建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的概念設(shè)計與結(jié)構(gòu)措施

賴 武

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院設(shè)計所，廣西 南寧 530023）

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計概念闡述與主要內(nèi)容

所謂結(jié)構(gòu)設(shè)計是將建筑、其他設(shè)備專業(yè)所要表達(dá)的內(nèi)容用結(jié)構(gòu)語言體現(xiàn)出來的過程，而結(jié)構(gòu)語言則是指各種結(jié)構(gòu)元素，而結(jié)構(gòu)元素則是從專業(yè)圖紙中提煉出來的，建筑物或其他構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)體系就是利用這些結(jié)構(gòu)元素構(gòu)成的。具體而言，結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要內(nèi)容是結(jié)構(gòu)方案、結(jié)構(gòu)計算以及施工圖設(shè)計等三個環(huán)節(jié)，其中結(jié)構(gòu)方案的主要任務(wù)是確定出建筑的結(jié)構(gòu)形式，需要參考的指標(biāo)包括建筑物的重要性、工程所在地的抗震設(shè)施烈度、相關(guān)地質(zhì)勘查資料、建筑高度與層數(shù)、場地類別等等，然后根據(jù)確定好的結(jié)構(gòu)形式的特點與實際要求，進行結(jié)構(gòu)承重體系、支撐以及受力構(gòu)件的布置。該階段的基本方法就是結(jié)合不同結(jié)構(gòu)形式的適用范圍，遵循經(jīng)濟性與合理性的原則，最終確定出最佳的結(jié)構(gòu)形式。結(jié)構(gòu)計算環(huán)節(jié)的主要內(nèi)容是計算各項參數(shù)，包括荷載、內(nèi)力以及構(gòu)件的相關(guān)試算與計算等，要注意選擇科學(xué)、適用的計算方法。

施工圖設(shè)計環(huán)節(jié)的主要任務(wù)則是根據(jù)計算環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)將構(gòu)件布置、配筋等確定下來，然后再確定構(gòu)件的構(gòu)造措施。需要注意的是，在整個結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中要嚴(yán)格參照相關(guān)規(guī)范要求來進行，設(shè)計人員不但要全面、深入地理解相關(guān)規(guī)范，還要全面把握施工的工藝及具體流程，從而保證結(jié)構(gòu)設(shè)計的適用性、合理性以及科學(xué)性。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計與概念設(shè)計的關(guān)系

所謂概念設(shè)計是以個人經(jīng)驗為基礎(chǔ)，基于宏觀的角度對建筑結(jié)構(gòu)進行定性設(shè)計。相對概念設(shè)計來講，結(jié)構(gòu)設(shè)計是一個逆向過程，其根據(jù)概念設(shè)計的整體要求、力學(xué)與數(shù)據(jù)原理等由定量設(shè)計發(fā)展為定性設(shè)計，其中定量設(shè)計包括內(nèi)力、配筋、穩(wěn)定性以及變形等，而定性設(shè)計則是規(guī)范中規(guī)定的構(gòu)造要求。由此可見，建筑結(jié)構(gòu)造價水平的高低以及施工進度的快慢會受概念設(shè)計水平的直接影響，如果概念設(shè)計不合理，會導(dǎo)致建筑整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)安全問題。概念設(shè)計體現(xiàn)的是一種先進的設(shè)計思想，結(jié)構(gòu)工程師的主要任務(wù)是基于特定的建筑空間利用整體的概念進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對構(gòu)件與結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系進行和諧處理。

從某種程度而言，現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算理論還存在一定的不足，例如混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，內(nèi)力計算以彈性理論為基礎(chǔ)，截面設(shè)計則以塑性理論的極限狀態(tài)為基礎(chǔ)，計算理論本身就存在矛盾性，因此計算結(jié)果必然會與實際情況存在較大差異。針對這種不足就需要通過優(yōu)秀的概念設(shè)計加以彌補。此外，現(xiàn)代設(shè)計對計算機程序的依賴性過強，計算結(jié)果未做科學(xué)分析，并且在設(shè)計方案環(huán)節(jié)無法利用計算機實現(xiàn)初步設(shè)計，而是需要結(jié)構(gòu)工程師利用其結(jié)構(gòu)概念專業(yè)知識選擇效果好、成本低的結(jié)構(gòu)方案，無法保證單根構(gòu)件的安全性，就無法保證結(jié)構(gòu)整體的安全性，因此概念設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)系是相輔相成、缺一不可的。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要措施

在實際的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，無論是制定方案或者初步設(shè)計，還是結(jié)構(gòu)計算或者繪制施工圖，甚至在施工現(xiàn)場的工地服務(wù)均要貫穿概念設(shè)計的理念，因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中要注意以下幾個方面：

首先，在選擇建筑場地時要選擇抗震性較好的地段，盡量避開不利地段，如果避不開的地段則要采取針對措施，必須將由于地震場地條件而間接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的因素考慮進來。概念設(shè)計過程中不能忽略建筑平面布置等要求，如果方案存在嚴(yán)重不規(guī)則的現(xiàn)象則嚴(yán)禁采用。在確定結(jié)構(gòu)體系的過程中，要對結(jié)構(gòu)體系方案、技術(shù)可行性和經(jīng)濟性等進行綜合比較，提高建筑結(jié)構(gòu)的延性與勻質(zhì)性，盡量降低建筑重心。此外，由于發(fā)生地震時會持續(xù)一定的時間或者會多次、反復(fù)作用，所以要盡量設(shè)置多道抗震防線。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，要保證結(jié)構(gòu)體系與相關(guān)抗震結(jié)構(gòu)要求相符，對構(gòu)件的強弱關(guān)系進行適當(dāng)處理，從而提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。

