探究建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中概念設(shè)計(jì)的應(yīng)用

湯志云

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司 南昌分院）

探究建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中概念設(shè)計(jì)的應(yīng)用

湯志云

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司 南昌分院）

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的概念設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)師想象力和創(chuàng)造力的集中體現(xiàn)，具有計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)無(wú)法達(dá)到的高度和價(jià)值。本文介紹了概念設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要作用，分析了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中概念設(shè)計(jì)的應(yīng)用，以期為建筑設(shè)計(jì)人員提供參考。

建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；概念設(shè)計(jì)

概念設(shè)計(jì)是一種戰(zhàn)略性的宏觀設(shè)計(jì)，一般從整體設(shè)計(jì)的角度出發(fā)、并不經(jīng)過(guò)精細(xì)化的計(jì)算，只是為設(shè)計(jì)確定出原則性方向和概略性的框架。概念設(shè)計(jì)常常是設(shè)計(jì)師創(chuàng)造性思維的具體體現(xiàn)，是設(shè)計(jì)師將模糊、感性的設(shè)計(jì)靈感落實(shí)到清晰、理性的設(shè)計(jì)方案的過(guò)程。對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的概念設(shè)計(jì)而言，它往往針對(duì)既有的程序化計(jì)算式設(shè)計(jì)手法無(wú)法解決的問(wèn)題而存在。建筑設(shè)計(jì)師綜合考慮建筑整體與局部的相互依存關(guān)系、自然環(huán)境與地質(zhì)現(xiàn)象對(duì)建筑可能造成的潛在性損害以及建筑實(shí)驗(yàn)結(jié)果和以往的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)等多種因素，為建筑確定出方向性的設(shè)計(jì)思路和基本結(jié)構(gòu)，進(jìn)而從總體上掌控建筑結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)走向及從原則上解決潛在風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。

1 概念設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要作用

之所以強(qiáng)調(diào)概念設(shè)計(jì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要作用，原因在于隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷提高，當(dāng)前有眾多建筑設(shè)計(jì)人員越來(lái)越側(cè)重于通過(guò)計(jì)算機(jī)程序或軟件進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，部分設(shè)計(jì)人員甚至變成放棄人腦的設(shè)計(jì)靈感轉(zhuǎn)而完全依賴電腦的程序化設(shè)計(jì)模式。本質(zhì)而言，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)是設(shè)計(jì)人員充分發(fā)揮思維功能和想象力并結(jié)合以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、依據(jù)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕ㄖO(shè)計(jì)理論知識(shí)開(kāi)展設(shè)計(jì)的創(chuàng)造性過(guò)程。而近年來(lái)越來(lái)越多設(shè)計(jì)師過(guò)度依賴計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤傾向，這不僅局限了人腦在設(shè)計(jì)活動(dòng)中開(kāi)拓性思維的能力，還讓設(shè)計(jì)水平停滯不前。

更嚴(yán)重的是，電腦的計(jì)算式設(shè)計(jì)原則與模式存在著潛在的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)和漏洞。比如在混凝土建筑的設(shè)計(jì)中，“內(nèi)力”與“截面”的設(shè)計(jì)原則是全然不同的，前者依據(jù)的是彈性原則，而后者卻依據(jù)塑性原則，相反的設(shè)計(jì)原則卻被置于同一計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程式中統(tǒng)一計(jì)算，這種設(shè)計(jì)程式上的路線性錯(cuò)誤必然導(dǎo)致最終結(jié)果的錯(cuò)誤，直接后果就是計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)得出的方案與現(xiàn)實(shí)中建筑構(gòu)件的實(shí)際受力完全不符，若全然依賴計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行具體施工，則建筑的安全性根本無(wú)法得到保證。

因此，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中強(qiáng)化概念設(shè)計(jì)：①能夠確保設(shè)計(jì)總體方向的正確性。建筑設(shè)計(jì)師依據(jù)自身掌握的理論知識(shí)和工作經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合建筑實(shí)際情況選擇正確的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，從宏觀角度保證了設(shè)計(jì)方案定性的正確和準(zhǔn)確?？傮w方向的正確保障了后期細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)的正確和安全。②設(shè)計(jì)師的概念設(shè)計(jì)能夠在很大程度上確保最高的性價(jià)比。建筑設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)和創(chuàng)意能夠規(guī)避計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的缺陷和錯(cuò)誤，并靈活選擇最適宜的設(shè)計(jì)方案以達(dá)到用最少的費(fèi)用實(shí)現(xiàn)最好建筑效果的目標(biāo)。③優(yōu)化方案、提高水平。建筑設(shè)計(jì)師能夠充分借鑒前人設(shè)計(jì)作品的經(jīng)典和精華應(yīng)用于自己的概念設(shè)計(jì)，通過(guò)總結(jié)和提練不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，再利用自身的創(chuàng)意和想象實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步突破，這一再創(chuàng)造過(guò)程的不斷進(jìn)行可以提升整個(gè)設(shè)計(jì)行業(yè)的整體水平。

