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

沈智鋒

摘要：概念設(shè)計(jì)一直在我們耳邊響起，因?yàn)楝F(xiàn)在概念設(shè)計(jì)已經(jīng)慢慢地深入到我們的工作和生活之中，除此之外建筑工程行業(yè)是我國重要經(jīng)濟(jì)增長行業(yè)，概念設(shè)計(jì)是建筑工程領(lǐng)域中經(jīng)常要涉及到的。所以加強(qiáng)對概念設(shè)計(jì)技術(shù)使用的分析探討，對確保建筑工程質(zhì)量和提高建筑師和結(jié)構(gòu)師的專業(yè)能力有著重要意義。

關(guān)鍵詞：概念設(shè)計(jì)；建筑結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)

一、前言

概念設(shè)計(jì)對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的意義重大，它能使建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方案更完美、更具有創(chuàng)新性，而且利用概念設(shè)計(jì)還可以判斷電算結(jié)果的可靠性和彌補(bǔ)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)所帶來的不足。概念設(shè)計(jì)需要我們認(rèn)真探討，在下文中將進(jìn)行詳盡的介紹。

二、概念設(shè)計(jì)的定義

概念設(shè)計(jì)是指不經(jīng)數(shù)值計(jì)算，尤其在一些難以做出精確理性分析或在規(guī)范中難以規(guī)定的問題中，依據(jù)整體結(jié)構(gòu)體系與分體系之間的力學(xué)關(guān)系、結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理、震害、試驗(yàn)現(xiàn)象和工程經(jīng)驗(yàn)所獲得的基本設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想，從整體的角度來確定建筑結(jié)構(gòu)的總體布置和抗震細(xì)部措施的宏觀控制。

概念設(shè)計(jì)必須有理論基礎(chǔ)知識(shí)作為行動(dòng)準(zhǔn)則。離開理論基礎(chǔ)知識(shí)的指導(dǎo)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就會(huì)由客觀設(shè)計(jì)變成主觀設(shè)計(jì)。同時(shí)，概念設(shè)計(jì)也要依靠先進(jìn)的設(shè)計(jì)工具，多方面的分析設(shè)計(jì)方案的合理性，并與理論基礎(chǔ)知識(shí)結(jié)合并用，讓結(jié)構(gòu)總體系與各個(gè)分體系的工作原理和力學(xué)性質(zhì)及構(gòu)造處理原則相互融合。

在建筑設(shè)計(jì)的方案階段，從總體出發(fā)，采用概念性近似計(jì)算方法，能迅速、有效地對結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行構(gòu)思、比較和選擇。這種方法雖有一定誤差，但概念清楚、定性準(zhǔn)確、手算簡單快捷，能很快選擇出最佳方案，具有較好的經(jīng)濟(jì)、可靠性能，同時(shí)也是施工圖設(shè)計(jì)階段判斷計(jì)算機(jī)內(nèi)力分析輸出數(shù)據(jù)可靠與否的主要依據(jù)。

三、概念設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中重要性

1、概念設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的具體含義

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，概念設(shè)計(jì)是指在建筑結(jié)構(gòu)總體方案設(shè)計(jì)的最開始，就運(yùn)用已有的正確知識(shí)去處理建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中將會(huì)遇到的問題，比如：結(jié)構(gòu)體系、房屋體形、剛度分布等等。概念設(shè)計(jì)是工程師運(yùn)用自己的思維判斷力，根據(jù)結(jié)構(gòu)抗震原則，從宏觀上對建筑設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評價(jià)、鑒別、選擇，再通過必要的和構(gòu)造措施消除建筑物抗震的薄弱環(huán)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)合理設(shè)計(jì)目標(biāo)。要做好概念設(shè)計(jì)，工程師必須清楚的了解結(jié)構(gòu)抗震特點(diǎn)，抓住要點(diǎn)，用正確的概念來指導(dǎo)概念設(shè)計(jì)。

