建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的概念設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)措施

羅成　康才東

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國的中高層建筑也向著高而復(fù)雜的趨勢(shì)發(fā)展，從而產(chǎn)生了越來越多的高層、超高層及一些體型不規(guī)則的高層建筑物。這種發(fā)展趨勢(shì)造成了建筑師更加追求建筑物的外部體型，從而忽略了建筑物結(jié)構(gòu)體系的概念，使建筑師和結(jié)構(gòu)師在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)造方面產(chǎn)生了極大的矛盾和沖突。多次地震災(zāi)害中房屋的破壞情況均表明：多數(shù)建筑物倒塌的主要原因并不是施工的原因，而是由于設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)體系的概念不清楚，設(shè)計(jì)不合理，從而導(dǎo)致建筑物在地震的作用下產(chǎn)生嚴(yán)重破壞。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)體系;概念設(shè)計(jì)

引言

在建筑設(shè)計(jì)中，先進(jìn)的概念設(shè)計(jì)起到的作用至關(guān)重要，可以平衡建筑的經(jīng)濟(jì)性、功能性與美觀性。為進(jìn)一步完善建筑體系的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)基于概念設(shè)計(jì)大力改進(jìn)、創(chuàng)新結(jié)構(gòu)措施，及時(shí)探索出最理想的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，進(jìn)而有機(jī)融合概念與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，充分提升建筑水平。

1概念設(shè)計(jì)的基本概念

1.1概念設(shè)計(jì)的內(nèi)涵

在概念設(shè)計(jì)的最初應(yīng)用中，建筑師根據(jù)設(shè)計(jì)概念評(píng)估建筑設(shè)計(jì)計(jì)劃，并參考過去的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，比較和分析概念設(shè)計(jì)，從宏觀層面上控制建筑結(jié)構(gòu)的形狀，參照比較結(jié)果執(zhí)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并調(diào)整和實(shí)施所需的隔振設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì)效果。概念設(shè)計(jì)對(duì)建筑設(shè)計(jì)有很大影響，例如資本投資、施工時(shí)間和安全問題。對(duì)概念設(shè)計(jì)的巧妙運(yùn)用使最終的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)劃更加科學(xué)、合理、安全和可靠，還能有效減少估算和計(jì)算錯(cuò)誤，改善架構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性和合理性。

1.2概念設(shè)計(jì)的實(shí)施步驟

設(shè)計(jì)特定應(yīng)用程序概念的過程本質(zhì)上是逐步重復(fù)整個(gè)過程的優(yōu)化過程。通常，概念設(shè)計(jì)分為四個(gè)主要階段：分析階段、綜合階段、評(píng)估階段、完成階段。在繼續(xù)進(jìn)行下一階段之前，每個(gè)步驟都必須達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。如果在任一階段發(fā)現(xiàn)計(jì)劃中有不合理的部分，則需要重新實(shí)施設(shè)計(jì)、計(jì)算和評(píng)估，直到達(dá)到目標(biāo)為止。具體分析以下四個(gè)步驟：①分析階段。在此階段收集建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題，并對(duì)這些問題進(jìn)行分析和解決。分析階段的主要特征是所收集的數(shù)據(jù)和信息模棱兩可，分析后可以將各種信息最大化。②綜合階段。綜合階段是概念設(shè)計(jì)的最重要階段。在這個(gè)階段概念設(shè)計(jì)師利用自身經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)來制定設(shè)計(jì)計(jì)劃，然后以圖紙的形式展示設(shè)計(jì)計(jì)劃。綜合階段的設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上是用來以具體形式顯示和處理建筑設(shè)計(jì)師相對(duì)抽象的設(shè)計(jì)概念，這是概念設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。③評(píng)估階段。在此階段將對(duì)設(shè)計(jì)計(jì)劃進(jìn)行專業(yè)評(píng)估，并評(píng)估其可行性，這項(xiàng)工作是周期性的，在計(jì)劃達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后可以開始下一步工作。在評(píng)估設(shè)計(jì)計(jì)劃時(shí)，首先要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)功能模型，然后使用各種公式對(duì)每個(gè)計(jì)劃進(jìn)行比較和分析，最后選擇一個(gè)經(jīng)濟(jì)、合理、安全、可靠的設(shè)計(jì)計(jì)劃。④完成階段。此階段主要根據(jù)已定義的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)劃來執(zhí)行相關(guān)工作，以減少后續(xù)的冗余設(shè)計(jì)工作。

