論述概念設(shè)計在高層建筑設(shè)計中的應用

覃芳梅

摘要：近年來，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，人民對“衣食住行”有了更高的要求，建筑是人民生活中重要的一部分，建筑的安全關(guān)系到人民的生命財產(chǎn)安全，因此，人民對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計也提出了更高的要求。對于一座高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計，既應保證高層建筑具有足夠的安全性，即具有足夠的抗震和抗風的能力及具有足夠的承載力和變形的能力，又應保證結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性、合理性。發(fā)展先進計算理論，加強計算機的應用，加快新型高強、輕質(zhì)、環(huán)保建材的研究與應用，使建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計更加安全、適用、可靠、經(jīng)濟是當務(wù)之急。

關(guān)鍵詞：概念設(shè)計；高層建筑設(shè)計；應用

引言

概念設(shè)計的宗旨是在特定的建筑空間及環(huán)境條件下，用整體概念來考慮結(jié)構(gòu)的總體方案，并能有意識地發(fā)揮和利用結(jié)構(gòu)總體系和各基本分體系之間的力學特性與關(guān)系。建筑物是一個整體空間結(jié)構(gòu)，各種構(gòu)件以相當復雜的方式共同工作，并不是脫離總的結(jié)構(gòu)體系的單獨構(gòu)件。作為結(jié)構(gòu)工程師，不應過度依賴計算機和盲目照搬規(guī)范，應把概念設(shè)計應用到實際工作中去。

1.概念設(shè)計的定義

概念設(shè)計一般指不經(jīng)數(shù)值計算，特別在一些難以作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關(guān)系、結(jié)構(gòu)破壞機理、震害、試驗現(xiàn)象和工程經(jīng)驗所獲得的基本設(shè)計原則和設(shè)計思想，從整體的角度來確定建筑結(jié)構(gòu)的總體布置和抗震細部措施的宏觀控制。運用概念性近似估算方法，可以在建筑設(shè)計的方案階段迅速、有效地對結(jié)構(gòu)體系進行構(gòu)思、比較與選擇，易于手算。所得方案往往概念清晰、定性正確，避免后期設(shè)計階段一些不必要的繁瑣運算，具有較好的經(jīng)濟可靠性能。同時，也是判斷計算機內(nèi)力分析輸出數(shù)據(jù)可靠與否的主要依據(jù)。

2.高層建筑概念設(shè)計的基本原則

2.1以承載力、剛度、延性為主導目標，實施多道防線、剛?cè)峤Y(jié)合的結(jié)構(gòu)形式。即應具有一定大的剛度和承載力來抵御風荷載和小震，隨著第一道防線破壞，結(jié)構(gòu)變?nèi)岷笕杂凶銐虼蟮膹椝苄宰冃文芰脱有院哪苣芰淼钟磥砜赡茉庥龅暮庇龃笳稹?/p>

2.2在對結(jié)構(gòu)進行分析計算時，應該運用最簡單、最直接、概念最清楚的計算方法，將結(jié)構(gòu)的受力與傳力途徑設(shè)計成簡單、直接、明確。盡可能避免出現(xiàn)以抗扭為主導的關(guān)鍵性傳力構(gòu)件。

2.3盡可能使結(jié)構(gòu)平面布置的正交抗側(cè)力剛度中心（簡稱剛心）和建筑物表面力（風力）作用中心或質(zhì)量重心（質(zhì)心）靠近或重合，以避免或減小在風荷載或地震作用下產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)效應。

2.4建筑物豎向布置的抗側(cè)力剛度構(gòu)件也最好設(shè)計成均勻、連續(xù)，避免出現(xiàn)軟弱層和上下層間的剪切剛度、彎曲剛度和軸壓剛度的突變。

2.5應重視上部結(jié)構(gòu)與其支承結(jié)構(gòu)整體共同作用的機理，即傳力與受力結(jié)構(gòu)兩者之間的共同作用；例如，在高層建筑的箱基和筏基的底板設(shè)計中，計算軟件無法進行上部結(jié)構(gòu)-地下室-地基基礎(chǔ)的相互作用分析，計算出來的底板內(nèi)力遠遠大于底板實際受到的內(nèi)力。

