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

黎柏營

1 概念設(shè)計(jì)

所謂概念設(shè)計(jì)，是指在工程中遇到一些難以作出精確力學(xué)分析或是規(guī)范中沒有明確規(guī)定的問題時(shí)，不通過具體的數(shù)值計(jì)算，而是對(duì)整體結(jié)構(gòu)體系與分部結(jié)構(gòu)體系之間的力學(xué)關(guān)系進(jìn)行分析、結(jié)合結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理、震害、試驗(yàn)現(xiàn)象，以及一些工程經(jīng)驗(yàn)得出基本設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)理念，然后從整體角度來確定建筑結(jié)構(gòu)的總體布置和抗震細(xì)部措施的布置。之所以要強(qiáng)調(diào)概念設(shè)計(jì)的重要性，主要的原因是目前現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與計(jì)算理論還存在許多缺陷和不可計(jì)算性。例如在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)內(nèi)力的計(jì)算是以彈性理論為基礎(chǔ)的，而對(duì)于截面設(shè)計(jì)卻是以塑性理論為基礎(chǔ)的一種極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法。這兩者的不同導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)差之甚遠(yuǎn)，正是因?yàn)橛羞@種計(jì)算理論方面的缺陷才需要優(yōu)秀的概念設(shè)計(jì)來滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的。對(duì)于實(shí)際問題中許多無法計(jì)算的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)也是需要概念設(shè)計(jì)的理由之一。

2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中運(yùn)用概念設(shè)計(jì)的重要性

概念設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中發(fā)揮著極其重要的作用，它給設(shè)計(jì)師帶來了靈感，保證了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量，為設(shè)計(jì)工作賦予了新的活力。合理的運(yùn)用概念設(shè)計(jì)這一理念能夠很大程度的提升建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的水平，促使設(shè)計(jì)人員能夠發(fā)揮出更好的作用和價(jià)值，使建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最終效果得到提高。同時(shí)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中存在一些不足和缺陷，應(yīng)用概念設(shè)計(jì)能夠有效地對(duì)這些不足進(jìn)行彌補(bǔ)。設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)常常廣泛的使用計(jì)算機(jī)程序，然而這導(dǎo)致了設(shè)計(jì)人員對(duì)計(jì)算機(jī)過于依賴，忽視了自身對(duì)于結(jié)構(gòu)概念的學(xué)習(xí)和掌握，無形中降低了自身的設(shè)計(jì)能力。同時(shí)采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是有一定的限制的，導(dǎo)致初步設(shè)計(jì)的方案無法完成。然而還有很多設(shè)計(jì)師并沒有認(rèn)識(shí)到計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的雙面性，選擇合適的軟件來進(jìn)行設(shè)計(jì)可以提高效率，相反的，如果使用的軟件并不合適反而會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)中的一些隱患，這些問題會(huì)隨著時(shí)間越來越明顯。所以，設(shè)計(jì)師需要深入學(xué)習(xí)理解相關(guān)的概念，熟練掌握應(yīng)用概念設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)時(shí)選擇科學(xué)合理的方案。同時(shí)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用概念設(shè)計(jì)還體現(xiàn)了一定的創(chuàng)新作用。比起對(duì)著建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范照本宣科的模式來說，相關(guān)設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，避免了過于循規(guī)蹈矩的現(xiàn)象，合理應(yīng)用概念設(shè)計(jì)能夠在較大程度上展現(xiàn)創(chuàng)新。應(yīng)用概念設(shè)計(jì)還能使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的更加完善。因?yàn)樵O(shè)計(jì)師必須先掌握結(jié)構(gòu)概念，對(duì)其有充分的理解及認(rèn)識(shí)，具有清晰的設(shè)計(jì)理念的設(shè)計(jì)師才能對(duì)如概念混亂這類問題進(jìn)行較好的預(yù)防。如果能夠較好的掌握相關(guān)概念，那么在出現(xiàn)問題時(shí)，也能快速的找出其原因并且制定有效的解決方案，同時(shí)提升其結(jié)構(gòu)方案的可靠性。

3 概念設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用

3.1 在建筑場地選擇中的應(yīng)用

對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來說相關(guān)場地的選擇是非常重要的，只有選擇了合適的場地，其后續(xù)的設(shè)計(jì)工作才能的到保障。對(duì)于建筑場地的選擇應(yīng)該著重考慮以下幾點(diǎn)：需要考慮的首要因素是地形，不同的地形對(duì)建筑結(jié)構(gòu)有不同的影響和制約作用。因此，必須嚴(yán)格根據(jù)相應(yīng)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，充分考慮各種因素的影響，最終選擇出進(jìn)行該項(xiàng)工程最合適的地形。除此之外，地址問題對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也有很大影響，也是場地選擇中需要注意的一個(gè)關(guān)鍵問題，尤其是對(duì)于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。對(duì)于建筑場地的選擇，還應(yīng)該考慮抗震性問題，這一點(diǎn)在現(xiàn)今社會(huì)的建筑設(shè)計(jì)中是非常重要的。要提升建筑的使用安全性能，必須使建筑結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的抗震效果，要盡量避免將建筑建造在易發(fā)生地震的位置。

