基于建筑與結(jié)構(gòu)融合度提升的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新分析

王 淼，畢正超

（1.中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100037；2.中核能源科技有限公司，北京 100080）

0 引言

如何將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)融入建筑設(shè)計(jì)一直是建筑設(shè)計(jì)人員追求的設(shè)計(jì)目標(biāo)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅需滿(mǎn)足建筑設(shè)計(jì)要求，而且需注重對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，加大創(chuàng)新力度。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新過(guò)程也是結(jié)構(gòu)與建筑融合的過(guò)程，設(shè)計(jì)人員需充分考慮結(jié)構(gòu)體系，積極與建筑造型融合，有效降低施工成本，提高建筑綜合效益，延長(zhǎng)其使用壽命。對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行創(chuàng)新過(guò)程中，需采取有效措施對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使建筑呈現(xiàn)多元化特點(diǎn)，在保證其實(shí)用性的前提下，使其具備豐富的功能。

1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新的意義

近年來(lái)隨著我國(guó)城市化步伐加快，人們對(duì)住房的需求也在不斷提高，由此高層建筑數(shù)量逐年增加，同時(shí)導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)重量不斷增加，建筑整體及墻壁的承載力明顯提高，為滿(mǎn)足其使用功能需求，必然會(huì)增加建造成本。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新便是在滿(mǎn)足建筑要求的基礎(chǔ)上，制定科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方案，最大化提高其空間利用率，優(yōu)化建筑物土地使用比例，有效提高土地利用率，進(jìn)而提高經(jīng)濟(jì)效益?？茖W(xué)合理的設(shè)計(jì)方案不但能提高整體經(jīng)濟(jì)效益，而且有助于降低施工成本，避免不必要的資源浪費(fèi)。因此建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新過(guò)程也是設(shè)計(jì)水平不斷提高的過(guò)程，對(duì)于優(yōu)化與完善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系具有重要作用。

2 建筑設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)融合存在的問(wèn)題

對(duì)建筑整體設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，不僅需重視其美觀性，而且需加強(qiáng)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重視，因此需實(shí)現(xiàn)建筑和結(jié)構(gòu)的深度融合。建筑設(shè)計(jì)與建筑結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，二者互為補(bǔ)充，互相制約，確保建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果是重要基礎(chǔ)，只有保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，才能進(jìn)一步提高造型的美觀性和穩(wěn)定性。隨著人們對(duì)生活環(huán)境的重視，設(shè)計(jì)人員需堅(jiān)持可持續(xù)理念，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高資源利用率。

建筑設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要組成部分，但在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，二者的融合深度存在不足，無(wú)法協(xié)調(diào)發(fā)展。部分設(shè)計(jì)人員過(guò)于注重創(chuàng)新設(shè)計(jì)，而忽視了結(jié)構(gòu)的可行性。如德國(guó)某地區(qū)教堂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，平面形狀為卵形，屋頂結(jié)構(gòu)為馬鞍形，落地拱的拱身懸空斜交在地面的拱支座上，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，因此又設(shè)計(jì)了環(huán)梁，建立索網(wǎng)結(jié)構(gòu)。環(huán)梁外采用短索錨穩(wěn)定斜拱。但斜拱僅具備挑檐的作用，并無(wú)其他結(jié)構(gòu)上的作用，整個(gè)索網(wǎng)的構(gòu)件是外墻的環(huán)梁，這一設(shè)計(jì)理念十分新穎，整個(gè)建筑的美觀性較強(qiáng)，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面存在諸多不足，因此使用20多年后受大風(fēng)影響，建筑一側(cè)坍塌。因此如果未實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效融合，必然難以保證建筑的穩(wěn)定性和安全性。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1 概念化設(shè)計(jì)

