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

賈晉

北京石大東方工程設(shè)計(jì)有限公司 北京 102200

引言

市場經(jīng)濟(jì)為建筑行業(yè)帶來了更大的發(fā)展可能性。在各種類型及規(guī)模的建筑項(xiàng)目中，有關(guān)人員需注重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，這是決定工程結(jié)構(gòu)整體安全性的重要因素。目前在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中陸續(xù)出現(xiàn)了很多新理念、新方法與新技術(shù)，但為達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)效果，有關(guān)人員需合理應(yīng)用概念設(shè)計(jì)思想，采取多樣化結(jié)構(gòu)措施，保障結(jié)構(gòu)整體與局部的合理性。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是影響建筑功能效益、質(zhì)量安全的關(guān)鍵方面，在未來的各個(gè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需大力推廣概念設(shè)計(jì)，建立科學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)路徑。

1 概念設(shè)計(jì)的基本概念

1.1 概念設(shè)計(jì)的內(nèi)涵

目前的建筑市場上，許多建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中都采用了概念設(shè)計(jì)的相關(guān)理論。具體的設(shè)計(jì)工作中設(shè)計(jì)人員需依據(jù)設(shè)計(jì)概念來評(píng)估建筑設(shè)計(jì)計(jì)劃的合理性、規(guī)范性與可行性，與此同時(shí)還需結(jié)合自身的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，從宏觀角度確定建筑結(jié)構(gòu)形狀，參考行業(yè)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)確定結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，適當(dāng)使用隔振裝置，達(dá)到建筑結(jié)構(gòu)安全、穩(wěn)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)[1]。依據(jù)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，概念設(shè)計(jì)對(duì)建筑設(shè)計(jì)有直接影響，不僅關(guān)乎建筑的整體安全性，也與施工周期、項(xiàng)目投資等有關(guān)。如能在設(shè)計(jì)中合理應(yīng)用概念設(shè)計(jì)方法，在一定程度上可減少估算、計(jì)算錯(cuò)誤的現(xiàn)象，使有關(guān)人員從經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性、安全性等角度優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)。

1.2 概念設(shè)計(jì)的實(shí)施步驟

目前，建筑行業(yè)內(nèi)的工程設(shè)計(jì)中越發(fā)注重概念設(shè)計(jì)，此設(shè)計(jì)工作一般涉及分析、綜合、評(píng)估與完成幾個(gè)階段，每一階段都有其特定的工作目標(biāo)，只有順利完成了每一階段的設(shè)計(jì)任務(wù)，方可進(jìn)入下一環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)階段。如某一階段的設(shè)計(jì)工作達(dá)不到預(yù)期，應(yīng)重新進(jìn)行相應(yīng)的工作，直到符合要求。概念設(shè)計(jì)的流程如下：①分析階段。此階段需獲取與建筑有關(guān)的各種信息，整合這些信息并進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算與分析，作為后續(xù)設(shè)計(jì)的參考。②綜合階段。此階段的工作中設(shè)計(jì)人員需依據(jù)自身的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并利用行業(yè)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，考慮建筑現(xiàn)場的具體情況及設(shè)計(jì)要求，制定總體的設(shè)計(jì)計(jì)劃，將該計(jì)劃以圖紙方式來呈現(xiàn)。③評(píng)估階段。此階段有關(guān)人員需從綜合性角度評(píng)估前期所制定的設(shè)計(jì)計(jì)劃，重點(diǎn)要分析該計(jì)劃是否可行、是否與行業(yè)規(guī)范相一致。與其他環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)工作相比，評(píng)估階段的工作呈現(xiàn)周期性特征，當(dāng)設(shè)計(jì)工作符合標(biāo)準(zhǔn)后進(jìn)入下一環(huán)節(jié)的工作，具體的評(píng)估過程中應(yīng)創(chuàng)建完善的功能模型，在該模型中輸入各種公式，后續(xù)評(píng)估中可直接在該模型中進(jìn)行自動(dòng)對(duì)比、分析，從綜合性角度優(yōu)選方案。④完成階段。依據(jù)已定義的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)劃執(zhí)行相應(yīng)操作。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要措施

2.1 科學(xué)選取建筑場地

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，前期的選址工作尤為重要。許多建筑都有抗震性、安全性規(guī)定，前期選址時(shí)應(yīng)優(yōu)先選擇高抗震性區(qū)域。同一棟建筑物的不同建筑工地，其抗震特性有大有小，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工中需重點(diǎn)關(guān)注這一部分。地震作用力影響下不僅需關(guān)注基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性，還需分析上部結(jié)構(gòu)的承載力，在此條件下選定基礎(chǔ)、上部結(jié)構(gòu)及其他局部位置的結(jié)構(gòu)形式，將建筑建在合適位置。

