论述建筑结构设计中概念设计的应用

摘要：本文阐述了概念设计的定义及进行概念设计的意义和一般原则, 强调了概念设计的重要性,并从结构设计过程的一些方面阐述了如何进行概念设计。

关键词：建筑结构；概念设计；结构设计

概念设计的宗旨是在特定的建筑空间及环境条件下, 用整体概念来考虑结构的总体方案, 并能有意识地发挥和利用结构总体系和各基本分体系之间的力学特性与关系。建筑物是一个整体空间结构, 各种构件以相当复杂的方式共同工作, 并不是脱离总的结构体系的单独构件。作为结构工程师, 不应过度依赖计算机和盲目照搬规范, 应把概念设计应用到实际工作中去。

1概念设计的定义

结构设计分为理论和概念设计。理论设计是结构工程师根据计算理论和规范, 在对结构进行计算模型的假设及受力状态的假定的前提下, 对结构进行计算分析, 得出数据式的结果, 然后利用结果进行设计。概念设计是指不经数值计算, 尤其在一些难以做出精确理性分析或在规范中难以规定的问题中, 依据整体结构体系与分体系之间的力学关系、结构破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的基本设计原则和设计思想, 从整体的角度来确定建筑结构的总体布置和抗震细部措施的宏观控制。

在建筑设计的方案阶段, 从总体出发, 采用概念性近似计算方法, 能迅速、有效地对结构体系进行构思、比较和选择。这种方法虽有一定误差, 但概念清楚、定性准确、手算简单快捷, 能很快选择出最佳方案, 具有较好的经济、可靠性能, 同时也是施工图设计阶段判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。

2概念设计的意义

概念设计的应用面非常广泛,几乎蕴含了所有的结构设计。在不确定因素多、受力状况变化较大的抗震设计、高层建筑设计、基础设计中, 概念设计的应用尤显重要和突出。

概念设计的重要性, 主要体现在三方面：一是因为现行的结构设计理论与计算理论存在许多缺陷或不可计算性。为了弥补计算理论的缺陷, 或实现对实际存在的大量无法计算的结构构件的设计, 都需要用概念设计来满足结构设计的目的。二是由于在方案设计阶段, 初步设计过程是不能借助于计算机来实现的。这就需要结构工程师综合运用其掌握的结构概念, 选择效果最好、造价最低的结构方案。概念设计在设计人员中提得比较多, 但往往被人们片面地理解, 认为其主要是用于一些大的原则, 如确定结构方案、结构布置等。其实, 在设计中任何地方都离不开科学的概念作指导。三是由于计算机计算结果的高精度, 容易给结构设计人员带来对结构工作性能的误解, 过分地依赖于计算机和设计软件, 进行习惯性、传统的结构设计, 对计算结果明显不合理、甚至错误的地方不能及时发现, 使许多的建筑结构留下安全隐患因此, 概念设计在结构设计中具有重要的地位。

3 概念设计的一般原则

3.1合理选择结构方案, 形成良好结构体系

一个成功的设计必须选择一个经济合理的结构方案,即要选择一个切实可行的结构形式和结构体系。必须对工程的设计要求、地理环境、材料供应、施工条件等情况进行综合分析, 并与建筑、水、电等专业充分比商, 在此基础上进行结构选型, 确定结构方案, 必要时还应进行多方案比较,择优选用。

要形成良好的结构体系, 要求结构构件在承载能力极限状态下能共同受力、共同变形、协同工作, 有相同的耐久性, 同时达到极限状态。还要正确处理基础与上部结构之间的关系, 必须把基础与上部结构视为一个有机的整体, 不能把二者割裂开来。

3.2恰当选用计算简图, 正确分析计算结果

结构计算是在计算简图的基础上进行的, 计算简图选用不当而导致结构安全事故屡有发生, 因此选择恰当的计算简图是确保结构安全的重要条件。计算简图应有相应的构造措施来保证。

由于软件种类繁多, 不同软件往往会导致不同的计算结果, 加之由于程序与结构某处实际情况不相符合、或人工输入有误、或软件本身有缺陷均会导致错误的计算结果, 因此工程师的知识、经验是不可缺少的, 工程师应全面了解程序的适用范围、技术条件等, 认真分析计算结果, 慎重校核, 做出合理判断, 不可迷信电脑。

