、泥石流等地質災害較為嚴重的危險區(qū)域禁止建設建筑物，避免地質災害造成的嚴重后果。在一般危險區(qū)域建設建筑物，需要額外強化建筑結構的抗震性能，提升建筑結構的質量和抗震能力。

5.1.5 科學選擇建筑材料

建筑結構的材料是建筑工程的主要載體，對建筑工程質量具有重要影響。建筑工程的材料類型多種多樣，實際施工過程中經(jīng)常使用的材料是鋼筋和混凝土，是建筑工程最基本的材料。按照概念設計的理念要求，建筑結構設計時需要結合建筑物的具體情況選擇合適的建筑材料，每個建筑工程的施工材料在達到建筑結構基本標準的基礎上各有不同，建筑材料的購置和選擇必須充分考慮建材本身和建筑整體的契合度[9]。

5.2 結構措施的應用

5.2.1 提高材料的利用率

結構措施是概念設計的重要內(nèi)容，對設計具有輔助作用。結構措施不僅能夠維護建筑結構的穩(wěn)定性，還能提高建筑材料的利用率。設計人員在設計時需要重視建筑材料的性價比，在保證建筑結構性能的前提下提高建筑材料的利用率，降低建筑材料的投入成本，并在保障質量的前提下提升建筑構件的性能，降低建筑工程的成本。例如，具體施工階段，由于梁易發(fā)生變化，材料的利用率比較低，通過概念設計和結構措施可以對梁截面進行調整和優(yōu)化，有利于提高材料的利用率。

5.2.2 強化協(xié)同工作

協(xié)同理念已經(jīng)成為現(xiàn)代化生產(chǎn)和設計的重要理念，其在建筑結構設計中是指建筑結構各個部件在自身承載力能夠滿足外力要求的情況下，相互之間還能夠相互配合、協(xié)調工作。協(xié)同工作是建筑的基礎結構與上部結構的有機協(xié)同，二者共同構成建筑結構的統(tǒng)一整體；協(xié)同工作還是建筑結構整體受力與單個部件受力的有機協(xié)同，在整體建筑結構達到承載力要求的基礎上，各部件的承載力也要滿足標準和規(guī)范[10]。同時，協(xié)同工作還能夠完整反映各個部件間的配合關系，以各構件的性能指標為核心充分發(fā)揮構件的承載及使用性能。

我國多層、高層建筑的結構設計，為了保持承重力柱在同一個水平位移范圍內(nèi)，一般避免過多短柱的設計。在傳統(tǒng)的多層、高層建筑中，結構設計主要采用平面相交的方式來抵抗水平力的作用，在建筑結構的四周進行抗側力結構的設計，增強建筑結構設計的剛度和穩(wěn)定性。隨著建筑行業(yè)的發(fā)展，高層、超高層建筑逐漸成為主流，為了避免底層柱的截面面積過大，需要采用“田形柱”的方式提高建筑結構的承受力。

6 結語

隨著我國建筑行業(yè)的快速發(fā)展，建筑標準越來越多，人們對建筑結構設計的要求也越來越高。為了達到低投入高產(chǎn)出的效果，保證建筑行業(yè)健康發(fā)展，概念設計與結構措施成為建筑結構設計的重要內(nèi)容。

通過將概念設計與結構措施應用在建筑結構設計中，有利于提升建筑結構設計的科學性和可行性，推動建筑工程項目的順利進行。設計人員應重視概念設計和結構措施，提升其應用水平，促進建筑行業(yè)的健康發(fā)展。