2.2 科學(xué)合理的選擇結(jié)構(gòu)材料

任何類型的建筑工程建設(shè)中都涉及了多種材料，材料類型及特性也是影響工程結(jié)構(gòu)性能的重要因素。在利用結(jié)構(gòu)措施優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)時(shí)，相關(guān)人員需優(yōu)選材料，主要需做好以下工作：①鋼材與混凝土，這類型材料為建筑結(jié)構(gòu)中的普遍性材料，但因?yàn)槭袌錾系倪@些材料種類繁多，為有效確保這些材料的性能與工程結(jié)構(gòu)要求相一致，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)比。對(duì)于一般性建筑工程項(xiàng)目，應(yīng)使用強(qiáng)度等級(jí)在C25以上的混凝土。為縱向加固各結(jié)構(gòu)元件，施工作業(yè)中應(yīng)采用高強(qiáng)度鋼筋[2]。②根據(jù)需求選用新型材料。建筑行業(yè)穩(wěn)步發(fā)展的過程中，在行業(yè)內(nèi)陸續(xù)出現(xiàn)了各種新型材料，通過應(yīng)用新材料與舊材料，可有效發(fā)揮新材料的優(yōu)勢，提高建筑的結(jié)構(gòu)性能。

2.3 合理選擇建筑結(jié)構(gòu)體系

在概念設(shè)計(jì)下設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，有關(guān)人員應(yīng)確保結(jié)構(gòu)體系有明確的地震作用傳遞途徑。第一，在布置樓屋蓋梁系時(shí)，應(yīng)盡量使垂直重力荷載以最短的路徑傳遞到豎向構(gòu)件墻、柱上；第二，布置豎向構(gòu)件時(shí)，應(yīng)使此類構(gòu)件在垂直重力荷載作用下的壓應(yīng)力水平接近均勻，以防止豎向構(gòu)件之間壓應(yīng)力的二次轉(zhuǎn)移現(xiàn)象；第三，布置轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)盡可能使上部結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件傳來的垂直重力荷載通過轉(zhuǎn)換層一次或者多次轉(zhuǎn)換，也就是能正常傳遞到豎向構(gòu)件中；第四，整體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)應(yīng)明確，傳力應(yīng)直接，抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系主要為框架、剪力墻形成，這些之間應(yīng)貫通連續(xù)，如這些沿豎向有變化，變化應(yīng)緩慢且均勻。

2.4 抗震設(shè)計(jì)

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的抗震概念設(shè)計(jì)，就是要保障建筑整體結(jié)構(gòu)可耗散地震能量，防止地震過程中建筑中有薄弱敏感區(qū)域。一旦地震能量僅集中在個(gè)別薄弱區(qū)域，將破壞整體結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)代建筑中抗震設(shè)計(jì)十分重要，相關(guān)人員需基于對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)在耗散地震能量方面的作用，以小地震作用為前提計(jì)算結(jié)構(gòu)受力情況，確定構(gòu)件截面，并選定構(gòu)造措施，具體可通過彈性時(shí)程分析來實(shí)現(xiàn)補(bǔ)充計(jì)算。為提高建筑抗震概念設(shè)計(jì)水平，主要需關(guān)注以下方面：應(yīng)選擇利于抗震的場地與地基，并采用相應(yīng)的措施維護(hù)地基穩(wěn)固性，以應(yīng)對(duì)地基變形現(xiàn)象；基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循合理性規(guī)定，屬于同一結(jié)構(gòu)的單元部分不應(yīng)設(shè)置于不同性質(zhì)的地基上，也不得選擇不同的基礎(chǔ)形式；在選擇建筑物體型時(shí)，應(yīng)遵循對(duì)稱、規(guī)則、簡單性原則，確保質(zhì)量、剛度的變化具有均勻性，以應(yīng)對(duì)地震導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3 概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)措施在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目概況

某大型建筑，總共25層，地上、地下分別23層、2層，總建筑面積29000萬m2。綜合本項(xiàng)目建設(shè)情況，安排專人進(jìn)入現(xiàn)場展開了一系列調(diào)研，項(xiàng)目所在地屬于Ⅲ類土質(zhì)，結(jié)構(gòu)主體選擇剪力墻。由于本項(xiàng)目所在地特征，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)確保具有8度的抗震設(shè)防烈度級(jí)別。