2結(jié)構(gòu)體系概念設(shè)計(jì)的整體性

2.1受力平衡的角度

從受力平衡的角度分析，高層建筑物在自重、豎向荷載和水平荷載的合力作用下，可以使建筑物自身達(dá)到受力平衡。但是，隨著水平荷載作用的增大或者變化，例如，地震作用、風(fēng)荷載等，必定會(huì)導(dǎo)致建筑物產(chǎn)生整體傾覆轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)大量數(shù)據(jù)表明：只要控制建筑物偏心距不超過某一特定數(shù)值，建筑物的自重就能夠保證它的整體傾覆穩(wěn)定性。因此，我們?cè)谶M(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮這一因素，合理控制建筑物的偏心距。對(duì)于非規(guī)則性的建筑物，由于其結(jié)構(gòu)體系的非對(duì)稱性，在抵抗水平荷載作用下的建筑物就比較容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。因此，在進(jìn)行建筑外觀設(shè)計(jì)時(shí)，我們應(yīng)該遵循均勻、規(guī)則、對(duì)稱的原則，從結(jié)構(gòu)體系的整體概念上減少建筑物發(fā)生扭轉(zhuǎn)傾覆的概率。

2.2力的傳遞角度

從力的傳遞角度分析，我們可以把建筑物看成一個(gè)整體的空間受力結(jié)構(gòu)，建筑物的內(nèi)外墻、梁柱、樓蓋、屋蓋等構(gòu)件不僅是建筑物空間的分隔構(gòu)件，又是建筑物的結(jié)構(gòu)體系的一部分，從而保證整個(gè)結(jié)構(gòu)能夠有效的承擔(dān)水平荷載和豎向荷載并按照明確的路線傳至基礎(chǔ)。把整個(gè)建筑物分為水平結(jié)構(gòu)體系和豎向結(jié)構(gòu)體系兩個(gè)分結(jié)構(gòu)體系，兩者相互協(xié)同工作。水平結(jié)構(gòu)體系主要有梁構(gòu)件、板構(gòu)件和梁板組合構(gòu)件，主要承受豎向荷載和水平荷載，并把所受荷載傳遞分配到豎向結(jié)構(gòu)體系。

2.3結(jié)構(gòu)體系的協(xié)同工作

建筑物中的水平結(jié)構(gòu)體系和豎向結(jié)構(gòu)體系是通過相互連接協(xié)同工作的。在現(xiàn)澆鋼筋混凝土建筑中，施工時(shí)把水平結(jié)構(gòu)體系中的梁構(gòu)件和板構(gòu)件一同澆筑，形成了“T形梁”的梁板組合結(jié)構(gòu)共同抵抗彎矩。水平結(jié)構(gòu)體系中的梁構(gòu)件和豎向結(jié)構(gòu)體系中的柱構(gòu)件剛接形成為框架結(jié)構(gòu)體系，共同抵抗側(cè)向力。由水平結(jié)構(gòu)體系的梁、板構(gòu)件與豎向結(jié)構(gòu)體系的柱、墻構(gòu)件共同組成框架-剪力墻空間結(jié)構(gòu)體系，可以更好地抵抗兩個(gè)方向的側(cè)向力。由鋼筋混凝土剪力墻澆筑而成的電梯間、樓梯間及其他豎向的設(shè)備管道，能夠組成剛性的井筒結(jié)構(gòu)，可以承受豎向荷載，同時(shí)更好地抵抗水平荷載。總結(jié)構(gòu)體系和水平分結(jié)構(gòu)體系、豎向分結(jié)構(gòu)體系相互關(guān)聯(lián)、相互影響。把建筑物看成一個(gè)總結(jié)構(gòu)體系，提出細(xì)部設(shè)計(jì)要求，選擇合理的結(jié)構(gòu)體系，使水平荷載和豎向荷載通過分結(jié)構(gòu)體系的相互作用傳遞到建筑物的基礎(chǔ)上。分結(jié)構(gòu)體系的合理設(shè)計(jì)和分結(jié)構(gòu)體系之間的合理組合會(huì)使總結(jié)構(gòu)體系受力更加明確合理，各分結(jié)構(gòu)體系的合理布置能夠增大建筑物的整體抵抗側(cè)向力和側(cè)移的能力。

