論建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的概念設(shè)計及其優(yōu)化

李霞

（貴陽市建筑設(shè)計院有限公司　貴州貴陽　550003）

1　引言

隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，對建筑產(chǎn)業(yè)起到了很大推動作用。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，如果采用科學(xué)合理的概念設(shè)計，則會起到事半功倍的效果，即既可以滿足人們在辦公住房上的需要，又能使建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計更具有經(jīng)濟性和可靠性。此外，合理的概念設(shè)計還可以提高工程建設(shè)的效率。本文意在通過對建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計以及優(yōu)化措施的分析，為同行提供參考，提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計水平和建筑設(shè)計質(zhì)量，保證整個建設(shè)項目的質(zhì)量。

2　概念設(shè)計理念

2.1　概念設(shè)計的含義

工程師在概念設(shè)計的大體方向確定后，通過數(shù)據(jù)的收集整理，對設(shè)計要求進行分解消化，在建筑方案的基礎(chǔ)上擬出一套初步的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案構(gòu)想。概念設(shè)計難度較大，對工程師的實踐經(jīng)驗要求也比較高。概念設(shè)計是在對建筑類型和特性的把握上做出的一種以結(jié)構(gòu)為框架，包含地理因素，自然條件、建筑形態(tài)、建筑功能、結(jié)構(gòu)措施并與總體規(guī)劃和場地特點相結(jié)合的一種系統(tǒng)展現(xiàn)，具有明顯多元化結(jié)合的特征。

2.2　概念設(shè)計的意義

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，概念設(shè)計是結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心，起著提綱挈領(lǐng)、把握主要設(shè)計方向的作用。概念設(shè)計與建筑中精確規(guī)整的局部構(gòu)件設(shè)計不同，其是從整體的大局出發(fā)，結(jié)合結(jié)構(gòu)概念所形成的合理的系統(tǒng)的設(shè)計方案，對結(jié)構(gòu)設(shè)計有著從結(jié)構(gòu)體系、受力性能上的合理化提升和優(yōu)化完善作用；對于實現(xiàn)建筑方案、建筑功能、造價控制方面都有著不可替代的指導(dǎo)意義。

3　概念設(shè)計在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用體現(xiàn)

3.1　建筑場地及結(jié)構(gòu)構(gòu)件選擇

概念設(shè)計在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用是多方面的，比如建筑場地的選擇；結(jié)構(gòu)體系的確定；局部特殊構(gòu)件的結(jié)構(gòu)體系確定，比如大跨度樓、屋蓋，大懸挑雨篷，大跨度采光頂篷，大跨度連廊等等；結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件的布置；跨度尺寸模數(shù)的確定；高層建筑長寬比、高寬比與建筑方案的協(xié)調(diào)；高層建筑核心筒平面位置的確定以及核心筒與建筑，設(shè)備功能的協(xié)調(diào)等。

對建筑場地的選擇，需要綜合地質(zhì)情況、風(fēng)荷載、地震帶、建筑造型、建筑立面、建筑功能、城市天際線的制約等各方面因素，綜合考量，是一個典型的概念設(shè)計。

3.2　抗震設(shè)計

概念設(shè)計在抗震設(shè)計中的應(yīng)用有其獨到的價值。概念設(shè)計融入抗震設(shè)計的過程更多是對整個建筑工程總體結(jié)構(gòu)體系的分析和考量。抗震設(shè)計中，概念設(shè)計和結(jié)構(gòu)措施是相輔相成的。從概念設(shè)計出發(fā)，對“地震力”采取或“抗”，或“耗”，或“隔”，或“傳”等等不同的處理方式?？拐鹪O(shè)計中的性能設(shè)計也是概念設(shè)計的常見應(yīng)用領(lǐng)域。建筑的抗震性能設(shè)計，通過對承載能力和變形能力的綜合考慮，尋求整體結(jié)構(gòu)或者局部構(gòu)件在承載能力以及變形能力的合理平衡點，具有很強的針對性、靈活性。

抗震規(guī)范提出的“三水準(zhǔn)設(shè)防”目標(biāo)（即小震不壞，基本地震可修，大震不倒）其實和抗震性能設(shè)計的目標(biāo)是一致的，其本身也就是一種概念設(shè)計。從“三水準(zhǔn)設(shè)防”目標(biāo)出發(fā)，實際設(shè)計中，往往會對特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)（水平和豎向）、復(fù)雜結(jié)構(gòu)根據(jù)具體情況，對抗側(cè)力的水平和豎向構(gòu)件作出特別加強。

3.3　高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計

概念設(shè)計在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用，常見的有結(jié)合建筑方案和平面布置控制高寬比，長寬比；根據(jù)建筑平面布置和建筑功能，設(shè)備要求合理布置抗震墻與核心筒，以及確立核心筒位于整個建筑平面的什么位置，是中置，是偏置，是單筒亦或雙筒，目的是為了使結(jié)構(gòu)剛度中心和質(zhì)量重心盡量重合。針對不規(guī)則平面布置出現(xiàn)的薄弱點，做特別加強處理比如加強樓板剛度等措施。這一點體現(xiàn)的很明顯。作為構(gòu)件設(shè)計，常規(guī)的樓板厚度就可以滿足承載能力和變形能力的要求，但是從概念設(shè)計的角度出發(fā)，采取加強薄弱點的樓板剛度這一具體的結(jié)構(gòu)措施，就可以大大提升整個結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度，對于抗震性能設(shè)計，以及控制計算指標(biāo)都有很積極的效果。