概念化設(shè)計(jì)是建筑設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，同時(shí)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新的重要體現(xiàn)。通過(guò)概念化設(shè)計(jì)能夠合理選擇結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，結(jié)合建筑功能和需求等情況明確建筑地點(diǎn)，從多個(gè)層面分析建筑布局情況，保證設(shè)計(jì)的合理性。概念化設(shè)計(jì)創(chuàng)新過(guò)程中，需采用合理的系統(tǒng)。對(duì)基礎(chǔ)設(shè)置來(lái)說(shuō)，需根據(jù)建筑物的功能需求明確合理的基礎(chǔ)類(lèi)型，降低建筑故障發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，在結(jié)構(gòu)概念化設(shè)計(jì)過(guò)程中，需避免建筑出現(xiàn)大開(kāi)洞、大懸挑等情況，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能和穩(wěn)定性。在安全性方面，建筑結(jié)構(gòu)概念化設(shè)計(jì)的應(yīng)用效果理想是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新的重要體現(xiàn)。某商場(chǎng)空間的結(jié)構(gòu)概念化設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 某商場(chǎng)空間概念化設(shè)計(jì)

3.2 構(gòu)件與細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

構(gòu)件與細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)也是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。構(gòu)件設(shè)計(jì)主要包括對(duì)建筑材料的合理選擇，保證結(jié)構(gòu)配置的合理性，對(duì)構(gòu)件尺寸進(jìn)行合理選擇等，均為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中構(gòu)件優(yōu)化的主要內(nèi)容。在設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員需認(rèn)真考慮構(gòu)件的配筋情況，確保在施工過(guò)程中全部構(gòu)件配筋均處于配筋范圍內(nèi)。如果設(shè)計(jì)人員缺乏對(duì)構(gòu)件設(shè)計(jì)的重視，必然會(huì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新造成影響，同時(shí)在一定程度上導(dǎo)致安全隱患發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)增加。因此需做好構(gòu)件設(shè)計(jì)工作。細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)主要指在整體建筑構(gòu)件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)細(xì)節(jié)問(wèn)題進(jìn)行分析，具體包括圈梁、壓頂、立面線腳等設(shè)計(jì)工作。該類(lèi)設(shè)計(jì)工作極易被忽視，因此設(shè)計(jì)人員需加以重視，對(duì)細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，從細(xì)節(jié)到整體層面實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的有效控制。

4 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

1）建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需遵循全面考量與減輕自重的原則。在考量方面，需根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況，認(rèn)真分析建筑的長(zhǎng)期效益，在保證其功能正常應(yīng)用的基礎(chǔ)上，降低施工成本。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新需積極利用先進(jìn)技術(shù)、優(yōu)秀經(jīng)驗(yàn)，對(duì)設(shè)計(jì)工作進(jìn)行全面分析，滿(mǎn)足工程結(jié)構(gòu)要求。對(duì)減輕自重來(lái)說(shuō)，主要指減輕建筑物重量，設(shè)計(jì)階段需要對(duì)各構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化，確保建筑具有良好的抗震性能，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)自重的優(yōu)化。

2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需從實(shí)際情況出發(fā)，全面分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)各環(huán)節(jié)存在的問(wèn)題和情況。例如，認(rèn)真考慮自然環(huán)境對(duì)建筑可能造成的影響。另外，需遵循合理受力原則，設(shè)計(jì)人員需對(duì)受力、對(duì)稱(chēng)性等層面認(rèn)真分析建筑物的受力及變形影響因素，結(jié)合受力和變形情況，選擇具有良好抗力性能的建筑材料，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

5 基于建筑與結(jié)構(gòu)融合度提升的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新策略

5.1 建立完善的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化模型與設(shè)計(jì)方案

為促進(jìn)建筑和結(jié)構(gòu)的深度融合，需建立建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，完成模型創(chuàng)建后，明確設(shè)計(jì)方案。首先要明確整體參數(shù)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)水平有直接影響，參數(shù)的選擇需要考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，了解結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整體工作量；其次，在明確整體參數(shù)的前提下，需要明確目標(biāo)參數(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)各項(xiàng)要求進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。在選擇設(shè)計(jì)方案的過(guò)程中，需結(jié)合實(shí)際情況，分析不同建筑設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的差異性。在這一基礎(chǔ)上，加強(qiáng)對(duì)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)軟件的利用，通過(guò)精準(zhǔn)計(jì)算獲得最優(yōu)模型。