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

2.1 選擇最合適的建筑地點(diǎn)

選址適宜與否直接關(guān)系到建筑后期施工和使用，合適的建筑地點(diǎn)既能確保建筑的安全性，避免“在沙灘上筑高樓”的潛在危險(xiǎn)，又決定著建筑投入使用后的實(shí)用性、舒適性，還在很大程度上決定著建筑工程能否實(shí)現(xiàn)預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。建筑設(shè)計(jì)師的概念設(shè)計(jì)中首要考慮的就是選擇最合適的地點(diǎn)，選址的首要原則是安全，盡量避免在缺乏穩(wěn)定性的地質(zhì)構(gòu)造帶上進(jìn)行建筑施工，如果必須在具有潛在危險(xiǎn)的地質(zhì)構(gòu)造上開(kāi)展建筑施工，則須預(yù)先設(shè)計(jì)好避免或解決危險(xiǎn)的方案和措施。其次，設(shè)計(jì)中還須兼顧照明、采光、防火、降噪、高度、間距、退界、通視等因素。合適的建筑地點(diǎn)可以在很大程度上確保工程在預(yù)定的工期內(nèi)順利進(jìn)行、降低修改設(shè)計(jì)方案的機(jī)率、有效進(jìn)行成本控制、減少不必要的費(fèi)用支出、提高施工效率、保證工程質(zhì)量。

2.2 選擇最合適的地基

確定建筑地點(diǎn)后，地基的正確選擇決定著建筑主體施工能否順利進(jìn)行。地基的選擇須兼顧地質(zhì)構(gòu)造和建筑具體要求綜合選擇，對(duì)于近年來(lái)較為流行的高層建筑而言，箱形地基是應(yīng)用最廣泛也是最合適的地基類型。由于箱形地基整體的強(qiáng)度適宜，可以將地面高層建筑的巨大載荷較平均地傳導(dǎo)到地下基礎(chǔ)構(gòu)造中，避免地基沉降出現(xiàn)不均衡的問(wèn)題，使高層建筑嵌固良好，保證了建筑整體的穩(wěn)定性，使建筑的抗震、抗災(zāi)能力得以提升。

但對(duì)于地質(zhì)條件相對(duì)較差的地點(diǎn)而言，若地面建筑層數(shù)較少，結(jié)構(gòu)也并不復(fù)雜，則可以選擇樁形地基，這類地基適宜于土質(zhì)松軟的建筑地點(diǎn)，通過(guò)采取樁形地基加固原有的天然土層，可以確保地面建筑的安全性和穩(wěn)定性。若是土質(zhì)本身較差而地面建筑自重又大的建筑則需要選擇筏形地基，這種地基強(qiáng)度大，且呈整體分布構(gòu)造，可以將地面建筑的巨大載荷較平均地傳導(dǎo)到地基上，同時(shí)也能解決沉降不均衡的問(wèn)題。

2.3 選擇最合適的主體結(jié)構(gòu)

多數(shù)建筑的主體結(jié)構(gòu)在概念設(shè)計(jì)時(shí)均會(huì)遵循簡(jiǎn)單和對(duì)稱的原則，少數(shù)特殊建筑即使難以實(shí)現(xiàn)完全對(duì)稱，至少也必須結(jié)構(gòu)合理。選擇最合適的主體結(jié)構(gòu)的主要目的也是確保建筑的安全和穩(wěn)定，主體結(jié)構(gòu)合理則可最大程度減少扭力和側(cè)力。合適的主體結(jié)構(gòu)能夠幫助建筑中的非結(jié)構(gòu)性部件在相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)中發(fā)揮作用，降低非結(jié)構(gòu)部件受損的風(fēng)險(xiǎn)，使建筑耗材維持在合理的消耗范圍內(nèi)，從而控制成本和費(fèi)用。最易實(shí)現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和對(duì)稱原則的結(jié)構(gòu)是簡(jiǎn)體框架和剪力墻兩種結(jié)構(gòu)類型。而主體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱也需根據(jù)建筑實(shí)際情況因地制宜開(kāi)展設(shè)計(jì)，比如通過(guò)調(diào)整“三心”（剛心、質(zhì)心、形心）至最接近值可以最大程度實(shí)現(xiàn)主體的對(duì)稱結(jié)構(gòu)。