3.2 實(shí)踐應(yīng)用

3.2.1 合理選擇施工場地。針對(duì)本建筑項(xiàng)目，在利用概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)措施進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，關(guān)鍵應(yīng)做好前期的選址工作，在恰當(dāng)?shù)膱龅厣辖ㄔO(shè)項(xiàng)目，當(dāng)確定場地位置后再依據(jù)場地內(nèi)的地基類型，做好基礎(chǔ)處理。本項(xiàng)目中當(dāng)相關(guān)人員完成了立項(xiàng)任務(wù)后，為保障設(shè)計(jì)工作的高效開展，有關(guān)人員需按照要求開展設(shè)計(jì)準(zhǔn)備工作。首先，本項(xiàng)目有嚴(yán)格的基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)定，最初設(shè)計(jì)中企業(yè)需安排專人進(jìn)入現(xiàn)場展開一系列調(diào)研，分析建設(shè)場地內(nèi)的土壤、水文等基本情況，獲得完整且準(zhǔn)確的地質(zhì)勘察結(jié)果，將此結(jié)果作為設(shè)計(jì)依據(jù)。有關(guān)人員進(jìn)入現(xiàn)場開展了一系列調(diào)研后，發(fā)現(xiàn)場地、四周均無斷裂現(xiàn)象，也未存在明顯的不利地質(zhì)條件。工程企業(yè)邀請(qǐng)多個(gè)專家進(jìn)行了評(píng)估與分析后，所選擇場地穩(wěn)定性較好，基本能滿足工程施工要求。其次，在確定工程場地時(shí)，有關(guān)人員還需要從多個(gè)角度做好地基基礎(chǔ)的選型工作，由專人根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果，考慮工程建設(shè)的結(jié)構(gòu)要求，進(jìn)行受力分析與計(jì)算[3]。統(tǒng)計(jì)地質(zhì)勘察、受力結(jié)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)本項(xiàng)目擬建設(shè)場地在海平面以下7m的區(qū)域，施工作業(yè)中面臨濕陷性黃土條件。最后，根據(jù)上述的分析結(jié)果，為達(dá)到結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，施工企業(yè)需為結(jié)構(gòu)施工配備專業(yè)化設(shè)備。另外，在地下一層的層高為3.3m，地下2層的層高為3m。綜上，本項(xiàng)目中選擇的是筏形基礎(chǔ)，厚度為1.4m。施工建設(shè)期間遇到濕陷性土層時(shí)，為與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求相一致，需將濕陷性土層全部挖除。

3.2.2 改善結(jié)構(gòu)抗震性能。建筑行業(yè)在穩(wěn)步發(fā)展的過程中，人們對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了全新的要求，在任何一個(gè)建筑項(xiàng)目中，抗震設(shè)計(jì)都應(yīng)作為重點(diǎn)部分。在建筑抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)以概念設(shè)計(jì)為基準(zhǔn)，綜合利用各種結(jié)構(gòu)措施，使設(shè)計(jì)人員轉(zhuǎn)變?cè)O(shè)計(jì)思路，采用多樣化設(shè)計(jì)方法。在本建筑項(xiàng)目中，為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗震性，設(shè)計(jì)人員主要需注意以下方面：①全面統(tǒng)計(jì)與本項(xiàng)目有關(guān)的數(shù)據(jù)，由專人分析與結(jié)構(gòu)抗震性能有關(guān)的數(shù)據(jù)，總結(jié)影響抗震性能的關(guān)鍵因素。在其他條件都符合要求的情況，建筑材料的性能對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性的影響較大，正式施工之前有關(guān)人員需對(duì)比多種原材料的性能。②按照本項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，從已有的數(shù)據(jù)中獲取各種結(jié)構(gòu)參數(shù)、防震數(shù)據(jù)。本項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中為選出符合要求的材料，企業(yè)安排專人市場展開了一系列調(diào)研，分析了可用材料的類型，以及每一種材料的生產(chǎn)廠家、性能參數(shù)、價(jià)格、優(yōu)缺點(diǎn)等，從選出的幾種可用材料中又進(jìn)行了更為細(xì)化的對(duì)比。③確定與生產(chǎn)要素相一致的原材料驗(yàn)收基礎(chǔ)、使用和生產(chǎn)指標(biāo)，在建筑結(jié)構(gòu)的各個(gè)部分合理應(yīng)用原材料，發(fā)揮原材料的性能優(yōu)勢。與此同時(shí)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的各個(gè)部分，都需結(jié)合每一部分的結(jié)構(gòu)需求適當(dāng)調(diào)整材料尺寸等參數(shù)，以剪力墻為例，設(shè)計(jì)中應(yīng)通過指標(biāo)化方式確定剪力墻材料使用部位，以及材料參數(shù)，以保障材料能在局部結(jié)構(gòu)中發(fā)揮作用，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)性能。④設(shè)計(jì)人員需全面總結(jié)其概念設(shè)計(jì)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，完整列出施工階段的全部作業(yè)要素、建設(shè)指標(biāo)，生成清單，使設(shè)計(jì)人員規(guī)范應(yīng)用各種原材料，優(yōu)化建筑抗震性能[4]。

