概念設(shè)計在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用研究

畢正超，王 淼

（中核能源科技有限公司，北京 100080）

0 引言

在國民經(jīng)濟發(fā)展中，建筑行業(yè)屬于支柱性產(chǎn)業(yè)，必須高度重視結(jié)構(gòu)設(shè)計問題。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，常面臨多種不確定因素，當存在設(shè)計漏洞時就有可能引發(fā)安全事故，對和諧社會建設(shè)危害影響大。為規(guī)避不良問題，需結(jié)合結(jié)構(gòu)概念、設(shè)計過程，并考慮多種因素，對主體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案予以完善，確保施工工序安排的合理性，落實各項措施。通過大量建筑案例可知，融合概念設(shè)計措施，可加強主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量，縮短工程建設(shè)周期，提高工程效益。

1 概念設(shè)計的內(nèi)涵

在建筑設(shè)計實踐中，設(shè)計人員需掌握設(shè)計方向，對多種資料進行采集和整理，保證設(shè)計材料分析的客觀性。在設(shè)計實踐中，還要分析具體流程、方案內(nèi)容，并要調(diào)整方案內(nèi)容，提升建筑施工方案的契合度。在概念設(shè)計應(yīng)用中，要求相關(guān)人員對工程相關(guān)因素進行分析，如工程環(huán)境、功能、形態(tài)等。因此在建筑工程中，合理應(yīng)用概念設(shè)計法，要求設(shè)計人員具備較高的業(yè)務(wù)能力，并且能夠準確分析工程設(shè)計的影響因素，多方面探索概念設(shè)計方案，以保障建筑結(jié)構(gòu)的實用性。

2 概念設(shè)計在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的必要性

2.1 優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，合理應(yīng)用概念設(shè)計法，建立建筑整體架構(gòu)，通過對比方法，可保證結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的合理性，同時能夠?qū)ㄖY(jié)構(gòu)進行完善。應(yīng)用概念設(shè)計法，要求設(shè)計人員基于整體角度，深入分析建筑結(jié)構(gòu)，充分考慮到設(shè)計框架問題，從而減少設(shè)計量，降低設(shè)計壓力。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中也要引入概念設(shè)計，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的科學(xué)性，從而提高工程質(zhì)量。

2.2 創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計方式

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的資料需求較多，設(shè)計人員應(yīng)具備豐富的經(jīng)驗，通過創(chuàng)新思維，完善結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容。概念設(shè)計可提升設(shè)計效率，從而獲得優(yōu)質(zhì)的設(shè)計效果。在具體工作中，參考以往設(shè)計經(jīng)驗，總結(jié)歸納后獲得新思路，并按照具體設(shè)計要求進行完善，從而體現(xiàn)出設(shè)計思路。通過此種方式能夠減少結(jié)構(gòu)設(shè)計的不良問題，確保方案內(nèi)容合規(guī)化。但在具體應(yīng)用中對于計算機的依賴度較強，很難判斷結(jié)構(gòu)計算的準確性，無法及時發(fā)現(xiàn)質(zhì)量、安全隱患，屬于缺少概念設(shè)計的表現(xiàn)。設(shè)計人員相互交流理念，能夠激發(fā)出新的設(shè)計靈感，創(chuàng)新設(shè)計方案，以滿足工程施工要求。

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

3.1 場地選擇

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，設(shè)計質(zhì)量會影響后續(xù)施工質(zhì)量。保證施工場地選擇的適宜性，可順利實施設(shè)計方案。在選擇工程場地時可應(yīng)用概念設(shè)計法，以綜合考慮地形因素。不同建筑的地形條件差異大，且地形對建筑穩(wěn)定性影響大。按照具體情況，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，以免地形危害結(jié)構(gòu)質(zhì)量。此外，在應(yīng)用概念設(shè)計法時，還要考慮地質(zhì)因素，要求設(shè)計人員勘察施工現(xiàn)場，從而掌握水文地質(zhì)因素。此外，深入分析抗震因素，確定抗震指標，提升建筑結(jié)構(gòu)安全度。