3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要措施

3.1科學(xué)選取建筑場(chǎng)地

在選擇建筑工地時(shí)，必須選擇具有最高抗震性能的區(qū)域，同一棟建筑物的不同建筑工地的抗震特性差異很大，對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響也很大。在地震影響下，要考慮基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)遭遇適當(dāng)損壞的可能性，并結(jié)合適當(dāng)?shù)氖┕び?jì)劃和經(jīng)濟(jì)原理，進(jìn)一步弄清相應(yīng)的結(jié)構(gòu)形式和基礎(chǔ)計(jì)劃。由于采用了這種方法，整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗震特性和可塑性可以大大提高。

3.2科學(xué)合理的選擇結(jié)構(gòu)材料

首先，在選擇鋼材和混凝土的過程中，要結(jié)合特定的標(biāo)準(zhǔn)選擇強(qiáng)度更高的模型。通常，混凝土的強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C25。為了對(duì)結(jié)構(gòu)元件進(jìn)行縱向加固，必須使用強(qiáng)度更高的鋼筋，例如HRB400鋼筋。其次，要根據(jù)具體情況，選擇更科學(xué)合理的新型建筑材料，例如鋼筋混凝土材料。在建筑的建造過程中，通常使用鋼筋混凝土材料。它是一種新型的建筑材料，可以將鋼材和混凝土有效結(jié)合在一起，并相互補(bǔ)充，從而發(fā)揮出更大的建筑作用，這種材料使建筑物穩(wěn)定而堅(jiān)固。其具體優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：①內(nèi)層混凝土可以更有效地支撐外層鋼管，從而使兩者的優(yōu)勢(shì)相互補(bǔ)充，完美匹配，同時(shí)也充分發(fā)揮了它們的優(yōu)勢(shì)，顯著提高了它們的承載能力;②外鋼管可以有效地控制內(nèi)混凝土，從而進(jìn)一步提高混凝土的強(qiáng)度，可以大大減小變形概率。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)一步增加了建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，并為超高底柱的軸向壓縮比有限的問題提供了有效的解決方案。

4概念設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

4.1科學(xué)選擇建筑結(jié)構(gòu)剛度

在建筑領(lǐng)域的各種指標(biāo)中，建筑結(jié)構(gòu)的剛度是非常重要的元素，并且在建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中起著非常重要的作用，因此必須選擇科學(xué)合理的建筑剛度。同時(shí)，科學(xué)合理地選擇建筑物剛度對(duì)于有效增加建筑物的自然振動(dòng)周期和抗震性能具有特殊的影響和意義。另外，良好的剛性還可以相應(yīng)地提高空間利用率，節(jié)省建筑材料等，從而可以更充分、更有效地利用建筑計(jì)劃，并可以有效優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)。

4.2科學(xué)選擇建筑主體結(jié)構(gòu)