3.概念設(shè)計的應用

3.1抗震概念設(shè)計

地震具有難以把握的復雜性和動態(tài)變化的特點，要準確地預見建筑物所遭遇的地震特性及詳細參數(shù)，是難以做到的。只有輔以準確的概念設(shè)計，在宏觀上對抗震結(jié)構(gòu)進行控制，正確分析計算結(jié)果，合理地對薄弱環(huán)節(jié)采取構(gòu)造加強措施，才能在經(jīng)濟合理的前提下，設(shè)計出抗震性能優(yōu)良的建筑。為了保證建筑具有足夠的抗震能力，通過概念設(shè)計從宏觀上控制結(jié)構(gòu)的抗震性能應充分考慮以下環(huán)節(jié)：①選擇對抗震有利的場地及地基，避免地面變形的直接危害，采取措施保證地基的穩(wěn)定性。②進行合理的基礎(chǔ)設(shè)計，同一結(jié)構(gòu)單元不宜設(shè)置在性質(zhì)不同的地基土上，不宜采用不同的基礎(chǔ)形式，設(shè)計時宜最大限度地發(fā)揮地基的潛力。③建筑物的體型應力求簡單、規(guī)則、對稱，質(zhì)量和剛度變化均勻，以減少地震作用產(chǎn)生的變形、應力集中及扭轉(zhuǎn)反應。④選擇合理的結(jié)構(gòu)體系，抗側(cè)力構(gòu)件力求均勻?qū)ΨQ，設(shè)多道抗震防線，避免局部出現(xiàn)薄弱部位，要求結(jié)構(gòu)布置受力明確，傳力簡捷。⑤各類構(gòu)件之間要有可靠的連接，并具有必要的強度和變形能力，從而獲得整個結(jié)構(gòu)良好的抗震性能。⑥強調(diào)結(jié)構(gòu)空間整體性，平面加強連接，豎向確保足夠的整體剛度。⑦重視對非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的處理，利用其對主體結(jié)構(gòu)的有利影響，避免不合理設(shè)置導致對主體結(jié)構(gòu)的不利影響。⑧盡量減輕結(jié)構(gòu)自重，減少地基土壓力，從而降低向建筑物傳輸?shù)牡卣鹆Α?/p>

3.2高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計

高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計中以下幾個問題值得重視：①正確認識高層建筑的受力特點，選擇合理的結(jié)構(gòu)類型。高層建筑的受力特點不同于低層建筑。高層建筑從本質(zhì)上講是一個豎向懸臂結(jié)構(gòu)，水平荷載的影響要遠遠大于垂直荷載的影響，水平荷載是結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制因素。結(jié)構(gòu)抵抗水平荷載產(chǎn)生的彎矩、剪力以及拉應力和壓應力應有較大的強度和足夠的剛度，使隨著高度增加所引起的側(cè)向變形限制在結(jié)構(gòu)允許范圍內(nèi)。由于高層建筑的受力特點，選擇切實可行的結(jié)構(gòu)類型是非常必要的。②正確選擇合理的結(jié)構(gòu)體系。由于高層建筑中抗水平力成為設(shè)計的主要矛盾，因此采用何種抗側(cè)力結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵性問題。選擇高層建筑結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系通常需要考慮的兩個主要原因是建筑物的高度和用途。③選擇合理的結(jié)構(gòu)布置。結(jié)構(gòu)布置的合理與否很大程度影響著建筑的使用、結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性和施工的合理性。結(jié)構(gòu)布置不當，常常造成薄弱環(huán)節(jié)，引起震害。在結(jié)構(gòu)布置時，應加強結(jié)構(gòu)的整體性及剛度，加強構(gòu)件的連接，加強結(jié)構(gòu)的薄弱部位和應力復雜部位的強度。④提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。由于高層建筑的受力特點不同于低層建筑，因此在地震區(qū)進行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，除應保證結(jié)構(gòu)具有足夠的強度和剛度外，還應具有良好的抗震性能，結(jié)構(gòu)必須具有一定的塑性變形能力來吸收地震所產(chǎn)生的能量，減弱地震破壞的影響。

3.3基礎(chǔ)中的概念設(shè)計

地基土的不確定性很強，至今還沒有哪個模型能夠?qū)ζ渥骶_的描述。因此，在基礎(chǔ)的設(shè)計中，更需要根據(jù)基本理論知識及豐富的實踐經(jīng)驗，分析、預見可能出現(xiàn)的各種問題，從而找到合理的處理方案。因此，概念設(shè)計在基礎(chǔ)設(shè)計中的作用尤為重要。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計常規(guī)的方法是將上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)作為彼此獨立、離散的結(jié)構(gòu)單元進行力學分析。實踐表明，這種常規(guī)法計算得到的基底應力和基礎(chǔ)沉降量往往與實測值相差甚遠。事實上，基礎(chǔ)問題的解決不宜單純只著眼于基礎(chǔ)。在上部結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，應該注意由于地基沉降變形差異而引起的上部結(jié)構(gòu)次應力、開裂等不良現(xiàn)象。所以應該把基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)視為一個統(tǒng)一的整體，從二者相互作用的概念出發(fā)來考慮基礎(chǔ)方案。當然，整體的相互作用分析相當復雜，合理的方法應該從二者之間滿足靜力平衡和變形協(xié)調(diào)兩個條件出發(fā)進行分析。設(shè)計人員除了具備土力學、地基基礎(chǔ)的基本理論知識外，還應該掌握基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)相互作用的基本概念、原理，了解基礎(chǔ)剛度變化對上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響、上部結(jié)構(gòu)對基礎(chǔ)變形的約束作用，以及采用不同地基計算模型可能在基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的差異。這樣，在基礎(chǔ)選型、布置以及地基模型、參數(shù)的選取時，才能夠從共同作用的角度加以考慮，力求設(shè)計出最為經(jīng)濟、合理的基礎(chǔ)方案。

4.結(jié)束語

隨著社會的進步，高層建筑的發(fā)展很快，日新月異。高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計人員應不斷學習和提高，通過力學知識和力學規(guī)律建立結(jié)構(gòu)受力與變形規(guī)律的各種概念，在設(shè)計中創(chuàng)造性地相互配合，設(shè)計出令人滿意的作品，為每一個嶄新的工程奠定基礎(chǔ)，把概念設(shè)計推向主流。

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