2、概念設(shè)計(jì)對于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的意義

（1）運(yùn)用概念設(shè)計(jì)得到的方案更加完美。概念設(shè)計(jì)可以在建筑設(shè)計(jì)的方案階段有效地對結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行構(gòu)思、比較并最終做出選擇。由概念設(shè)計(jì)所得到的方案往往概念清晰、定性正確，這不僅能避免后期設(shè)計(jì)階段一些不必要的繁瑣運(yùn)算，而且也使概念設(shè)計(jì)具有較好的經(jīng)濟(jì)可靠性能。

（2）概念設(shè)計(jì)具有強(qiáng)烈的創(chuàng)新性。一般來說，概念設(shè)計(jì)做得較好的工程師，其結(jié)構(gòu)概念將隨他實(shí)踐的積累越來越豐富，設(shè)計(jì)成果也越來完善。但是，隨著社會(huì)分工更細(xì)，很多結(jié)構(gòu)工程師還停留在只知道依賴規(guī)范、參照設(shè)計(jì)手冊、應(yīng)用計(jì)算機(jī)程序做習(xí)慣性傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的階段，這樣做出來的設(shè)計(jì)缺乏創(chuàng)新。因此，要展現(xiàn)先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想，就必須引進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念。

（3）利于概念設(shè)計(jì)可判斷電算結(jié)果可靠性。我們知道掌握好概念設(shè)計(jì)一方面可以保證正確的設(shè)計(jì)原則，另一方面也可以解決設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題以提高設(shè)計(jì)水平。而且，當(dāng)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)了技術(shù)問題時(shí)，可以利用概念設(shè)計(jì)來分析原因，找到問題的癥結(jié)所在，這個(gè)方法尤其適用于判斷電算結(jié)果。

（4）彌補(bǔ)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)不足。概念設(shè)計(jì)的重要性還體現(xiàn)在方案設(shè)計(jì)的階段，計(jì)算機(jī)不能完成初步設(shè)計(jì)過程，這時(shí)就需要結(jié)構(gòu)工程師綜合運(yùn)用自身掌握的結(jié)構(gòu)概念，選擇造價(jià)最低、效果最好的結(jié)構(gòu)方案。

3、概念設(shè)計(jì)的一般性原則

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要可分為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、主體設(shè)計(jì)及附屬構(gòu)件設(shè)計(jì)三大類。一提到基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，我想所有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作者都會(huì)重視。通常基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的工作量及工程造價(jià)約占總工程量的20%～40%?；A(chǔ)設(shè)計(jì)即便是出了一點(diǎn)點(diǎn)小問題，那么也會(huì)對整個(gè)建筑物的安全造成重大影響。基礎(chǔ)設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)依據(jù)是工程地質(zhì)勘查資料，而我們的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)也是根據(jù)地質(zhì)勘查資料所提供的土的類別、性質(zhì)等等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的?；A(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)上部主體結(jié)構(gòu)形式、荷載分布情況、相鄰建筑物、構(gòu)筑物的影響以及施工條件等多方面因素進(jìn)行綜合分析，選擇經(jīng)濟(jì)合理的基礎(chǔ)形式，并應(yīng)將基礎(chǔ)設(shè)計(jì)在能最大限度地發(fā)揮地基潛力的土層上。但對于不熟悉的地域的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，建議還應(yīng)多參考當(dāng)?shù)鼗蛳嘟赜蚱渌ㄖ牡刭|(zhì)工程報(bào)告，以便綜合分析，合理確定基礎(chǔ)方案。

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

1、場地條件和基礎(chǔ)選型。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系中，應(yīng)盡量選擇有利于抗震的場地，盡量避免在不利于抗震的危險(xiǎn)地段建造建筑物。如果實(shí)在無法避，也應(yīng)采取有效的措施盡量減少和消除不利影響，一般在初步設(shè)計(jì)前就要進(jìn)行地質(zhì)勘探和建筑物的選址工作。