3.2.3 設(shè)好防震縫及后澆帶。從建筑結(jié)構(gòu)完整性角度，當(dāng)達(dá)到了基本的設(shè)計(jì)規(guī)定后，應(yīng)減少“設(shè)縫”。但是，從概念設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)措施的角度，在許多建筑中都必須合理“設(shè)縫”。因此，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中為凸顯“設(shè)縫”在結(jié)構(gòu)體系中的作用，設(shè)計(jì)人員需做好總體性的結(jié)構(gòu)分析，選定“設(shè)縫”位置，并同步給該位置設(shè)計(jì)防水、保溫方案?！霸O(shè)縫”具有較高的技術(shù)要求，結(jié)構(gòu)施工中如“設(shè)縫”過多，不僅增大了施工難度和建設(shè)成本，也無法保障建筑的美觀性。常規(guī)性建筑中比較常見的有防震縫、伸縮縫、沉降縫，為提高這些結(jié)構(gòu)縫的施工水平，有關(guān)人員需從實(shí)際需求方面采取更有針對(duì)性的設(shè)計(jì)措施，不僅需確保結(jié)構(gòu)縫數(shù)量、類型的合理性，也需將各類結(jié)構(gòu)縫布設(shè)在恰當(dāng)?shù)奈恢肹5]。為達(dá)到本建筑項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與安全標(biāo)準(zhǔn)，需給結(jié)構(gòu)體系設(shè)置防震縫、后澆帶，前者用于減震，后者可替代伸縮縫。綜合本項(xiàng)目的各種參數(shù)，建筑體型為“十”字形連拼體型，建筑高度較大，在設(shè)置了防震縫與后澆帶后，可改善結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)，控制溫度應(yīng)力。

3.2.4 靈活調(diào)整系數(shù)。任何類型及規(guī)模的建筑項(xiàng)目，為達(dá)到結(jié)構(gòu)目標(biāo)，都需保持概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)措施的協(xié)調(diào)性，以概念設(shè)計(jì)為基準(zhǔn)，合理調(diào)整系數(shù)。首先，實(shí)際周期折減系數(shù)。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中這一系數(shù)為關(guān)鍵參數(shù)，以框架結(jié)構(gòu)為例，其剛度與建筑總剛度成正比，與實(shí)際周期折減系數(shù)呈反比，在此關(guān)系下，如實(shí)際周期折減系數(shù)呈減小趨勢，具體剛度將伴隨著總剛度的增大而增大。常規(guī)條件下實(shí)際周期折減系數(shù)一般在0.8～1之間，以此為規(guī)范，本項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)情況符合標(biāo)準(zhǔn)。其次，振型數(shù)、高寬比。為檢驗(yàn)這一參數(shù)是否符合結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)人員需按照結(jié)構(gòu)的非規(guī)則特性，通過扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)振型分解方式來展開詳細(xì)分析。本建筑項(xiàng)目中有超過15個(gè)以上的振型數(shù)。一旦擬建設(shè)項(xiàng)目為多塔形式，需依據(jù)超過9倍塔數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)來確定振型數(shù)。再次，豎向荷載。市場上許多建筑的豎向荷載對(duì)梁結(jié)構(gòu)有一定的作用力，考慮到這一受力特性，設(shè)計(jì)人員在確定負(fù)彎梁端調(diào)幅系數(shù)時(shí)，必須參考荷載大小值，必要情況下設(shè)置跨中彎矩，以保障梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)束語

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度較大、技術(shù)要求高，為在當(dāng)下設(shè)計(jì)出符合人們需求的建筑，設(shè)計(jì)人員需根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，以概念設(shè)計(jì)為基準(zhǔn)，采取一系列結(jié)構(gòu)措施，優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)并調(diào)節(jié)局部結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的美觀性、安全性、經(jīng)濟(jì)性。