3.2 結(jié)構(gòu)方案選擇

在建筑設(shè)計中，結(jié)構(gòu)設(shè)計對設(shè)計質(zhì)量影響非常大，因此相關(guān)人員要選擇適宜的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，以免影響后續(xù)施工，導(dǎo)致工程質(zhì)量下降。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，通過應(yīng)用概念設(shè)計法，要求設(shè)計人員遵照實際要求，篩選出最佳設(shè)計方案，要點如下：全面落實施工前期準備，派遣專人考察氣候環(huán)境、地質(zhì)環(huán)境、地形特征等，從而掌握建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的要點，保障建筑結(jié)構(gòu)的安全性；結(jié)構(gòu)設(shè)計成果對建筑質(zhì)量影響大，在明確設(shè)計外部因素后，也要掌控內(nèi)部因素；在概念設(shè)計過程中，設(shè)計人員要掌握設(shè)計質(zhì)量規(guī)范，將其融入工程標準內(nèi)，保證建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，同時提升建筑施工質(zhì)量。所以在選擇結(jié)構(gòu)方案時，要分析多個因素，保證選擇的適宜性，為后續(xù)工程提供依據(jù)。某建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

3.3 抗震設(shè)計

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，抗震設(shè)計屬于重要內(nèi)容，優(yōu)化抗震設(shè)計可保證建筑穩(wěn)定性，提高建筑的災(zāi)害抵御力，降低地震災(zāi)害的影響。在具體設(shè)計中，設(shè)計人員應(yīng)立足于地區(qū)實際情況，明確混凝土強度等級。在工程建設(shè)中，混凝土屬于重要的材料，因此要使其性能、質(zhì)量達標，保證建筑結(jié)構(gòu)剛度與耐久性。事前測評施工區(qū)域的地震級別，為設(shè)計人員提供數(shù)據(jù)依據(jù)。在檢測過程中，若發(fā)現(xiàn)工程區(qū)地震力較高，則要增加配筋數(shù)量。設(shè)計人員要正確認知配筋數(shù)量與建筑抗震能力的關(guān)系，按照測量放樣結(jié)果進行調(diào)整。在應(yīng)用概念設(shè)計法時，要求設(shè)計人員通過BIM技術(shù)對地震發(fā)生過程進行仿真模擬，從而客觀分析抗震設(shè)計的科學(xué)性，彌補設(shè)計漏洞，對建筑抗震性能予以優(yōu)化。

3.4 平面設(shè)計

為提高建筑抗震能力，在建筑平面設(shè)計時需綜合考慮結(jié)構(gòu)部署情況，合理控制建筑結(jié)構(gòu)扭矩度，以免遇到薄弱連接問題。在局部位置設(shè)置抗震縫，通過此種方式，將現(xiàn)存結(jié)構(gòu)細化為不同抗震單元。根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的平面特征可知，當高度持續(xù)增加時，其承受風(fēng)壓相應(yīng)增加。檢測計算后得知，圓形建筑的平面風(fēng)荷載矩形面小，且不同位置的平面剛度接近，需將抗側(cè)力柱布設(shè)在建筑周邊，從而加強建筑的抗側(cè)剛度。優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，編制科學(xué)的設(shè)計方案，根據(jù)結(jié)構(gòu)特征、環(huán)境特征，科學(xué)應(yīng)用概念設(shè)計原理，對坡面設(shè)計進行優(yōu)化，減少設(shè)計漏洞。

3.5 縱向設(shè)計

在建筑抗側(cè)力結(jié)構(gòu)設(shè)計時，由于結(jié)構(gòu)剛度遵循由上至下分布法，為降低突發(fā)事件率，需降低結(jié)構(gòu)對水平荷載力的抵抗。在建筑縱向結(jié)構(gòu)設(shè)計中，加強或減弱處理建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件。當建筑結(jié)構(gòu)規(guī)模較大時，設(shè)計人員應(yīng)用高剛度束筒，從而獲得良好的節(jié)能減震效果。分析建筑結(jié)構(gòu)特征可知，開展結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐時，需融合創(chuàng)新設(shè)計理念，通過斜拉索模式，確?？臻g環(huán)境的安全度。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，合理應(yīng)用概念設(shè)計法，完善結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，在提升結(jié)構(gòu)設(shè)計效率的同時，維護設(shè)計方案的合理性。

