建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的理念及方法

陳先虎

（同圓設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司安徽分公司，安徽合肥 230001）

1 結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的內(nèi)涵

結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)指不用數(shù)值計(jì)算，在無法進(jìn)行精確數(shù)值分析、難以進(jìn)行規(guī)范規(guī)定分析的情況下，運(yùn)用整體結(jié)構(gòu)體系和分體系、結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間關(guān)系，如力學(xué)理論、結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和工程經(jīng)驗(yàn)所獲取的基本設(shè)計(jì)原則與設(shè)計(jì)思想用于項(xiàng)目整體和局部的設(shè)計(jì)。概念設(shè)計(jì)是一種宏觀角度對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的總體布局、細(xì)部措施安排等的控制思想，雖然不用數(shù)值計(jì)算但需要采用概念近似估算，可以快速有效地進(jìn)行方案構(gòu)思，并最終選擇合適的設(shè)計(jì)方案，以減少了后期不必要的設(shè)計(jì)方案變更，減少具體實(shí)施階段的工作反復(fù)，經(jīng)濟(jì)性和可靠性較強(qiáng)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師如能充分掌握結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)，就能減少設(shè)計(jì)對(duì)計(jì)算軟件的依賴，高效地進(jìn)行設(shè)計(jì)方案選擇，也激發(fā)了建筑工程師們的創(chuàng)造力，使理論和實(shí)際結(jié)合起來，使建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作更加客觀科學(xué)，同時(shí)也讓建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加靈活，提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平，同時(shí)也有助于推動(dòng)整個(gè)建筑行業(yè)的發(fā)展。

2 結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的重要性和必要性

2.1 結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的重要性

概念設(shè)計(jì)是一種基于理論基礎(chǔ)知識(shí)的設(shè)計(jì)思想，結(jié)合先進(jìn)的設(shè)計(jì)工具、設(shè)計(jì)技術(shù)等制定全面科學(xué)的設(shè)計(jì)方案，使理論和實(shí)際結(jié)合起來，使結(jié)構(gòu)體系在力學(xué)性質(zhì)、構(gòu)造處理等方面都比較適合的結(jié)構(gòu)方案。概念設(shè)計(jì)一方面可以激發(fā)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師的主動(dòng)與創(chuàng)造性，另一方面能全面提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量。一名優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師必須要首先詳細(xì)了解概念設(shè)計(jì)的內(nèi)容、特點(diǎn)和作用等，才能提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平。此外，在設(shè)計(jì)方案制定初期，必須要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師結(jié)合具體情況作出判斷，這就要求結(jié)構(gòu)工程師們必須要全面掌握好建筑結(jié)構(gòu)的概念，才能制定出比較好的結(jié)構(gòu)方案。

2.2 結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的必要性

在計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展的背景下，結(jié)構(gòu)工程師們對(duì)于計(jì)算機(jī)計(jì)算過于依賴，但計(jì)算機(jī)并不能代替設(shè)計(jì)，只有加強(qiáng)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的意識(shí)，才能更加客觀真實(shí)地理解建筑結(jié)構(gòu)的工作性能，合理地進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要做出各種力學(xué)數(shù)值計(jì)算和分析，但是一般會(huì)借助計(jì)算軟件工作，使得結(jié)構(gòu)師們?nèi)狈?duì)建筑設(shè)計(jì)工作深入的思考，也會(huì)存在因軟件問題而帶來的危害。比如在進(jìn)行結(jié)構(gòu)平面布置時(shí)，計(jì)算時(shí)通過計(jì)算加大材料能夠滿足軟件計(jì)算的承載力和使用要求，但是并不是合適的結(jié)構(gòu)方案，使得結(jié)構(gòu)臃腫，浪費(fèi)材料。如果使用概念設(shè)計(jì)的思想與方法，就能處理好整體結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)件之間的關(guān)系，使最終形成的方案更加準(zhǔn)確合理，從而免去了后期工作中的一些煩瑣計(jì)算。此外，概念設(shè)計(jì)的應(yīng)用還能對(duì)計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，避免出現(xiàn)電算誤差和軟件操作錯(cuò)誤，在實(shí)際工作時(shí)采用概念設(shè)計(jì)理論有利于探討更加深層次的設(shè)計(jì)問題，從而使設(shè)計(jì)總體質(zhì)量得到提升，不僅簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)的流程，而且也保證了計(jì)算數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中開展概念設(shè)計(jì)的途徑

概念設(shè)計(jì)的工作包括：①明確設(shè)計(jì)目標(biāo)，如“大震不倒、中震可修、小震不壞”就是抗震設(shè)計(jì)的目標(biāo)；②形成基本的結(jié)構(gòu)模型：包括結(jié)構(gòu)體系、計(jì)算簡(jiǎn)圖、基礎(chǔ)選型、構(gòu)件尺寸選擇；③對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)估調(diào)整，對(duì)構(gòu)件加強(qiáng)，如采用強(qiáng)柱弱梁方法進(jìn)行調(diào)整；④設(shè)計(jì)好能發(fā)揮結(jié)構(gòu)作用的構(gòu)造措施。概念設(shè)計(jì)既可以從大的方面整體把握方向，也可以從細(xì)節(jié)體現(xiàn)整體設(shè)計(jì)理念，具體實(shí)施過程中可以從以下幾個(gè)方面具體考慮：

