建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計方法淺析

王 一 蔣芝桂

（貴陽市建筑設(shè)計院有限公司 貴州貴陽 550081）

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和全國城市化步伐的飛速發(fā)展，各類城市建設(shè)工程正在大量興建，這些反映著當(dāng)前經(jīng)濟(jì)、文化和信息特征的現(xiàn)代建筑相對于以往的傳統(tǒng)建筑，除了建筑高度和跨度的不斷增加外，還有新型結(jié)構(gòu)體系和新型材料的不斷出現(xiàn)和應(yīng)用，以滿足人們對建筑功能性、舒適性、美觀性和可持續(xù)性的更高要求。而人們對現(xiàn)代化建筑的這些需求，都必須建立在建筑結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)上。因此，在這些現(xiàn)代建筑的設(shè)計工作中，結(jié)構(gòu)工程師不得不面臨各種傳統(tǒng)技術(shù)上的困難，這就要求結(jié)構(gòu)工程師必須具有不斷創(chuàng)新和挑戰(zhàn)的精神，從整體上把握美學(xué)以及可持續(xù)發(fā)展的觀點，并且也要根據(jù)力學(xué)理論和體系構(gòu)建的整體內(nèi)容，以把握結(jié)構(gòu)的分解和集成，把復(fù)雜的大型整體結(jié)構(gòu)簡化，使其成為簡單的三維整體結(jié)構(gòu)或者二維平面子結(jié)構(gòu)，甚至成為一維線性或非線性構(gòu)件，還要使這些結(jié)構(gòu)構(gòu)件滿足跨度、空間等不同建筑的要求，以及有可實施性的結(jié)構(gòu)形式。

1 建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的意義

目前，我國在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中主要運(yùn)用極限狀態(tài)的設(shè)計方法，該方法的基礎(chǔ)是概率論。衡量結(jié)構(gòu)可靠度是以結(jié)構(gòu)的失效概率或可靠指標(biāo)，該設(shè)計方法對荷載和材料強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值分別以數(shù)理統(tǒng)計方法取值，其設(shè)計式是用荷載、材料特性以及物理參數(shù)的各種分項系數(shù)，并結(jié)合結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)以表示的，這些系數(shù)都是結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率。對構(gòu)件的設(shè)計來講，確實要比容許應(yīng)力法更為接近實際，但問題仍然是很難算出建筑結(jié)構(gòu)的真正承載能力。實際的建筑結(jié)構(gòu)都是一種整體的三維結(jié)構(gòu)，所有的構(gòu)件都以相當(dāng)復(fù)雜的方式在共同協(xié)調(diào)作用，并非是脫離總結(jié)構(gòu)體系的獨(dú)立構(gòu)件。

由此可見，結(jié)構(gòu)設(shè)計沒有唯一正確的解決方案，只有相對滿意的解決方案。同時也說明了在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中需要估算材料特性、近似分析結(jié)構(gòu)模型、估計可能發(fā)生的各種外部荷載、保證結(jié)構(gòu)的安全和滿足使用功能的要求。這也說明結(jié)構(gòu)設(shè)計從建筑方案設(shè)計到初步設(shè)計以及最后的詳圖設(shè)計實際上都是一種“概念設(shè)計”，概念設(shè)計不僅在前期的方案設(shè)計中起重要作用，對初步設(shè)計和詳圖設(shè)計也有重要的指導(dǎo)作用。因此，對結(jié)構(gòu)工程師以及建筑師來說，學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)設(shè)計中的概念和體系特點有十分重要的意義。傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計體制過分強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)設(shè)計和精確的力學(xué)分析，而忽略結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)概念和結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用，在這種體制下，工程師在結(jié)構(gòu)設(shè)計的早期階段不能發(fā)揮作用，即使在結(jié)構(gòu)后期的設(shè)計中也不能抓住問題的關(guān)鍵。在現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計中，要求設(shè)計師在結(jié)構(gòu)設(shè)計的早期就能夠提出好的結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)概念，從而保證結(jié)構(gòu)整體設(shè)計方案的可行性，使建筑方案更為完美，使建筑造價更為節(jié)省，從而達(dá)到力學(xué)和美學(xué)表達(dá)以及可持續(xù)發(fā)展的總體要求。

