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

曹亞峰

（中鐵十二局集團(tuán)有限公司，山西 太原 030024）

1 建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的概念

1.1 概念設(shè)計(jì)的定義

建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)是依靠結(jié)構(gòu)工程師自身的專業(yè)理論知識(shí)，豐富的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通過一些震害分析、結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)等成果研究的基礎(chǔ)上對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型、內(nèi)力傳遞分布、構(gòu)件與結(jié)構(gòu)整體的關(guān)系處理的思想理念。結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)既要分析總體布置上的大原則，也要關(guān)注關(guān)鍵部位的細(xì)節(jié)問題。建筑結(jié)構(gòu)體系盡量采用抗震能力強(qiáng)、延性好、耗能能力強(qiáng)、便于施工的具有多道設(shè)防的結(jié)構(gòu)體系[1]。經(jīng)常用到的概念設(shè)計(jì)思想有在結(jié)構(gòu)整體布置上采用多道抗震防線思路，在結(jié)構(gòu)整體計(jì)算過程中采用軸壓比、剪壓比、體積配箍率等參數(shù)控制提高結(jié)構(gòu)延性的措施，在結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)中采用強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)錨固等。

1.2 關(guān)于概念設(shè)計(jì)的一點(diǎn)認(rèn)識(shí)

關(guān)于概念設(shè)計(jì)，筆者結(jié)合對(duì)專業(yè)理論的理解談一談看法。概念設(shè)計(jì)是以較高的站位引導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理念，要具備“一覽眾山小”的高度站位，而非“橫看成嶺側(cè)成峰，遠(yuǎn)近高低各不同，只緣身在此山中”的低站位狀態(tài)，更非是“盲人摸象”式的唯心主義觀點(diǎn)。所以在概念設(shè)計(jì)的分析處理中既要尊重科學(xué)理論，也要尊重客觀事實(shí)，看問題要以站得高，望得遠(yuǎn)的態(tài)度分析問題，解決問題。其實(shí)大自然中本就存在有助于理解概念設(shè)計(jì)的元素，比如大家熟悉的竹子，給大家的印象是樹干結(jié)實(shí)，身材修長，竹子其實(shí)是名副其實(shí)的“高層專家”，竹子有6 個(gè)基本特點(diǎn)：①竹子高度與其截面比值較大；②竹子是空心的；③竹子是一節(jié)一節(jié)組成的；④竹子的截面是圓形的；⑤竹子外皮堅(jiān)硬且有韌性；⑥竹子整體較柔，隨風(fēng)飄動(dòng)卻不易造成樹干損壞。竹子的這6 個(gè)基本特點(diǎn)與建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)有異曲同工之妙，竹子高度與其截面比值較大，也就是專業(yè)上說的高厚比較大；竹子是空心的，大家都知道建筑構(gòu)件外形尺寸相同的情況下，空心的比實(shí)心的慣性矩大，抗側(cè)剛度較大，抵抗外力能力較強(qiáng)，并且重量較輕，地震作用下受力較??；竹子是一節(jié)一節(jié)組成的，每一竹節(jié)就像是建筑單體的樓板，均勻分割減少豎向構(gòu)件的計(jì)算長度，或者說是超高層建筑設(shè)置的加強(qiáng)層，有利于加強(qiáng)建筑單體的整體性，同時(shí)降低建筑結(jié)構(gòu)水平位移；圓形截面是結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件中受力最合理的截面形式，符合概念設(shè)計(jì)中的布置簡單、規(guī)則、對(duì)稱的特點(diǎn)；竹子外皮堅(jiān)硬且有韌性，就好比是建筑結(jié)構(gòu)平面布置中的周邊豎向構(gòu)件，或者說是豎向構(gòu)件設(shè)置的縱向鋼筋，鋼筋是彈性材料，有較高的強(qiáng)度和延性，再或者說是剪力墻結(jié)構(gòu)中的邊緣構(gòu)件等等，竹子這一材料特點(diǎn)符合日常所說的“金角銀邊白肚皮”的豎向構(gòu)件布置原則；竹子整體較柔，就好比建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度適中，且具備一定延性，遇到地震作用通過建筑材料的性能提供合理的剛度保證結(jié)構(gòu)安全，通過結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移消耗地震作用以降低結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力[2]。

通過有關(guān)結(jié)構(gòu)規(guī)范、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)習(xí)，理論聯(lián)系實(shí)際，結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及與大自然有異曲同工之妙的生物比照，對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員加強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的思想認(rèn)識(shí)、系統(tǒng)提高概念設(shè)計(jì)能力、熟練應(yīng)用結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范條文無疑是一種好的方法。