3.1 選擇合理的結(jié)構(gòu)方案

合理的結(jié)構(gòu)方案中應(yīng)該包含科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)形式和體系，該結(jié)構(gòu)體系必須受力明確，具有清晰和簡(jiǎn)便的傳力系統(tǒng)。在高層建筑平面設(shè)計(jì)中，必須注重概念設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)方案階段就應(yīng)該先保證所設(shè)計(jì)的方案是完全符合受力要求的。合理的結(jié)構(gòu)方案是開展結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的前提，而結(jié)構(gòu)方案想要更加科學(xué)合理就需要滿足和調(diào)節(jié)建筑要求，和水暖、供電等其他專業(yè)進(jìn)行協(xié)商，然后確定結(jié)構(gòu)選型和結(jié)構(gòu)方案。結(jié)構(gòu)體系選擇時(shí)應(yīng)考慮地震作用的大小，選擇合適的結(jié)構(gòu)形式。結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)可以從平面和豎向分別考慮。

3.2 平面設(shè)計(jì)

為提高建筑的抗震能力，在平面設(shè)計(jì)時(shí)宜選擇規(guī)則的結(jié)構(gòu)布局形式，控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)，避免薄弱連接，可設(shè)置抗震縫將結(jié)構(gòu)劃分成若干抗震單元。在高層建筑平面設(shè)計(jì)中，由于建筑需要承受更多的風(fēng)壓，所以必須保證建筑外形是流線型，如圓形建筑平面的風(fēng)荷載較矩形平面的小。平面上兩個(gè)正交方向的剛度宜盡量接近，抗側(cè)力結(jié)構(gòu)（柱、剪力墻）宜設(shè)置在四周，以增大整體的抗側(cè)剛度及抗扭剛度，同時(shí)，應(yīng)加大梁或樓層的剛度，使柱（或剪力墻）能承擔(dān)較大的整體彎矩。

3.3 豎向設(shè)計(jì)

高層結(jié)構(gòu)抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的剛度應(yīng)從下往上逐漸過渡，避免因?yàn)橥蛔兌鴾p弱了對(duì)水平荷載力的抵抗能力。豎向設(shè)計(jì)時(shí)可以通過“剛?cè)岵?jì)”的方法加強(qiáng)某些構(gòu)件，減弱某些構(gòu)件，如美洲銀行大廈，通過設(shè)置較大剛度的束筒和較弱的連梁，達(dá)到很好的消能減震的作用。另外結(jié)合建筑的要求，結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行適當(dāng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，如深圳萬(wàn)科中心設(shè)計(jì)采用斜拉索的結(jié)構(gòu)形式，采用了類似于斜拉橋的設(shè)計(jì)方法，在首層形成了連續(xù)大空間。

3.4 建筑基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)

在進(jìn)行基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要先做好對(duì)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)地形、自然環(huán)境等條件的考察，收集和分析相關(guān)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上制定科學(xué)合理的基礎(chǔ)方案。一般建筑物基礎(chǔ)埋深都有一定的要求，施工時(shí)都需要開挖基槽，建筑宜設(shè)置地下室，對(duì)建筑抗震也有利?；A(chǔ)選型主要考慮承載力和變形沉降，對(duì)于高層建筑帶裙樓的工程，高層可采用樁基礎(chǔ)，裙樓采用天然基礎(chǔ)，可以很好地調(diào)節(jié)變形?；A(chǔ)設(shè)計(jì)宜與上部結(jié)構(gòu)同時(shí)考慮。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文對(duì)建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的作用、重要性和具體設(shè)計(jì)措施進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析，重點(diǎn)剖析了概念設(shè)計(jì)的意義和重要性，并介紹了概念設(shè)計(jì)的方法。概念設(shè)計(jì)和工程師們的理論水平和經(jīng)驗(yàn)有關(guān)，將概念設(shè)計(jì)應(yīng)用到建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師們從宏觀整體的角度對(duì)總建筑體系和構(gòu)件進(jìn)行研究，并不斷總結(jié)設(shè)計(jì)思想來提高概念設(shè)計(jì)的水平，采用創(chuàng)新的方案開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅避免了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用計(jì)算軟件帶來的誤差，而且也有利于提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的水平和效率，避免后期出現(xiàn)不必要的設(shè)計(jì)反復(fù)，推動(dòng)建筑整體發(fā)展。概念設(shè)計(jì)，不單關(guān)乎豐富的經(jīng)歷與經(jīng)驗(yàn)，更是來源于對(duì)基本的力學(xué)、材料等概念特性的掌握，同時(shí)要求結(jié)構(gòu)師有開闊的視野，靈活運(yùn)用設(shè)計(jì)方法，是具有創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)。