3.6 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計

建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計對建筑穩(wěn)定性影響大，所以要確保方案的精確度。在概念設(shè)計中，要求設(shè)計人員掌握地區(qū)地形地貌，合理應(yīng)用大數(shù)據(jù)，對區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)進行采集和分析，從而優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，提升輔助施工水平。箱形基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)屬于常見地基形式，在應(yīng)用時能創(chuàng)造出高價值。因此，在基礎(chǔ)選型中，應(yīng)注重基礎(chǔ)承載力、變形沉降量的分析。如果建筑層數(shù)較高，則應(yīng)用樁基礎(chǔ)，合理控制變形量，發(fā)揮調(diào)控作用。

3.7 協(xié)同工程設(shè)計與材料利用率

協(xié)同工程設(shè)計的目的是要合理應(yīng)用材料。通常情況下，當材料的利用率越高，則結(jié)構(gòu)協(xié)同度越高，多數(shù)企業(yè)都希望通過低成本獲得高效益，所以要充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)材料的作用，比如梁構(gòu)件的演變。矩形截面梁屬于普通受彎構(gòu)件，材料利用率較低，應(yīng)根據(jù)梁的受力特點，做好結(jié)構(gòu)概念分析。由于梁截面存在應(yīng)變梯度，當構(gòu)件為軸心受力時，能夠提升材料的使用效率，平面桁架理解為掏空梁，即將梁內(nèi)的多余材料去除，經(jīng)濟性高，且自重優(yōu)勢強，桁架的上弦相當于梁體受壓邊下弦。在規(guī)則桁架內(nèi)，腹桿受力、梁主拉壓應(yīng)力方向相同，將桁架外形設(shè)計為類似于彎矩的形狀，可保證桁架弦桿均勻受力。在桁架中，分布多個壓桿的強度，但并非由桿件截面材料的強度決定，而是由穩(wěn)定性決定強度。所以在平面桁架設(shè)計時，需降低壓桿長細比。單純加大截面積也屬于可行的方法，但不是理想方法，尤其是上弦桿，要加大平面外剛度，并施加約束力。如果將平面外支撐與桁架連接，就會導(dǎo)致平面桁架變?yōu)榻徊骅旒??？臻g網(wǎng)架材料的使用率高，可推廣到大空間、大跨度結(jié)構(gòu)中，然而在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)內(nèi)包含壓桿，所以應(yīng)力水平較低，此時就無法應(yīng)用高強材料。通過消除結(jié)構(gòu)壓桿，可采用懸索結(jié)構(gòu)，以提升桿件的應(yīng)力水平。當材料利用率較高時，可充分利用高強材料，同時施加外應(yīng)力。在超大跨度結(jié)構(gòu)中，首選懸索結(jié)構(gòu)。分析混凝土基礎(chǔ)理論可知，其可發(fā)揮出各項材料的性能與作用，實現(xiàn)協(xié)同施工。鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土的區(qū)別在于，將兩種材料結(jié)合使用后可發(fā)揮各自優(yōu)勢，還可反映人們對混凝土協(xié)同施工的認知。在協(xié)同施工中，要遵循整體工作原則。隨著概念設(shè)計重要性的提升，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員需具備深厚理論，并且要學(xué)習(xí)優(yōu)秀的設(shè)計思想，確保每項設(shè)計的精益化水平。

3.8 計算機分析

計算機技術(shù)應(yīng)用可提升工程管理效率。計算機技術(shù)可減少設(shè)計工作量，確保數(shù)據(jù)計算準確性，同時提升設(shè)計水平。但設(shè)計過程對計算機工具的過度依賴會導(dǎo)致工程人員學(xué)習(xí)積極性降低，阻礙專業(yè)技術(shù)的學(xué)習(xí)。通過計算機技術(shù)，盡管可提升設(shè)計人員的結(jié)構(gòu)設(shè)計效率，但當軟件選擇不合理或人員工作能力較弱時，會對最終設(shè)計結(jié)果產(chǎn)生影響。概念設(shè)計能彌補計算機技術(shù)的不足，要求設(shè)計人員深入分析建筑設(shè)計需求，明確結(jié)構(gòu)設(shè)計目標，制定具備可行性的施工方案，并可優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。

4 結(jié)語

隨著建筑行業(yè)的高速發(fā)展，對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計提出較高要求。設(shè)計人員可通過概念設(shè)計理念，提升結(jié)構(gòu)設(shè)計水平，深入分析業(yè)主需求，明確結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。必要時，聯(lián)合業(yè)主、結(jié)構(gòu)技術(shù)要求，綜合評估設(shè)計方案，并按照評估意見改進設(shè)計閥桿，提升建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計安全性。