試論建筑結(jié)構(gòu)設計中的概念設計與結(jié)構(gòu)措施

【摘 要】在建筑結(jié)構(gòu)設計中，概念設計與結(jié)構(gòu)措施至關(guān)重要。一定程度上它反映了一個結(jié)構(gòu)工程師的設計水平，下面就這兩個問題談一下本人的一點看法。

【關(guān)鍵詞】概念設計；結(jié)構(gòu)措施

目前，伴隨著建筑在我國的飛速發(fā)展需求，建筑的日益增加，建筑類型以及功能也日新月異，難度相對而言逐漸變大。結(jié)構(gòu)體系各式各樣，建筑結(jié)構(gòu)設計現(xiàn)在主要成為結(jié)構(gòu)相關(guān)工程設計人員在設計工作重點和難點。

一、概念設計的重要性

概念設計是展現(xiàn)先進設計思想的關(guān)鍵，一個結(jié)構(gòu)工程師的主要任務就是在特定的建筑空間中用整體的概念來完成結(jié)構(gòu)總體方案的設計，并能有意識地處理構(gòu)件與結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系。一般認為，概念設計做得好的結(jié)構(gòu)工程師，隨著他的不懈追求，其結(jié)構(gòu)概念將隨他的年齡與實踐的增長而越來越豐富，設計成果也越來越創(chuàng)新、完善。遺憾的是，隨著社會分工的細化，大部分結(jié)構(gòu)工程師只會依賴規(guī)范、設計手冊、計算機程序做習慣性傳統(tǒng)設計，缺乏創(chuàng)新，更不愿（不敢）創(chuàng)新，有的甚至拒絕對新技術(shù)、新工藝的采納（害怕承擔創(chuàng)新的責任）。大部分工程師在一體化計算機結(jié)構(gòu)程序設計全面應用的今天，對計算機結(jié)果明顯不合理、甚至錯誤而不能及時發(fā)現(xiàn)。隨著年齡的增長，導致他們在大學學的那些孤立的概念都被逐漸忘卻，更談不上設計成果的不斷創(chuàng)新。

強調(diào)概念設計的重要，主要還因為現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)設計理論與計算理論存在許多缺陷或不可計算性，比如對混凝土結(jié)構(gòu)設計，內(nèi)力計算是基于彈性理論的計算方法，而截面設計卻是基于塑性理論的極限狀態(tài)設計方法，這一矛盾使計算結(jié)果與結(jié)構(gòu)的實際受力狀態(tài)差之甚遠，為了彌補這類計算理論的缺陷，或者實現(xiàn)對實際存在的大量無法計算的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設計，都需要優(yōu)秀的概念設計與結(jié)構(gòu)措施來滿足結(jié)構(gòu)設計的目的。同時計算機結(jié)果的高精度特點，往往給結(jié)構(gòu)設計人員帶來對結(jié)構(gòu)工作性能的誤解，結(jié)構(gòu)工程師只有加強結(jié)構(gòu)概念的培養(yǎng)，才能比較客觀、真實地理解結(jié)構(gòu)的工作性能。

概念設計之所以重要，還在于在方案設計階段，初步設計過程是不能借助于計算機來實現(xiàn)的。這就需要結(jié)構(gòu)工程師綜合運用其掌握的結(jié)構(gòu)概念，選擇效果最好、造價最低的結(jié)構(gòu)方案，為此，需要工程師不斷地豐富自己的結(jié)構(gòu)概念，深入、深刻了解各類結(jié)構(gòu)的性能，并能有意識地、靈活地運用它們。

二、協(xié)同工作與結(jié)構(gòu)體系

協(xié)同工作的概念廣泛存在于工業(yè)產(chǎn)品的設計和制造中，對于任一個工業(yè)產(chǎn)品，我們均不希望其在遠未達到其設計壽命（負荷、功能）時，它的某些部件（或零件）即出現(xiàn)破壞。對于建筑結(jié)構(gòu)，協(xié)同工作的概念即是要求結(jié)構(gòu)內(nèi)部的各個構(gòu)件相互配合，共同工作。這不僅要求結(jié)構(gòu)構(gòu)件在承載能力極限狀態(tài)能共同受力，協(xié)同工作，同時達到極限狀態(tài)，還要求他們能有共同的耐久壽命。結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作表現(xiàn)在基礎與上部結(jié)構(gòu)的關(guān)系上，必須視基礎與上部結(jié)構(gòu)為一個有機的整體，不能把兩者割裂開來處理。舉例而言，對磚混結(jié)構(gòu)，必須依靠圈梁和構(gòu)造柱將上部結(jié)構(gòu)與基礎連接成一個整體，而不能單純依靠基礎自身的剛度來抵御不均勻沉降，所有圈梁和構(gòu)造柱的設置，都必須圍繞這個中心。