合理性和對(duì)稱性是設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)時(shí)要遵循的基本原則。該原理可有效減少建筑材料的使用，節(jié)省建筑材料，確保建筑結(jié)構(gòu)中非結(jié)構(gòu)部件的良好安全性和穩(wěn)定性，并降低建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)力。建筑結(jié)構(gòu)對(duì)稱的特征是整個(gè)或部分建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)的相互對(duì)應(yīng)和統(tǒng)一，在特定的設(shè)計(jì)階段，為確保建筑物結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，可以對(duì)建筑物質(zhì)心或平面重心的實(shí)際距離進(jìn)行合理調(diào)整，并有效調(diào)整重心，從而確保建筑結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性。

4.3基于場(chǎng)地情況選擇建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

在選定的開發(fā)區(qū)域中進(jìn)行調(diào)查和設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)建筑物的形狀和該區(qū)域的地形對(duì)建筑物的基礎(chǔ)進(jìn)行科學(xué)合理的選擇。建筑基礎(chǔ)通常包括樁基礎(chǔ)和箱基礎(chǔ)，箱形基礎(chǔ)具有良好的整體剛度，可以均勻分解并將載荷轉(zhuǎn)移到基礎(chǔ)上，從而提供更安全、更穩(wěn)定的建筑物，并防止由于不均勻力而導(dǎo)致基礎(chǔ)發(fā)生沉降，這樣可以有效提高建筑物的抗震性能。樁基礎(chǔ)是建筑物基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的另一種形式，通常在地面較軟或荷載相對(duì)較差的多層建筑物中，這種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)可以將頂部產(chǎn)生的負(fù)載傳遞到底部，并將其分配到土壤上，從而確保建筑物的安全性、穩(wěn)定性和可靠性。

4.4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中提高材料利用率

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，結(jié)構(gòu)措施在設(shè)計(jì)師的工作中起著重要的支持作用，提供了更完整的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及有效執(zhí)行了與結(jié)構(gòu)活動(dòng)有關(guān)的工作能力。在設(shè)計(jì)階段，結(jié)構(gòu)措施的關(guān)鍵作用是有效協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)工作。在施工和設(shè)計(jì)工作中，可以充分保證建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并可以有效提高建筑材料的利用率。另外，設(shè)計(jì)師必須在保證設(shè)計(jì)效果的前提下減少材料重量和材料成本，使設(shè)計(jì)工作能夠順利進(jìn)行。例如具有矩形橫截面的壓縮構(gòu)件利用率低，這是因?yàn)榱涸谔囟ǖ氖┕るA段更容易改變，并且材料利用率不足，而通過概念設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)分析，可以對(duì)梁截面的變形梯度進(jìn)行科學(xué)合理的改變和調(diào)整，從而在軸向力不確定的情況下可以顯著提高材料的利用率。

結(jié)束語

從以上討論可以明顯看出，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果的有效性和可靠性。另外，建筑物的實(shí)際建筑過程也應(yīng)更加高效，以確保概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充分互補(bǔ)并發(fā)揮應(yīng)有的作用，從而使概念設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)措施協(xié)同工作，以構(gòu)建更加科學(xué)、完整的建筑結(jié)構(gòu)體系，達(dá)到節(jié)省建筑原材料的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]呂清海.概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)措施在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].建材與裝飾，2017（16）.

[2]陳立新.探索概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)措施在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].居舍，2019（14）.

[3]李林.分析建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的概念設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)措施關(guān)鍵研究[J].智能城市，2019，5（13）.

[4]王少嶠.概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)措施在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方法探討[J].建材與裝飾，2020（18）.

[5]梁明釗.探討建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的概念設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)措施[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2014（12）.

[6]康元五.探究海綿城市理念在市政給排水設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)踐[J].中小企業(yè)管理與科技（上旬刊），2021（10）：173-175.

[7]陶義.市政道路工程給排水管道施工質(zhì)量制約及預(yù)防研究[J].建材與裝飾，2020（06）：270-271.