其次，注意結(jié)構(gòu)剛度、承載力分布的合理性，在實際工程中只有通過提高工程成本或者降低結(jié)構(gòu)延性指標(biāo)等才能進一步改善結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度，而結(jié)構(gòu)設(shè)計時可以有意識地提高結(jié)構(gòu)中重要構(gòu)件、關(guān)鍵構(gòu)件的延性，以改善設(shè)計方案的經(jīng)濟性。在判斷計算方法是否合理時可以通過概念來確定，從某種程度而言，這種方法也是概念設(shè)計的延伸?，F(xiàn)在計算機技術(shù)在工程設(shè)計中的應(yīng)用越來越廣泛，絕大多數(shù)設(shè)計均是依靠計算機來實現(xiàn)的，但是要在設(shè)計過程中將設(shè)計經(jīng)驗理性、科學(xué)地利用起來，再與施工中可能遇到的問題互相結(jié)合，對計算結(jié)果進行分析，并在畫圖中進行合理的調(diào)整，才能保證結(jié)構(gòu)設(shè)計的科學(xué)性與實用性。

再次，在結(jié)構(gòu)材料選擇過程中，選擇鋼筋時要盡量選擇延性、韌性以及可焊性較好的，且混凝土也要與規(guī)定的強度等級要求相符，控制脆性材料的用量，保證材料滿足抗震設(shè)計要求，將其強度充分發(fā)揮出來。此外，為提高結(jié)構(gòu)強度還要保證結(jié)構(gòu)的整體性，具體包括兩個方面：一是滿足抗震的構(gòu)造連接，二是包括經(jīng)過計算的節(jié)點連接。節(jié)點連接要遵循“強節(jié)點、弱桿件”的設(shè)計原則，把握好構(gòu)造連接的度，并非構(gòu)造連接越剛越好。

最后，要注意施工過程中實際問題的現(xiàn)場處理。因為建筑施工現(xiàn)場存在諸多不確定性因素，可存會出現(xiàn)無法操作或者施工誤差過大等各種問題，僅靠單純的計算無法解決問題，因此只能依靠設(shè)計人員專業(yè)的設(shè)計經(jīng)驗與設(shè)計技術(shù)，在協(xié)商施工、監(jiān)理等各方后再提出準(zhǔn)確、合理的解決方案。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計中協(xié)同工作概念的應(yīng)用

通常在工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計與制作過程中會融入?yún)f(xié)同工作的概念，所謂協(xié)同工作是指某個工業(yè)產(chǎn)品未達(dá)以使用壽命期間，某個結(jié)構(gòu)零件發(fā)生損壞對產(chǎn)品的整體性能產(chǎn)生影響。而對于建筑結(jié)構(gòu)而言，協(xié)同工作是指建筑工程中要將每個部件的作用充分發(fā)揮出來，實現(xiàn)其與其他零件的互相配合。協(xié)同工作要求產(chǎn)品零部件的使用壽命相似，并且承受基本相同的荷載，不得出現(xiàn)長時間受力不均的問題。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的協(xié)同工作要注意正確處理基礎(chǔ)與上部的關(guān)系，保證二者形成一個有機的整體，例如磚混結(jié)構(gòu)受自身剛度的影響會發(fā)生不均勻沉降，因此可以利用鋼圈與構(gòu)造柱之間形成一個統(tǒng)一的整體來抵御。此外，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，協(xié)同合作還表現(xiàn)在建筑受力時要保證結(jié)構(gòu)的各個部件受力均勻，水平應(yīng)力要保持在較高的水平。

高層建筑設(shè)計中要盡可能避免短柱，保持各個柱的水平應(yīng)力互相接近，同步達(dá)到最大承載能力。不過實際工程中建筑物層數(shù)越多，豎向與水平方向所產(chǎn)生的荷載力變越大，相應(yīng)的地層的截面積也會逐漸加大，會導(dǎo)致高層建筑物底部的幾層出現(xiàn)短柱現(xiàn)象。針對這種情況，可以在柱截面設(shè)置豎槽，將矩形柱變成田形柱來提高結(jié)構(gòu)的承載能力，減少短柱現(xiàn)象，這樣既保證了同層的水平柱在受力時，同時達(dá)到最大的承載能力。

總之，在概念設(shè)計日益重要的今天，要求結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)有深厚的基本理論基礎(chǔ)，并能不斷吸取他人先進的設(shè)計思想。對自己的作品、設(shè)計，應(yīng)經(jīng)常進行深刻的反思，對每一項設(shè)計都精益求精。

[1]呂天媛.把概念設(shè)計運用到建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中來[J].黑龍江科技信息，2012，（1）:310.

[2]張英迪.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的概念設(shè)計及結(jié)構(gòu)措施略論[J].科技與企業(yè)，2012，（21）:227.

[3]朱蔚惠.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的概念設(shè)計與結(jié)構(gòu)措施[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2012，（20）:222.

[4]張海峰，喬安宇.論建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的概念設(shè)計及其措施[J].黑龍江科技信息，2012，（12）:236.

[5]瞿懿.淺談建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的概念設(shè)計[J].黑龍江科技信息，2012，（7）:281.

[6]魯鴻鵬.淺談結(jié)構(gòu)設(shè)計中的概念設(shè)計[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2012，（19）:201.

[7]徐國超.淺議建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的概念設(shè)計[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2012，（9）:169.