對協(xié)同工作的理解，還在于當結(jié)構(gòu)受力時，結(jié)構(gòu)中的各個構(gòu)件能同時達到較高的應力水平。在多高層結(jié)構(gòu)設計時，應盡可能避免短柱，其主要的目的是使同層各柱在相同的水平位移時，能同時達到最大承載能力，但隨著建筑物的高度與層數(shù)的加大，巨大的豎向和水平荷載使底層柱截面越來越大，從而造成高層建筑的底部數(shù)層出現(xiàn)大量短柱，為了避免這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，對于大截面柱，可以通過對柱截面開豎槽，使矩形柱成為田形柱，從而增大長細比，避免短柱的出現(xiàn)，這樣就能使同層的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)在相近的水平位移下，達到最大的水平承載力；而對于梁的跨高比的限制，一般還沒有充分認識到。實際上與長短柱混雜的效果一樣，長、短梁在同一榀框架中并存，也是極為不利的，短跨梁在水平力的作用下，剪力很大，梁端正、負彎矩也很大，其配筋全部由水平力決定，豎向荷載基本不起作用，甚至于梁端正彎矩鋼筋也會出現(xiàn)超筋現(xiàn)象，同時，由于梁的剪力增大，也會使支承柱的軸力大幅增大，這種設計是不符合協(xié)同工作原則的，同時，結(jié)構(gòu)的造價必將會上升。多高層結(jié)構(gòu)設計的主要目的即是為了抵抗水平力的作用，防止扭轉(zhuǎn)，為有效的抵抗水平力作用，平面上兩個正交方向的尺寸宜盡量接近，目的是保證這兩個方向上的“慣性矩”相等，以防止一個方向強度（穩(wěn)定性）儲備太大，而另一個方向較弱，因此，抗側(cè)力結(jié)構(gòu)（柱、剪力墻）宜設置在四周，以增大整體的抗側(cè)剛度及抗扭慣性矩，同時，應加大梁或樓層的剛度，使柱（或剪力墻）能承擔較大的整體彎矩，這就是“轉(zhuǎn)換層”的概念。防止扭轉(zhuǎn)的目的，是因為在扭轉(zhuǎn)發(fā)生時，各柱節(jié)點水平位移不等，距扭轉(zhuǎn)中心較遠的角柱剪力很大，而中柱剪力較小，破壞由外向里，先外后里。為防止扭轉(zhuǎn)，抗側(cè)力結(jié)構(gòu)應對稱布置，宜設在結(jié)構(gòu)兩端，緊靠四周設置，以增大抗扭慣性矩。因此，高層或超高層建筑中，盡管角柱軸壓比較小，但其在抗扭過程中作用卻很大（若角柱先壞，整個結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度或強度下降，中柱必定依次破壞），同時，在水平力的作用下，角柱軸力的變化幅度也會很大，這樣勢必要求角柱有較大的變形能力。由于角柱的上述作用，角柱設計時在承載力和變形能力上都應有較多考慮，如加大配箍，采用密排箍筋柱、鋼管混凝土柱。

目前，部分已建建筑在其四角設置巨型鋼管柱，從而極大地增強了角柱的強度和抗變形能力。在高層建筑結(jié)構(gòu)設計中，柱軸壓比的限值已成為困擾結(jié)構(gòu)工程師的實際問題，隨著建筑高度的增加，結(jié)構(gòu)下部柱截面也越來越大，而柱的縱向鋼筋卻為構(gòu)造配筋，即使采用高強混凝土，柱截面也不會明顯降低。實際上，柱的軸壓比大小，直接反映了柱的塑性變形能力，而構(gòu)件的變形能力會極大地影響結(jié)構(gòu)的延性?；炷粱纠碚撝赋觯夯炷翗?gòu)件的曲率延性，即彎曲變形能力主要取決于截面的相對受壓區(qū)高度和受壓區(qū)邊緣混凝土的極限變形能力。相對受壓區(qū)高度主要取決于軸壓比、配筋等，混凝土的極限變形能力主要取決于箍筋的約束程度，即箍筋的形式和配箍特征值（λ=ρfyfc）。因此，為了增大柱在地震作用下的變形能力，控制柱的軸壓比和改善配箍具有同樣的意義，因而采用密排螺旋箍筋柱或鋼管混凝土均可以提高柱軸壓比的限值。

最后，協(xié)同工作的原則也是整體工作的原則。在概念設計日益重要的今天，要求結(jié)構(gòu)工程師應有深厚的基本理論基礎，并能不斷吸取他人先進的設計思想。對自己的作品、設計（即使是已建成的），應經(jīng)常進行深刻的反思，對每一項設計都精益求精。