4概念设计的应用

4.1抗震概念设计

地震具有难以把握的复杂性和动态变化的特点, 要准确地预见建筑物所遭遇的地震特性及详细参数, 是难以做到的。只有辅以准确的概念设计, 在宏观上对抗震结构进行控制，正确分析计算结果, 合理地对薄弱环节采取构造加强措施,才能在经济合理的前提下, 设计出抗震性能优良的建筑。为了保证建筑具有足够的抗震能力, 通过概念设计从宏观上控制结构的抗震性能应充分考虑以下环节：①选择对抗震有利的场地及地基, 避免地面变形的直接危害, 采取措施保证地基的稳定性。②进行合理的基础设计, 同一结构单元不宜设置在性质不同的地基土上, 不宜采用不同的基础形式, 设计时宜最大限度地发挥地基的潜力。③建筑物的体型应力求简单、规则、对称, 质量和刚度变化均匀, 以减少地震作用产生的变形、应力集中及扭转反应。④选择合理的结构体系, 抗侧力构件力求均匀对称, 设多道抗震防线, 避免局部出现薄弱部位, 要求结构布置受力明确, 传力简捷。⑤各类构件之间要有可靠的连接, 并具有必要的强度和变形能力, 从而获得整个结构良好的抗震性能。⑥强调结构空间整体性, 平面加强连接, 竖向确保足够的整体刚度。⑦重视对非结构构件的处理, 利用其对主体结构的有利影响, 避免不合理设置导致对主体结构的不利影响。⑧尽量减轻结构自重,减少地基土压力, 从而降低向建筑物传输的地震力。

4.2高层建筑结构概念设计

高层建筑结构概念设计中以下几个问题值得重视：①正确认识高层建筑的受力特点, 选择合理的结构类型。高层建筑的受力特点不同于低层建筑。高层建筑从本质上讲是一个竖向悬臂结构, 水平荷载的影响要远远大于垂直荷载的影响, 水平荷载是结构设计的控制因素。结构抵抗水平荷载产生的弯矩、剪力以及拉应力和压应力应有较大的强度和足够的刚度, 使随着高度增加所引起的侧向变形限制在结构允许范围内。由于高层建筑的受力特点, 选择切实可行的结构类型是非常必要的。②正确选择合理的结构体系。由于高层建筑中抗水平力成为设计的主要矛盾, 因此采用何种抗侧力结构是结构设计的关键性问题。选择高层建筑结构抗侧力体系通常需要考虑的两个主要原因是建筑物的高度和用途。③选择合理的结构布置。结构布置的合理与否很大程度影响着建筑的使用、结构的经济性和施工的合理性。结构布置不当,常常造成薄弱环节, 引起震害。在结构布置时, 应加强结构的整体性及刚度, 加强构件的连接, 加强结构的薄弱部位和应力复杂部位的强度。④提高结构的抗震性能。由于高层建筑的受力特点不同于低层建筑, 因此在地震区进行高层建筑结构设计时, 除应保证结构具有足够的强度和刚度外, 还应具有良好的抗震性能, 结构必须具有一定的塑性变形能力来吸收地震所产生的能量, 减弱地震破坏的影响。

4.3基础中的概念设计

地基土的不确定性很强, 至今还没有哪个模型能够对其作精确的描述。因此, 在基础的设计中, 更需要根据基本理论知识及丰富的实践经验, 分析、预见可能出现的各种问题,从而找到合理的处理方案。因此, 概念设计在基础设计中的作用尤为重要。建筑结构设计常规的方法是将上部结构、基础作为彼此独立、离散的结构单元进行力学分析。实践表明, 这种常规法计算得到的基底应力和基础沉降量往往与实测值相差甚远。事实上, 基础问题的解决不宜单纯只着眼于基础。在上部结构设计过程中, 应该注意由于地基沉降变形差异而引起的上部结构次应力、开裂等不良现象。所以应该把基础和上部结构视为一个统一的整体, 从二者相互作用的概念出发来考虑基础方案。当然, 整体的相互作用分析相当复杂, 合理的方法应该从二者之间满足静力平衡和变形协调两个条件出发进行分析。设计人员除了具备土力学、地基基础的基本理论知识外, 还应该掌握基础与上部结构相互作用的基本概念、原理, 了解基础刚度变化对上部结构内力的影响、上部结构对基础变形的约束作用, 以及采用不同地基计算模型可能在基础和上部结构中产生的差异。这样, 在基础选型、布置以及地基模型、参数的选取时, 才能够从共同作用的角度加以考虑, 力求设计出最为经济、合理的基础方案。

5结束语

综上所述, 概念设计是综合性强、应用灵活广泛的工作, 需要结构工程师发挥主观能动性, 在应用规范及工程力学知识和原理的基础上, 根据个人对结构及其受力状态的理解, 通过对自己积累的设计经脸的完美运用, 熟练、准确地掌握和应用概念设计, 做出经济、合理、安全的结构设计,在严谨的规范、机械的计算程序以及受力状态多变的结构三者之间做到游刃有余, 是每个结构工程师追求的目标, 也是概念设计的艺术性之所在。