淺析建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的概念設(shè)計(jì)

李義喜

廣西建工集團(tuán)第一建筑工程有限責(zé)任公司綜合設(shè)計(jì)研究院

淺析建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的概念設(shè)計(jì)

李義喜

廣西建工集團(tuán)第一建筑工程有限責(zé)任公司綜合設(shè)計(jì)研究院

現(xiàn)如今，建筑行業(yè)發(fā)展迅速，建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)逐漸朝向多元化方向發(fā)展。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可以融入概念設(shè)計(jì)，這樣不僅能夠保證建筑工程基本使用功能，而且有利于提升建筑工程美觀性。對此，本文首先對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與概念設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹，以期為建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；概念設(shè)計(jì)

所謂的概念設(shè)計(jì)一般指不經(jīng)過數(shù)值分析計(jì)算，尤其在一些難以作出精確分析或在規(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。

強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)旨在要求建筑師和結(jié)構(gòu)工程師在建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)特別重視規(guī)范、規(guī)程中有關(guān)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的各條規(guī)定，設(shè)計(jì)中不能陷入只憑計(jì)算的誤區(qū)。若結(jié)構(gòu)嚴(yán)重不規(guī)則、整體性差，則僅按目前的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算水平，難以保證結(jié)構(gòu)的抗震、抗風(fēng)性能，尤其是抗震性能，下面重點(diǎn)闡述結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)的基本原則：

(1)結(jié)構(gòu)的簡單性

結(jié)構(gòu)簡單是指結(jié)構(gòu)在地震作用下具有直接和明確的傳力途徑，結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型、內(nèi)力和位移分析以及限制薄弱部位出現(xiàn)易于把握，對結(jié)構(gòu)抗震性能的估計(jì)也比較可靠。

(2)結(jié)構(gòu)的規(guī)則和均勻性

結(jié)構(gòu)沿建筑物豎向，建筑造型和結(jié)構(gòu)布置比較均勻，避免剛度、承載能力和傳力途徑的突變，以限制結(jié)構(gòu)在豎向某一樓層或極少數(shù)幾個樓層出現(xiàn)敏感的薄弱部位。這些部位將產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中或過大的變形，容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過早地倒塌。

建筑平面比較規(guī)則，平面內(nèi)結(jié)構(gòu)布置比較均勻，使建筑物分布質(zhì)量產(chǎn)生的地震慣性力能以比較短和直接的途徑傳遞，并使質(zhì)量分布與結(jié)構(gòu)剛度分布協(xié)調(diào)，限制質(zhì)量和剛度之間的偏心。建筑平面規(guī)則、結(jié)構(gòu)布置均勻，有利于防止薄弱的子結(jié)構(gòu)過早破壞、倒塌，使地震作用能在各子結(jié)構(gòu)之間重分布，增加結(jié)構(gòu)的贅余度數(shù)量，發(fā)揮整個結(jié)構(gòu)耗散地震能量的作用。

(3)結(jié)構(gòu)的剛度和抗震能力

水平地震作用是雙向的，結(jié)構(gòu)布置應(yīng)使結(jié)構(gòu)能抵抗任意方向的地震作用。通常，可使結(jié)構(gòu)沿平面上兩個主軸方向具有足夠的剛度和抗震能力。結(jié)構(gòu)的抗震能力則是結(jié)構(gòu)承載力及延性的綜合反映。結(jié)構(gòu)剛度選擇時，雖可考慮場地特征，選擇結(jié)構(gòu)剛度，以減少地震作用效應(yīng)，但也要注意控制結(jié)構(gòu)變形的增大，過大的變形將會因P-Δ效應(yīng)過大而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。結(jié)構(gòu)除需要滿足水平方向的剛度和抗震能力外，還應(yīng)具有足夠的抗扭剛度和抵抗扭轉(zhuǎn)振動的能力?，F(xiàn)有抗震設(shè)計(jì)計(jì)算中不考慮地震地面遠(yuǎn)動的扭轉(zhuǎn)分量，在概念設(shè)計(jì)中應(yīng)注意提高結(jié)構(gòu)的抗扭剛度和抵抗扭轉(zhuǎn)振動的能力。

(4)結(jié)構(gòu)的體系及關(guān)鍵部位

結(jié)構(gòu)體系是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)把握的重要問題，應(yīng)注意體系的合理性問題，優(yōu)先采用抗震能力強(qiáng)、延性好、耗能能力強(qiáng)、便于施工的具有多道防線的結(jié)構(gòu)體系，如采用設(shè)置耗能連梁的抗震墻結(jié)構(gòu)、框架抗震墻、框架筒體結(jié)構(gòu)等，避免采用抗震能力較低的板柱抗震墻結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、尤其是單跨框架結(jié)構(gòu)等。注意對承載力和剛度及延性的合理把握。采用合理的地基基礎(chǔ)方案。注意對結(jié)構(gòu)體系的關(guān)鍵構(gòu)件、關(guān)鍵部位的把握，實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件及強(qiáng)柱根”的設(shè)計(jì)理念，注意對豎向構(gòu)件加強(qiáng)部位、樓面結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)部位、地基基礎(chǔ)的加強(qiáng)部位等的把握。