2 貫穿全過程的概念設(shè)計方法

工程項目的所有設(shè)計階段時期，結(jié)構(gòu)工程師和建筑師要緊密溝通協(xié)作，根據(jù)結(jié)構(gòu)自身的結(jié)構(gòu)體系和受力情況、變形情況，并實地考察建筑物所處的地理位置、環(huán)境條件、施工條件與投入等因素，通過探索、比較、反饋和優(yōu)化，以找到合理的方案。要實現(xiàn)一個建筑物的全面設(shè)計，至少應(yīng)有三個反饋、優(yōu)化的階段：方案設(shè)計階段、初步設(shè)計階段和施工圖設(shè)計階段。

在方案設(shè)計階段，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)憑借自身的工程設(shè)計理念、經(jīng)驗、判斷力和創(chuàng)造力，用概念設(shè)計去幫助建筑師開拓或?qū)崿F(xiàn)業(yè)主對建筑的需求，或已初步構(gòu)思的空間形式及其使用、構(gòu)造與形象功能。并以此為統(tǒng)一目標(biāo)，與建筑師一起構(gòu)思總結(jié)構(gòu)體系，以避免基本思路受到無數(shù)具體細(xì)節(jié)問題的干擾，而且在構(gòu)思結(jié)構(gòu)總體系時就能考慮到材料、施工的可行性與經(jīng)濟(jì)性，這樣的構(gòu)思易于反饋和優(yōu)化，以便于改進(jìn)或開拓建筑設(shè)計方案。

在初步設(shè)計階段，設(shè)計的重點已轉(zhuǎn)移到如何精心去改善已構(gòu)思擬定的設(shè)計方案上，也即已轉(zhuǎn)移到分體系具體方案的設(shè)計上，確定分體系及其相關(guān)構(gòu)件的幾何尺寸與截面特征和相互之間的關(guān)系，經(jīng)過近似計算以后再考核該設(shè)計方案的可行性。初步設(shè)計階段所進(jìn)行的完善措施一定要反饋回去，進(jìn)一步完善總體方案。

在施工圖紙的設(shè)計階段，如果不同專業(yè)的設(shè)計人員和業(yè)主都對前期的設(shè)計優(yōu)化方案的可行性表示認(rèn)可，則全部設(shè)計的基本問題都已解決，只需要進(jìn)行構(gòu)件截面設(shè)計和節(jié)點構(gòu)造處理等細(xì)部設(shè)計工作。也就是說，只要方案設(shè)計和初步設(shè)計做得深入、透徹，則施工圖設(shè)計階段就不會再引起較大的反復(fù)，因為整個設(shè)計過程是一個循序漸進(jìn)的發(fā)展過程。

3 概念設(shè)計中應(yīng)重視的基本原則

概念設(shè)計的宗旨就是在特定的空間形式、功能和地理環(huán)境條件下，以結(jié)構(gòu)工程師自身確定的理想承載力、剛度和延性為主導(dǎo)目標(biāo)，用整體構(gòu)思來設(shè)計各部分有機(jī)相連的結(jié)構(gòu)總體系，并能有意識地利用和發(fā)揮結(jié)構(gòu)總體系和主要分體系以及分體系與構(gòu)件之間的最佳受力特征與協(xié)調(diào)關(guān)系?；谏鲜龌纠砟?，筆者總結(jié)了結(jié)構(gòu)概念設(shè)計中應(yīng)重視的一些基本原則，以便于概念設(shè)計方法更良好的應(yīng)用。

（1）采用具有多道抗震防線的結(jié)構(gòu)框架。由兩種受力和變形性能不同的超靜定抗側(cè)力結(jié)構(gòu)組成的雙重抗側(cè)立框架，其抗側(cè)力結(jié)構(gòu)都能夠有合格的剛度和承載力，能夠承受部分的水平荷載，并由樓板之間的連接進(jìn)行協(xié)作，共同抵抗外力。在地震作用下，如果有一部分損傷時，另一部分可以提供足夠的剛度和承載力，損傷部分還能夠擔(dān)當(dāng)一部分的抗震作用，甚至可以獨(dú)自抵抗地震。在抗震結(jié)構(gòu)中設(shè)計雙重抗側(cè)力體系可以實現(xiàn)多道設(shè)防，是安全而可靠的抗震結(jié)構(gòu)體系。

（2）采用剛?cè)岵?jì)的結(jié)構(gòu)布置方案。設(shè)計高層建筑結(jié)構(gòu)考慮抗風(fēng)和抗震要求的出發(fā)點往往是相互矛盾的，剛度大的結(jié)構(gòu)對抗風(fēng)荷載有利，反之，較柔的結(jié)構(gòu)抗震性能好：①地震作用??；②可以避免與地震運(yùn)動共振，這樣就不會產(chǎn)生過大的應(yīng)力。所以要設(shè)計一個抗風(fēng)和抗震性能都很好的高層建筑結(jié)構(gòu)必須要剛?cè)岵?jì)，在矛盾中尋求一個合理的平衡點。