2、選擇和布置結(jié)構(gòu)體系。眾所周知，在結(jié)構(gòu)體系的布置中，構(gòu)件的強(qiáng)弱關(guān)系非常重要。也就是說，在建筑結(jié)構(gòu)中，柱子倒了梁必然會(huì)倒；但是梁倒了，柱子是可以不倒的，可見柱子的重要性比梁大。在建筑設(shè)計(jì)中，為了保證柱子是在最后失效，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師往往故意把梁設(shè)計(jì)成相對薄弱的環(huán)節(jié)，以最大限度減少可能出現(xiàn)的損失，這就是所說的“強(qiáng)柱弱梁”的概念。如圖1.建筑概念設(shè)計(jì)

3、選用結(jié)構(gòu)計(jì)算分析原則及程序

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析和位移計(jì)算時(shí)，內(nèi)力和位移按彈性方法計(jì)算，截面設(shè)計(jì)可采用塑性理論，分析模型、簡化處理和計(jì)算假定均應(yīng)符合或接近結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作情況。如果樓板設(shè)有較大開洞，那么就應(yīng)考慮樓板的彈性變形，這一點(diǎn)在選用結(jié)構(gòu)分析程序時(shí)應(yīng)特別注意，否則計(jì)算結(jié)果會(huì)因誤差太大而不能使用。

4、布置外形尺寸及結(jié)構(gòu)面

結(jié)構(gòu)平面布置應(yīng)盡量簡單、規(guī)則和對稱，使結(jié)構(gòu)的剛度中心與質(zhì)量中心重合，以減小扭轉(zhuǎn)，避免剛度突變和出現(xiàn)薄弱層的情況。如果建筑設(shè)計(jì)有抗震要求，結(jié)構(gòu)的承載力和剛度宜自上而下遞增，如果上下層結(jié)構(gòu)布置發(fā)生變化，便要設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。

五、如何正確的進(jìn)行概念設(shè)計(jì)

1、正確分析電算結(jié)果

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的提高和廣泛應(yīng)用，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中越來越多的采用計(jì)算機(jī)技術(shù)。但是由于軟件種類繁多，不同的軟件也是存在著很大的差異，這樣計(jì)算結(jié)果往往不相同。由于軟件本身的缺陷，因此計(jì)算結(jié)果可能不正確，設(shè)計(jì)師要憑著自己過硬的專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，在拿到電算結(jié)果時(shí)進(jìn)行認(rèn)真分析，做出合理判斷。

2、設(shè)計(jì)多道抗震防線

當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)受到強(qiáng)烈震動(dòng)時(shí)，可以利用贅余桿件的變形和屈服來耗散地震能量，同時(shí)還可以利用贅余桿件的退出工作使整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)過渡到另一種穩(wěn)定體系，以避開共振效應(yīng)。這種通過適當(dāng)控制結(jié)構(gòu)動(dòng)力來減輕建筑物受震動(dòng)時(shí)的破壞程度的方法是對付高烈度地震有效方法。

3、合理選擇結(jié)構(gòu)方案

概念設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是要使設(shè)計(jì)方案經(jīng)濟(jì)、合理并且適用。因此，概念設(shè)計(jì)首先必須選擇一個(gè)經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)方案，或者說選擇一個(gè)切實(shí)可行的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)體系應(yīng)該明確總體布置、抗震點(diǎn)分析、應(yīng)力等各個(gè)方面，同一結(jié)構(gòu)單元不應(yīng)混用不同結(jié)構(gòu)體系。

4、合理選用計(jì)算簡圖

作為結(jié)構(gòu)計(jì)算的基礎(chǔ)，選擇恰當(dāng)?shù)挠?jì)算簡圖是保證結(jié)構(gòu)安全的重要條件，計(jì)算簡圖的選用不當(dāng)將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全事故的發(fā)生。因此，設(shè)計(jì)師要選擇合理的計(jì)算簡圖，并且提供相應(yīng)的構(gòu)造措施來保證。

結(jié)束語

隨著人們對建筑設(shè)計(jì)要求不斷提高，概念設(shè)計(jì)也得到了越來越多建筑領(lǐng)域工作者的重視，而在市場競爭日趨激烈的背景下，建筑行業(yè)為了自身的發(fā)展壯大，一定會(huì)將自己的好的強(qiáng)大的一面充分展現(xiàn)出來，概念設(shè)計(jì)將會(huì)發(fā)揮著越來越重要的作用。

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