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

概念設(shè)計(jì)貫穿于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)始終，其中包括方案設(shè)計(jì)階段、初步設(shè)計(jì)階段、施工圖設(shè)計(jì)階段。

2.1 方案設(shè)計(jì)階段

方案設(shè)計(jì)階段的重點(diǎn)工作是確定結(jié)構(gòu)體系問題，比如根據(jù)正式地質(zhì)勘查報(bào)告提供的場地條件和建筑提資條件確定基礎(chǔ)型式，是采用天然地基，還是需要地基處理，或是采用樁基礎(chǔ)等；根據(jù)審定的建筑方案確定主體結(jié)構(gòu)型式，根據(jù)建筑材料分為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、混合結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)等，根據(jù)建筑使用功能和建筑高度分為框架結(jié)構(gòu)、框剪結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)等，需要通過專業(yè)理論知識(shí)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)綜合判斷，必要時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案比選，最終選擇結(jié)構(gòu)安全、功能適用、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

2.2 初步設(shè)計(jì)階段

初步設(shè)計(jì)階段的概念設(shè)計(jì)主要工作是對(duì)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行優(yōu)化和驗(yàn)證，確保結(jié)構(gòu)方案的可行性，同時(shí)滿足結(jié)構(gòu)專業(yè)相關(guān)規(guī)范、技術(shù)規(guī)程要求，對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行深化。比如根據(jù)作用于建筑結(jié)構(gòu)的恒、活荷載、地震作用等確定基礎(chǔ)截面尺寸大小，框架柱、剪力墻、框架梁、樓板等主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸，必要的荷載統(tǒng)計(jì)、基礎(chǔ)計(jì)算、主體結(jié)構(gòu)整體計(jì)算等計(jì)算文件等，確保主體結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度、剛度、延性等指標(biāo)符合規(guī)范要求。

2.3 施工圖階段

施工圖階段概念設(shè)計(jì)主要工作是對(duì)主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，滿足規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸和配筋的基本要求，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)全過程中應(yīng)用概念設(shè)計(jì)做到結(jié)構(gòu)方案合理、計(jì)算假定正確、計(jì)算模型無誤、計(jì)算結(jié)果有效、對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的把握準(zhǔn)確等，以保證建筑結(jié)構(gòu)安全可靠、功能適用、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、費(fèi)用可控的目的。

3 概念設(shè)計(jì)在建筑設(shè)計(jì)中的作用

概念設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中意義重大，是不可或缺的。當(dāng)外部荷載和作用無法預(yù)估時(shí)，特別是地震作用下，作用大小和方向均難以做出判斷，所以說抗震概念設(shè)計(jì)尤為重要。概念設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)的重概念輕精度，從宏觀上對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行把控。

3.1 通過震害分析總結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路， 提高建筑結(jié)構(gòu)的安全性

我國歷次大地震過后都會(huì)通過震害分析總結(jié)寶貴的經(jīng)驗(yàn)，提出可行的結(jié)構(gòu)措施保證建筑結(jié)構(gòu)安全。如1966 年邢臺(tái)地震過后提出“基礎(chǔ)埋的深一點(diǎn)，墻體做的厚一點(diǎn)，屋頂做的輕一點(diǎn)”、1976 年唐山地震過后提出構(gòu)造柱和圈梁的結(jié)構(gòu)形式以及目前應(yīng)用的“小震不壞，中震可修，大震不倒”的三級(jí)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，這些科學(xué)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)被國際工程界公認(rèn)為行之有效的基于性能的抗震設(shè)計(jì)理念[3]。

3.2 補(bǔ)充建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中難以計(jì)算的空白

目前對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論和計(jì)算方法還存在缺陷和不足，使得理論計(jì)算和結(jié)構(gòu)實(shí)際受力存在差異，比如說在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力計(jì)算采用彈性理論分析方法，而結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面設(shè)計(jì)采用塑性理論的極限狀態(tài)分析法，導(dǎo)致理論和實(shí)際不相符合；結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中對(duì)于地震作用大小、作用方向等問題，理論計(jì)算不能準(zhǔn)確預(yù)判等?；谶@種情況，為了彌補(bǔ)這種理論上的不足，或者說存在理論計(jì)算難以把控的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，倡導(dǎo)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)理念無疑是行之有效的方法，通過結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)措施來保證結(jié)構(gòu)安全可靠。

3.3 為計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算結(jié)果簡化復(fù)核提供依據(jù)

