论建筑结构设计中概念设计的重要性及运用

摘要；概念设计的宗旨是在特定的建筑空间及地理条件下,用整体概念来考虑结构总体方案。

关键词；建筑设计；概念设计；相关应用

随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，对建筑结构设计也提出了更高的要求。推广概念设计也成为一种必然。

1 概念设计的概念及重要性

所谓的概念设计一般指不经数值计算，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。运用概念性近似估算方法，可以在建筑设计的方案阶段迅速，有效地运载结构体系进行构思。概念设计是通过无数次的事故分析，模拟试验及长期的国内外设计与使用经验的归纳而总结出来的，有些概念设计的要求为整个设计设置了二道防线，保证了建筑物的安全。概念设计的思想不仅可以保证正确的设计原则，还可以通过它来解决设计中出现的问题，提高设计水平，在结构设计别是对高层结构的设计运用概念设计的思想可以取得事半功倍的效果。

2.结构总体概念设计

2.1 建筑设计应重视建筑结构的规则性

在高层建筑中，结构的对称性主要指的是抗侧力主体结构的对称。对称的建筑如平面对称的简体框架结构，剪力墙结构，框架结构等，一般比较容易实现结构的对称性。不对称的建设如平面形状复杂的L型、T型、S型，楼电梯间偏于平面一侧或一角的度层建筑等，内含结构的基本对称仍是有可能实现的。这主要取决于结构工程师结合建筑平面的功能和需要进行合理的结构布置，如简体，剪力墙的合理布置，可以设法调整结构的刚心与建筑物质心、平面的形心尽量接近，从而实现结构的基本对称。结构的较大不对称，将引起结构在水平侧力作用下产生较大的扭转变形，不利于结构抗侧力，不利于非结构构件如填充墙、幕墙的正常工作，同时造成结构耗材，成本的较大增加。

2.2 合理的建筑结构体系选择

（1）结构体系应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径。应按照楼屋盖梁系的布置，尽量使垂直重力荷载以最短的路径传递到竖向构件墙，柱上去。竖向构件的布置，应尽量使竖向构件在垂直重力荷载作用下的压应力水平按近均匀，以避免竖向构件之间压实力的二次转移。转换结构的布置，应尽量做到使上部结构竖向构件传来的垂直重力荷载通过转换层一次至多二次转换，即能传递到下部的竖向构件上去。

（2）结构体系应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力。

（3） 结构体系应具备必要的承载能力，良好的变形能力和消耗地震能量的能力。

（4）结构体系宜有多道抗震防线。框架―剪力墙结构是具有良好性能的多道防线的抗震结构，其中剪力墙既是主要抗侧力构件又是第一道抗震防线。因此，剪力墙应有相当数量，其承受的结构底部地震倾覆力矩不应小于底部总地震倾覆力矩的50%。

（5） 结构体系宜具有合理的刚度。主体抗侧力结构的刚度合理是高层建筑结构设计的重要指标之一。

3 概念设计在建筑结构设计中的应用

3.1 平面设计

在水平荷载作用下结构侧移已成为高层建筑设计中的关键控制因素，如何在满足相关要求的前提下选择更好的抗侧力体系成了结构工程师追求的重大目标。建筑平面的形状宜选用风压较小的形式，并应考虑邻近高层建筑对其风压分布的影响，还必须考虑有利于抵抗能力和竖向荷载，在地震作用下，建筑平面要力求简单规则。风荷载作用下则可适当放宽，因为结构整体弯曲变形所引起的侧移与结构体系抵抗倾覆力矩的有效宽度的三次方成反比例关系，所以不宜建筑宽度很小的建筑物。

3.2 剖面设计

（1）竖向传力体系设计。1.应注意控制建筑的高度比。2.高层建筑的抗侧力结构刚度，应注意由基础向顶层逐渐过渡，要尽量避免出现在竖向上刚度发生突变的现象，以免由于刚度的较大突变而削弱其抵抗水平荷载的能力。3.由于使用上的要求造成刚度变化特别大，或结构布置发生变化时必须设置结构转换层。4.高层建筑必须有相应的锚固深度，此锚固深度可结合布置设备用房和地下停车库的需要，作为一层或多层地下空间，这对降低高层建筑的重心有利，可提高建筑抗震能力及抗倾覆能力。

（2）竖向形体设计。1.截锥形。采用由下而上分段逐渐减小楼层面积阶梯状体型，能使房屋刚度大大增加，由于房屋顶部的楼面尺寸比底部小，除了在建筑使用功能方面存在优点外，在抗风和抗震方面也具有一定的优越性。2.上窄下宽形。高层建筑随着高度的增加在符合竖向结构的要求下，楼身向上不断收进与变细，这样可减轻承受的风力，降低楼体的重心，加强结构的稳定性，这种形体主要包括上削楔形体和退缩体，上削楔形体利于抗风，抗震，并呈现稳固坚韧的特性，退缩体的形式比较多样，有收进式，截切式，台阶式。3.新月形。新月形房屋就像一个竖向的悬臂壳体一样，能有效地增加它低抗侧向力的刚度，它的作用就像波形的屋面壳体能有效地抵抗重力荷载一样，重力荷载由柱―壳―框架承受，侧向荷载由竖向的壳体抵抗，该壳体由于楼面结构的加劲作用而得以加强，新月形的壳体形式能有效地抵抗对称作用与它的侧向力。

3.3 基础设计概念

（1） 基础与上部结构协同作用。基础除了与地基相互作用外，与上部结构作用的关系也很复杂，除非在建筑的边缘部位荷载很大的情况以外，一般建筑基础的变形总是成锅底开肿部沉降多，外级沉降小，在建造下部几层时，基础钢筋应力不断增长，建筑到四五层时钢筋应力达到最高值，以后随层数和荷载的增加应力又逐渐减小，这种现象是基础和上部结构协同作用的结果，当上部结构高低层数差别很大，但地下室有直通要求时，应做成整体基础，高低层不分开是有条件的，首先地基地质要好，或采用桩基。要求地基沉降量不能过大，重要的是控制高低层的沉降差，天然地基的建筑，高层部分一般采用筏形基础，低层部分采用双向条形或单独基础，高层建筑常设有通往地下车库的通道，通道紧贴高层的外壁，并平行于外壁，作为车道的底板，便于铺防水层，也保证了高层建筑的整体连接。

（2） 基础选型及特点。根据不同建筑的地理位置结构形式可选择桩基础，箱形基础和筏形基础。桩基础，当地基土质较软弱，建筑物层数较多，荷载较大的情况下，天然地基不能满足地基承载力的要求可以采用桩基将上部结构荷载直接传到下部坚实的持力层，高层建筑的桩基础可采用预制钢筋混凝土桩，混凝土灌注桩和钢管桩。箱形基础：箱形基础在高层建筑中广泛应用，它整体刚度好，能将上部结构的荷载均匀地传给基础，对上部结构能良好地嵌固，箱基有效地抵抗不均匀沉降，并与周围土体协同工作，提高建筑物的抗震和抗风能力。筏形基础：筏形基础适用于上部结构荷载较大，地基承载力较低的工程，筏形基础整体较好，刚度大，能有效地分散上部结构的荷载，调整基底的压力和不均匀沉降。

4.结束语

概念设计，从某种程度上可以认为是整体工作的原则，在计算机辅助设计日益广泛的今天，要求结构工程师具有深厚的基本理论基础，清晰的结构整体概念，这样才能做出更安全，更经济，更高效的作品。