2.4 設(shè)計(jì)最適宜的減災(zāi)抗震對(duì)策

現(xiàn)代化建筑對(duì)于減災(zāi)抗震的要求越來(lái)越高，在現(xiàn)代建筑概念設(shè)計(jì)中，應(yīng)設(shè)計(jì)多重最適宜建筑本體的減災(zāi)抗震措施，以盡量避免或降低不同地質(zhì)災(zāi)害對(duì)建筑造成的損傷。比如預(yù)先在主體結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)若干冗余構(gòu)件，當(dāng)?shù)卣鸹蚱渌刭|(zhì)災(zāi)害出現(xiàn)時(shí)引起建筑物出現(xiàn)強(qiáng)烈震動(dòng)，預(yù)設(shè)的冗余構(gòu)件首先發(fā)生變形甚至折損，使震動(dòng)能量得以消散，同時(shí)，冗余構(gòu)件在震動(dòng)出現(xiàn)時(shí)自行停滯，阻止了地質(zhì)災(zāi)害與建筑物發(fā)生共振效應(yīng)帶來(lái)的二次損害。

2.5 選擇最適宜的建筑剛度

建筑剛度的選擇直接影響著建筑使用壽命、受地質(zhì)災(zāi)害影響程度、建筑施工成本與費(fèi)用等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，剛度不足使建筑物不能有效抵御地質(zhì)災(zāi)害的侵襲、縮短使用壽命，太過(guò)又會(huì)產(chǎn)生不必要的成本和費(fèi)用，影響建筑工程的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。因此，適宜的剛度選擇也是概念設(shè)計(jì)中極其重要的因素。適宜剛度的選擇應(yīng)能延長(zhǎng)主體結(jié)構(gòu)的自振周期，最大程度降低或規(guī)避地震等災(zāi)害的負(fù)面影響；其次應(yīng)盡量降低主體結(jié)構(gòu)在水平應(yīng)力、傾覆矩力、地基載荷等方面的負(fù)擔(dān)。適宜的剛度能夠以最恰當(dāng)數(shù)量的建材使用滿足建筑基本需求，減少不必要耗材和費(fèi)用的消耗，同時(shí)節(jié)省空間避免浪費(fèi)，提高建筑使用效率，實(shí)現(xiàn)以最少成本取得最大效益的目的。

2.6 選擇最合適的計(jì)算簡(jiǎn)圖

概念設(shè)計(jì)階段的計(jì)算簡(jiǎn)圖是后續(xù)所有計(jì)算的先導(dǎo)和基礎(chǔ)，簡(jiǎn)圖的正確性直接關(guān)系著建筑主體的安全性與穩(wěn)定性。不合適或錯(cuò)誤的簡(jiǎn)圖將給建筑埋下安全隱患甚至在施工階段就出現(xiàn)工程事故，建筑設(shè)計(jì)師在概念設(shè)計(jì)過(guò)程中必須重視計(jì)算簡(jiǎn)圖的設(shè)計(jì)和選擇，同時(shí)，為確保簡(jiǎn)圖的正確性，設(shè)計(jì)師還須附帶提供建筑構(gòu)造措施。

3 結(jié)束語(yǔ)

計(jì)算機(jī)技術(shù)的深入應(yīng)用使概念設(shè)計(jì)越來(lái)越淡出了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，大量建筑設(shè)計(jì)師過(guò)于依賴計(jì)算機(jī)開(kāi)展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的弊病潛藏著相當(dāng)?shù)碾[患。重視概念設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用不僅可以提高建筑的安全性與穩(wěn)定性，而且能夠發(fā)揮設(shè)計(jì)師的想象力與創(chuàng)造力，進(jìn)而提高建筑設(shè)計(jì)師隊(duì)伍的整體水平。

[1]吳愛(ài)菊.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的概念設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].溫州：溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，7（2）：40～41.

[2]林志炎，S.D.斯多臺(tái)斯伯利.結(jié)構(gòu)概念與體系[M].北京：中國(guó)建筑下業(yè)出版社，1999：14～35.

TU318

A

1673-0038（2015）35-0024-02

2015-8-10

湯志云（1987-），男，助理工程師，碩士，主要從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。