計(jì)算機(jī)和結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件的發(fā)展提高了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的效率，但也帶來了一些弊端?，F(xiàn)在一些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師對(duì)計(jì)算軟件的依賴程度較高，目前某些常用結(jié)構(gòu)軟件是“傻瓜式”操作，設(shè)計(jì)師的操作按照既定好的模式進(jìn)行，通過建立結(jié)構(gòu)模型、輸入荷載、設(shè)定計(jì)算條件、開始計(jì)算、查看結(jié)果等幾個(gè)流程，經(jīng)驗(yàn)欠缺的設(shè)計(jì)師把計(jì)算結(jié)果當(dāng)成唯一可行的依據(jù)，計(jì)算結(jié)果“紅了”，反復(fù)調(diào)整構(gòu)件截面尺寸，直到計(jì)算結(jié)果“不紅了”，感覺所建模型是合理的。即使計(jì)算結(jié)果“不紅”，計(jì)算結(jié)果是否合理，是否具有施工可行性卻不明白。提倡概念設(shè)計(jì)，利用基本力學(xué)知識(shí)進(jìn)行簡化手算很有必要，也是對(duì)電算的一個(gè)檢驗(yàn)和復(fù)核。設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該充分理解結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)，理解結(jié)構(gòu)受力傳遞及分布，把結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件作為工具，人主導(dǎo)計(jì)算軟件，而非被計(jì)算軟件綁架。

4 概念設(shè)計(jì)在工程設(shè)計(jì)實(shí)踐中的應(yīng)用

通過一些結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)及歷次震害分析，我國建筑結(jié)構(gòu)專家們都總結(jié)了不少寶貴的經(jīng)驗(yàn)，下文根據(jù)結(jié)構(gòu)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求，結(jié)合筆者的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，談一談在具體工程中一些概念設(shè)計(jì)的應(yīng)用。

4.1 多道抗震防線理念

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中比較常見的結(jié)構(gòu)形式有框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)多用于公用建筑，比如辦公樓、教學(xué)樓等，剪力墻結(jié)構(gòu)多用于高層住宅。框架結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件截面較小，抗側(cè)剛度不大，屬于剪切型變形。在地震作用下，通過形成梁塑性鉸，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移消耗地震能量，只此一道防線對(duì)結(jié)構(gòu)安全不利，何況在項(xiàng)目實(shí)施過程中未必做到“強(qiáng)柱弱梁”，梁塑性鉸難以形成，還容易造成“強(qiáng)梁弱柱”的不合理情況?；谶@種情況，可以采取設(shè)置柱間支撐（建筑功能允許的情況下）、框架柱翼墻，或者設(shè)置部分剪力墻形成少墻框架結(jié)構(gòu)的方法，多一道防線，從概念設(shè)計(jì)上可以提高建筑結(jié)構(gòu)的安全性。

相較于框架結(jié)構(gòu)來說，剪力墻結(jié)構(gòu)在抗震防線上具有優(yōu)越性，墻肢間連梁作為第一道防線，在小震作用下，連梁保持完好或者輕微受損，不影響建筑功能的使用，中震作用下，連梁作為消能構(gòu)件，其與墻肢交接處形成塑性鉸，吸收地震能量，作為第一道防線保護(hù)了剪力墻墻肢的損壞，從而保證了建筑結(jié)構(gòu)的整體安全。其他結(jié)構(gòu)形式也應(yīng)從概念設(shè)計(jì)角度出發(fā)采取多道防線的設(shè)計(jì)理念，比如砌體結(jié)構(gòu)按照要求設(shè)置構(gòu)造柱和圈梁，提高結(jié)構(gòu)延性，在保證結(jié)構(gòu)整體安全上具有舉足輕重的作用。

4.2 強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎

“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎”是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中非常重要的結(jié)構(gòu)概念，下文分別從設(shè)計(jì)過程中如何實(shí)踐應(yīng)用進(jìn)行論述。