5.2 保證建筑年限的基礎(chǔ)上進(jìn)行階段性創(chuàng)新設(shè)計(jì)

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)人員強(qiáng)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化理念，這樣才能降低建造成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系進(jìn)行全面優(yōu)化，使建筑從整體層面得到優(yōu)化，保證建筑的美觀性和實(shí)用性能夠滿(mǎn)足人們的需求。為延長(zhǎng)建筑使用壽命，需要設(shè)計(jì)人員在建筑可使用年限內(nèi)，對(duì)各階段的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新。因此需要設(shè)計(jì)人員充分掌握各階段的工程情況，提高各階段設(shè)計(jì)方案的創(chuàng)新水平，延長(zhǎng)建筑壽命，提高其整體質(zhì)量。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在約束多、非線性等問(wèn)題，對(duì)設(shè)計(jì)工作的順利開(kāi)展造成阻礙。設(shè)計(jì)人員需對(duì)各階段進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新，在整體層面上進(jìn)行創(chuàng)新，解決相關(guān)問(wèn)題，為設(shè)計(jì)人員提供更優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

5.3 建筑主體上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新

近年來(lái)我國(guó)建筑行業(yè)發(fā)展迅速，國(guó)家出臺(tái)諸多支持政策，建筑行業(yè)具有良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)。但發(fā)展過(guò)程中的問(wèn)題也在不斷增加，對(duì)人們的生活造成不利影響。因此需要加強(qiáng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量和安全性的重視。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新已成為建筑單位的重點(diǎn)內(nèi)容?；诮ㄖ徒Y(jié)構(gòu)深度融合理念的指導(dǎo)，可對(duì)建筑上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新，這也是建筑結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的重點(diǎn)。設(shè)計(jì)過(guò)程中需根據(jù)具體情況，做好剪力墻設(shè)計(jì)工作，保證剪力墻的設(shè)計(jì)，使其具備均勻性的特點(diǎn)（見(jiàn)圖3），剪力墻的均勻分布能夠確保建筑上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。另外，在剪力墻設(shè)計(jì)時(shí)，盡量采用大開(kāi)間的設(shè)計(jì)方法，減少混凝土的應(yīng)用。同時(shí)需認(rèn)真考慮剪力墻鋼材鑄造的構(gòu)成情況，通過(guò)對(duì)上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新，有效降低施工成本，提高施工效率。

圖3 剪力墻結(jié)構(gòu)

5.4 建筑結(jié)構(gòu)和平面設(shè)計(jì)創(chuàng)新

在設(shè)計(jì)階段，需注重建筑整體結(jié)構(gòu)與平面設(shè)計(jì)的融合，在這一基礎(chǔ)上保證建筑美學(xué)和結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一性。通過(guò)建筑與結(jié)構(gòu)的深度融合，能夠進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系，避免墻面發(fā)生開(kāi)裂、錯(cuò)位等不良情況。對(duì)于承重較多的轉(zhuǎn)角位置，需注重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將高性能建材作為主要承重材料，在保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上滿(mǎn)足人們的審美需求，同時(shí)對(duì)整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系進(jìn)行優(yōu)化和創(chuàng)新。

6 結(jié)語(yǔ)

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新需充分結(jié)合實(shí)際情況，認(rèn)識(shí)到創(chuàng)新設(shè)計(jì)在整個(gè)設(shè)計(jì)中的重要性，促進(jìn)建筑與結(jié)構(gòu)的深度融合，在這一基礎(chǔ)上加強(qiáng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新的研究，有效提高建筑整體設(shè)計(jì)水平，滿(mǎn)足人們的需求，營(yíng)造更好的建筑空間環(huán)境，為建筑行業(yè)的發(fā)展夯實(shí)基礎(chǔ)。