3.2 在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是極為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，概念設(shè)計(jì)在這類基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中能夠發(fā)揮理想的效果?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的具體內(nèi)容中，對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行合理的選擇是最為重要的。設(shè)計(jì)人員要根據(jù)不同的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)要求和場地的地質(zhì)特點(diǎn)，選擇最為合適的方案來設(shè)計(jì)?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)類型主要有以下幾類：①獨(dú)立柱下基礎(chǔ)，在當(dāng)前的建筑工程項(xiàng)目中獨(dú)立柱下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是很常用的，它具有較好的均勻性和整體性，能夠較大程度的把上部建筑結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的荷載均勻的傳遞到地下，提升其穩(wěn)定性；適用于多層框架結(jié)構(gòu)且地質(zhì)條件較好的場地；②條形基礎(chǔ)及筏形基礎(chǔ)，適用于層數(shù)高荷載大的高層建筑或者是層數(shù)較少、且地質(zhì)不太好的建筑；③樁地基適用于基礎(chǔ)持力層較深的各類建筑；④樁筏基礎(chǔ)，適用于地質(zhì)條件不好，持力層深的高層超高層建筑。

3.3 在結(jié)構(gòu)方案選擇中的應(yīng)用

建筑設(shè)計(jì)中的核心是建筑結(jié)構(gòu)方案的選擇。為了保證合理性和經(jīng)濟(jì)性，在選擇建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)的方案時(shí)也需要應(yīng)用概念設(shè)計(jì)進(jìn)行選擇。在選擇時(shí)，首先需建筑的平面特點(diǎn)及功能要求，根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)條件，選擇適合建筑的結(jié)構(gòu)類型，墻柱布置及梁板布置，合理設(shè)置豎向構(gòu)件，搭建符合力學(xué)要求的傳力路徑，以滿足概念設(shè)計(jì)的整體性要求。其次，要選擇合適的計(jì)算軟件，根據(jù)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行多輪的設(shè)計(jì)優(yōu)化，選擇最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。將這種設(shè)計(jì)理念體現(xiàn)在建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中能夠很好地提升建筑結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。

3.4 在建筑主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

建筑主體結(jié)構(gòu)主要是要從整體上對(duì)整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)于這種設(shè)計(jì)工作來說，對(duì)稱性和合理性是十分關(guān)鍵的，相應(yīng)的這也要求設(shè)計(jì)人員必須對(duì)整體的結(jié)構(gòu)布置、傳力路徑、剛心、質(zhì)心進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，而這些設(shè)計(jì)過程中就需要有概念設(shè)計(jì)的參與。

在計(jì)算中，應(yīng)著重從以下幾個(gè)參數(shù)整體來考慮計(jì)算結(jié)果的合理性：

（1）剛度比：主要是控制結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則性，避免豎向剛度突變，形成薄弱層。

（2）位移比：主要為控制結(jié)構(gòu)平面規(guī)則性，以避免產(chǎn)生過大的偏心而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

（3）周期比：主要為控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)以減小扭轉(zhuǎn)可能對(duì)結(jié)構(gòu)造成不利影響。周期比不滿足要求時(shí)，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度小于側(cè)移剛度，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)過大。

（4）剪重比：主要為控制各樓層最小地震剪力，確保結(jié)構(gòu)安全性。

（5）剛重比：主要為控制結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，避免結(jié)構(gòu)在風(fēng)載或地震力的作用下發(fā)生整體失穩(wěn)。剛重比過小時(shí)結(jié)構(gòu)的剛度比起重力荷載較?。坏珓傊乇纫膊灰诉^大，否則結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)是較差的。

（6）層間受剪承載力比：控制豎向不規(guī)則性，以免豎向樓層受剪承載力突變，形成薄弱層。

4 結(jié)語

綜上，應(yīng)用概念設(shè)計(jì)來進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅能夠提高建筑物的可靠性和安全性，還能夠一定程度上節(jié)約資源和能源，提升建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平。因此在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用概念設(shè)計(jì)，這對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的進(jìn)步和發(fā)展具有很大的促進(jìn)作用。

[1]湯蘭.試論概念設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014.

[2]李霞.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中概念設(shè)計(jì)的應(yīng)用分析[J].建筑與規(guī)劃設(shè)計(jì)，2015.

[3]白嘉寧.概念設(shè)計(jì)在當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析[J].建材與裝飾，2016.

[4]《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）.中國建筑工業(yè)出版社.

[5]《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）（2016年版）.中國建筑工業(yè)出版社.