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中框架柱和框架梁是主要的受力構(gòu)件，為了滿足“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)理念，規(guī)范要求在內(nèi)力計(jì)算的基礎(chǔ)上對(duì)框架柱端節(jié)點(diǎn)承載力乘以放大系數(shù)，有利于形成梁塑性鉸的效果。但實(shí)際操作過程中不易保證，原因有3 個(gè)方面：①彈性計(jì)算分析加大了梁端負(fù)彎矩值，一般情況下，框架梁跨度為相鄰框架柱中心之間的距離，無疑計(jì)算框架梁端最大負(fù)彎矩位置位于相關(guān)框架柱中心，這與實(shí)際情況是不符的，設(shè)計(jì)中建議按照框架梁凈跨度進(jìn)行計(jì)算，讀取框架梁與框架柱交接處的梁端負(fù)彎矩進(jìn)行配筋，從而降低框架梁端負(fù)彎矩鋼筋配筋量，有效實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁效果。②框架梁底伸入框架柱鋼筋超出計(jì)算配筋值，影響強(qiáng)柱弱梁概念的形成，若梁底配置兩排鋼筋，問題更麻煩。這里說明兩個(gè)概念，框架梁底正彎矩鋼筋與框架梁端底部鋼筋不是一個(gè)概念，在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，宜將適量框架梁底部鋼筋伸入框架柱，其余梁底鋼筋在框架柱以外截?cái)?，既保證了強(qiáng)柱弱梁的效果，又有利于保證節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土澆筑質(zhì)量。③設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)鋼筋的超配現(xiàn)象普遍，框架梁端和框架柱端鋼筋的超配加大了梁端實(shí)際承載力和計(jì)算承載力的差距，使強(qiáng)柱弱梁的實(shí)現(xiàn)增加困難。在具體設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)配筋計(jì)算值，框架梁端頂部配筋不宜超過計(jì)算值，結(jié)合項(xiàng)目具體情況，配筋量宜為計(jì)算值的0.9~0.95 倍，框架梁底正彎矩鋼筋配筋量適當(dāng)超配，但不大于計(jì)算值的10%。

強(qiáng)剪弱彎概念是指結(jié)構(gòu)構(gòu)件的跨高比較小，容易形成剪切破壞，剪切破壞屬于脆性破壞，對(duì)結(jié)構(gòu)受力不利，為了避免該現(xiàn)象發(fā)生，從概念上加強(qiáng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗剪能力，結(jié)構(gòu)構(gòu)件延性有所增加，使結(jié)構(gòu)受力趨于合理。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中會(huì)遇到短柱、框架結(jié)構(gòu)角柱、框支梁等，設(shè)計(jì)要求箍筋全長加密，就是要提高構(gòu)件的抗剪能力[4]。

4.3 不同結(jié)構(gòu)體系的樓梯做法

為了滿足建筑單體的使用功能，大多建筑單體需設(shè)置樓梯，樓梯作為重要疏散通道，其重要性可想而知。樓梯梯板為斜板，從結(jié)構(gòu)受力上來講，樓梯等同于支撐構(gòu)件，能提供較大的側(cè)向剛度。在地震作用下，剛度越大，受力越大，對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度的均勻性產(chǎn)生影響，無形中對(duì)樓梯安全度有所降低。以下對(duì)不同結(jié)構(gòu)體系中樓梯做法進(jìn)行簡單論述。

剪力墻結(jié)構(gòu)樓梯間周邊一般設(shè)置混凝土剪力墻，其抗側(cè)剛度較大，樓梯支撐剛度與樓梯間周邊剪力墻剛度相比可以忽略不計(jì)，所以說，剪力墻結(jié)構(gòu)體系的樓梯做法采用傳統(tǒng)現(xiàn)澆式對(duì)整體結(jié)構(gòu)和樓梯自身安全性影響不大。

框架結(jié)構(gòu)樓梯做法按照傳統(tǒng)現(xiàn)澆方法就有些牽強(qiáng)了。歷次震害表明，框架結(jié)構(gòu)樓梯間損壞嚴(yán)重，根據(jù)震害分析，樓梯板的支撐效應(yīng)對(duì)整體結(jié)構(gòu)的剛度均勻性造成很大影響，由于其抗側(cè)剛度較框架柱大很多，樓梯受力加大，造成梯板損害，逃生通道堵塞，使人身財(cái)產(chǎn)受到較大損失。此問題可通過以下2 種方法解決。①根據(jù)現(xiàn)行結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范要求，樓梯間四周設(shè)置構(gòu)造柱和圈梁，以加強(qiáng)該區(qū)域的整體性；②樓梯結(jié)構(gòu)做法優(yōu)化，一種做法是將梯板與休息平臺(tái)交接處設(shè)置滑動(dòng)支座，降低梯段抗側(cè)剛度，使整體結(jié)構(gòu)剛度區(qū)域均勻，改善受力傳遞路徑。另一種做法是在休息平臺(tái)垂直梯梁方向長度較小時(shí)，采用梯板與休息平臺(tái)交接處設(shè)置構(gòu)造柱和梯梁，作為休息平臺(tái)嵌固端，休息平臺(tái)為懸挑構(gòu)件，且休息平臺(tái)與主體結(jié)構(gòu)框架柱設(shè)置結(jié)構(gòu)伸縮縫，從而打破梯板形成斜支撐的受力傳遞。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中需結(jié)合建筑條件靈活掌握，利用概念設(shè)計(jì)的理念解決工程設(shè)計(jì)實(shí)際問題[5]。