（3）應(yīng)將復(fù)雜轉(zhuǎn)變?yōu)槿菀?。將結(jié)構(gòu)的受力與傳力路徑設(shè)計的越簡單、越明確就越好。

最大限度地防范出現(xiàn)以抗扭為主的重要傳力構(gòu)件，傳力路徑越復(fù)雜就越易形成內(nèi)力與變形的不協(xié)調(diào)和難以預(yù)料的薄弱環(huán)節(jié)。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的時候，也需要應(yīng)用最簡單、最直接的計算方法，切忌使用那些含糊不清的概念，系數(shù)繁瑣的計算方法。

（4）布置結(jié)構(gòu)平面時應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)的剛度中心和建筑物的質(zhì)量中心或建筑物的表面風(fēng)力作用中心靠近，最好重合，消除在風(fēng)荷載或地震波影響下產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)和其相應(yīng)的破壞風(fēng)險。

（5）結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件沿建筑物豎向的變化應(yīng)盡量均勻、連續(xù)，以防發(fā)生層剛度、層間位移、內(nèi)力及其傳力途徑的突變。如因建筑空間的結(jié)構(gòu)或?qū)嵱霉δ艿囊蠖仨毘霈F(xiàn)結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則變化時，應(yīng)有效地協(xié)調(diào)上下部結(jié)構(gòu)之間剪切剛度、彎曲剛度和軸壓剛度的平穩(wěn)過渡。

（6）應(yīng)重視上部結(jié)構(gòu)與其支承結(jié)構(gòu)整體共同作用的機(jī)理，即傳力者和受力者共同抗力的概念。例如，上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)的協(xié)同設(shè)計，在基礎(chǔ)設(shè)計時應(yīng)考慮上部結(jié)構(gòu)剛度，而在上部結(jié)構(gòu)設(shè)計時，也應(yīng)合理考慮基礎(chǔ)剛度的影響，因為實際的建筑物都是一種整體的三維空間結(jié)構(gòu)，所有的結(jié)構(gòu)構(gòu)件都以相當(dāng)復(fù)雜的方式在共同協(xié)調(diào)工作，而都不是脫離總結(jié)構(gòu)體系的孤立構(gòu)件。

（7）對于高層建筑，應(yīng)盡可能加大豎向抗側(cè)力構(gòu)件的抗傾覆力臂有效寬度，也就是盡可能的將豎向構(gòu)件設(shè)置在結(jié)構(gòu)平面的最外邊緣，這可有效減少因抵抗側(cè)向水平力所需增加的材料用量。反之，如果增加的材料用量越多，建筑物的質(zhì)量就會越大，地震作用下的慣性力就會變得更加厲害，從而使建筑的抗震設(shè)計更加嚴(yán)峻。因此，遵循能有效增大高層建筑抵抗側(cè)向力的能力，而不需增加更多成本的基本理念是十分有必要的。

4 結(jié)語

結(jié)構(gòu)工程師不僅僅靠工程結(jié)構(gòu)設(shè)計作為一個生活的手段，也能夠留給后人一些示范。人不是天生就有概念、判斷力和創(chuàng)造力的，這都是在每一個工程的概念設(shè)計中，通過自身的不斷思考、比較、總結(jié)才能逐漸積累和充實的。所以我們應(yīng)該珍惜每一次的設(shè)計機(jī)遇，無論項目規(guī)模是大是小，無論設(shè)計條件是簡單還是復(fù)雜，都是一個完整的有機(jī)結(jié)構(gòu)，都應(yīng)激發(fā)自我挑戰(zhàn)和創(chuàng)造的欲望。在每一個工程項目設(shè)計的開始，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)善解建筑師的心意和業(yè)主的需求，不但不能拿所謂的條條框框，一個勁地?fù)u頭來阻止或束縛建筑師所追求的夢想，而應(yīng)反過來主動去幫助建筑師開拓更令人興奮的空間形式和三大功能?？梢哉f，結(jié)構(gòu)工程師的創(chuàng)造力和創(chuàng)新才是對建筑師、業(yè)主和該項目設(shè)計的最大貢獻(xiàn)。

[1]黃真，林少培.現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計的概念與方法[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[2]高立人，方鄂華，錢稼茹.高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計中[M].北京：中國計劃出版社，2005，11.

[3]王社良.抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計（第2版）[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2003，8.