(5)結(jié)構(gòu)的整體性

建筑結(jié)構(gòu)中，樓蓋對于結(jié)構(gòu)的整體性起到非常重要的作用，樓蓋相當(dāng)于水平隔板，它不僅聚集和傳遞慣性力到各個豎向抗側(cè)力子結(jié)構(gòu)，而且要使這些子結(jié)構(gòu)能協(xié)調(diào)承受地震作用，特別是當(dāng)豎向抗側(cè)力子結(jié)構(gòu)布置不均勻或布置復(fù)雜或各抗側(cè)力子結(jié)構(gòu)水平變形特征不同時，整個結(jié)構(gòu)就要依靠樓蓋使各抗側(cè)力子結(jié)構(gòu)能協(xié)同工作。樓蓋體系最重要的作用是提供足夠的面內(nèi)剛度和抗力，并與豎向各子結(jié)構(gòu)有效連接，當(dāng)結(jié)構(gòu)空曠、平面狹長或平面凹凸不規(guī)則或樓蓋開大洞口時，更應(yīng)特別注意。設(shè)計(jì)中不能誤認(rèn)為，在多遇地震作用計(jì)算中考慮了樓板平面內(nèi)彈性變形影響后，就可削弱樓蓋體系。

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤其是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)非常重視概念設(shè)計(jì)。這是因?yàn)楦邔咏ㄖY(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，發(fā)生地震時地震動的不確定性，人們對地震時結(jié)構(gòu)響應(yīng)認(rèn)識的局限性與模糊性，高層結(jié)構(gòu)的計(jì)算尤其是抗震分析的精確性，材料性能與施工安裝時的變異性以及其他不可預(yù)測的因素，致使設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果可能和實(shí)際相差較大，甚至有些作用效應(yīng)至今尚無法定量計(jì)算出來。因此在設(shè)計(jì)中，雖然分析計(jì)算是必須的，也是設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，但僅此往往不能滿足結(jié)構(gòu)安全性、可靠性的要求，不能達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。還必須非常重視概念設(shè)計(jì)。從某種意義上講，概念設(shè)計(jì)甚至比分析計(jì)算更為重要。

概念設(shè)計(jì)是通過無數(shù)的事故分析，歷年來國內(nèi)外震害分析，模擬實(shí)驗(yàn)的定量定性分析以及長期以來國內(nèi)外的設(shè)計(jì)與使用經(jīng)驗(yàn)分析、歸納、總結(jié)出來的。而這些原則、規(guī)定與方法往往是基礎(chǔ)性、整體性、全局性和關(guān)鍵性的。有些概念設(shè)計(jì)的要求，為整個設(shè)計(jì)設(shè)置了二道防線，保證了建筑物的安全、可靠。合理的結(jié)構(gòu)方案是安全可靠的優(yōu)秀設(shè)計(jì)的基本保證。

歷次地震表明，我國地震區(qū)劃圖所規(guī)定的烈度有很大的不確定性，抗震設(shè)計(jì)還處在摸索階段，地震理論還有待完善，重視結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)，是抗震設(shè)計(jì)應(yīng)把握的要點(diǎn)，也是對地震理論不完善所采取的彌補(bǔ)措施，結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)應(yīng)重視概念輕精度，但也不是拒絕進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而是要求在處理復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時明確：什么是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最佳選擇，采用不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案或結(jié)構(gòu)布置可能會帶來什么樣的后果，需要采取哪些補(bǔ)救或加強(qiáng)措施，并對這些措施的合理性和有效性作出客觀的評價，以保證結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，確保結(jié)構(gòu)安全，結(jié)構(gòu)概念概念設(shè)計(jì)不是指手畫腳的空洞說教，而是具有豐富內(nèi)涵的實(shí)實(shí)在在的工作。

小結(jié)：

現(xiàn)代建筑的高速發(fā)展給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來了諸多機(jī)遇與挑戰(zhàn)，新穎的結(jié)構(gòu)、新的高性能材料的研究和應(yīng)用，這些都在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中無法找到對應(yīng)的條款，并且無以往工程經(jīng)驗(yàn)作為參照，因此結(jié)構(gòu)工程師要協(xié)調(diào)建筑師完成其構(gòu)思，必定需要積極的探索和研究慨念設(shè)計(jì)的思想和理念并且在設(shè)計(jì)全過程中貫徹執(zhí)行。

[1]《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010

[2]《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2010

[3]《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010

[4]《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007-2011