3.4　地基基礎(chǔ)設(shè)計

在地基和基礎(chǔ)設(shè)計中，概念設(shè)計的應(yīng)用也很常見。比如，抗震規(guī)范第3.3.4條第2款規(guī)定“同一結(jié)構(gòu)單元不宜部分采用天然地基部分采用樁基”，該規(guī)定是為了避免建筑物受到地震作用時，基礎(chǔ)因為抗側(cè)剛度的嚴(yán)重不均勻而發(fā)生抗剪破壞。另《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-2008）提出了變剛度調(diào)平設(shè)計理念。該理念體現(xiàn)了概念設(shè)計的精髓。尤其對于主樓、裙房一體的建筑物，對主樓，裙房采用不同的基礎(chǔ)形式或者基礎(chǔ)處理方案，可以有效地控制沉降和差異沉降；再比如，主樓和裙房都采用樁基礎(chǔ)，但是主樓樁基密集強化，裙房樁基稀疏弱化，則是常用的控制差異沉降的結(jié)構(gòu)措施。

4　概念設(shè)計在抗震設(shè)計中的優(yōu)化分析

4.1　結(jié)構(gòu)規(guī)則

在高層建筑的構(gòu)建過程中，實際的建筑結(jié)構(gòu)是三維立體的，而在地震發(fā)生時，地震的方向具有任意性，所以高層建筑的主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的主軸的剛度要均勻相同，這樣高層建筑就會有非常好的抗震能力。處于強震區(qū)的高層建筑要注意主體抗側(cè)力的豎向斷面的變化要均勻，不能變化太大，這樣可以避免在地震時因為建筑的薄弱環(huán)節(jié)而造成的整體損壞。在高層建筑主體抗側(cè)力這一方面的平面布置上，既要注意同一方向上的剛度要均勻同時也不能忽視延展性對主體結(jié)構(gòu)的影響，還要滿足對稱性的要求。

4.2　選擇結(jié)構(gòu)

在建筑高層蓋梁時，要注意使重力荷載要以最短的途徑傳達到豎向構(gòu)建上。在布置豎向構(gòu)件時，要保持豎向構(gòu)件和重力荷載作用力水平接近，從而避免構(gòu)件壓力的轉(zhuǎn)移，所以垂直重力作用下構(gòu)件壓應(yīng)力均勻是最優(yōu)選擇。整體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)是由框架、支撐、墻體等組成，在構(gòu)建整體抗側(cè)力時要把這些結(jié)構(gòu)連續(xù)、緊密連接。在結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換上要做到把上層結(jié)構(gòu)的重力通過轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)多次轉(zhuǎn)換，保證能夠傳遞到下層結(jié)構(gòu)上去。

4.3　設(shè)立抗震結(jié)構(gòu)

剪力墻是最主要的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，同時也是第一層抗震結(jié)構(gòu)，所以剪力墻的數(shù)量要達到抗震標(biāo)準(zhǔn)。在剪力墻開裂后要重新分配地震力，就要使每層的框架要和墻體共同承擔(dān)地震力。在剪力墻結(jié)構(gòu)中，可以使用連梁結(jié)構(gòu)形成聯(lián)肢墻，從而具有更高的抗震能力。在聯(lián)接過程中要注意使梁結(jié)構(gòu)的各項能力要和墻肢均勻相似，從而減少因為拉力過大出現(xiàn)的抗震能力下降的現(xiàn)象。

4.4　剛度設(shè)定

在進行主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的剛度設(shè)定時要注意，剛度要符合位移、延展性等的要求，保證地震發(fā)生時高層建筑結(jié)構(gòu)可以穩(wěn)定應(yīng)對。且主體抗側(cè)力的剛度不能過大有以下幾點原因：符合要求的高層建筑的結(jié)構(gòu)剛度要略大于規(guī)定的范圍值，高層建筑結(jié)構(gòu)的延展性是根據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計和構(gòu)造決定的。如果剛度過大，會導(dǎo)致在地震發(fā)生時結(jié)構(gòu)的振動頻率減少，使地震對建筑的影響加大，從而導(dǎo)致高層建筑結(jié)構(gòu)所承受的地震力增強，對地基的負擔(dān)也會增多。

5　結(jié)語

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為了確保設(shè)計方案的科學(xué)性和實用性，設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)根據(jù)建筑的概念進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)計出一套適用于施工的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，才能確保建筑施工順利進行。本文從建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的介紹出發(fā)，分析了概念設(shè)計的現(xiàn)狀，以及目前結(jié)構(gòu)概念設(shè)計在應(yīng)用時需要注意的問題，接著提出了建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的具體應(yīng)用，最后著重分析了高層抗震設(shè)計中利用概念設(shè)計進行優(yōu)化的要點，在今后的建筑設(shè)計工作中，提出更多更好的抗震設(shè)計方案，提高建筑物的剛度，使其能更好的抵御地震災(zāi)害造成的破壞。