建筑结构设计中概念设计的探讨

【摘要】建筑是一个空间结构，各种构件以不同方式组合在一起共同工作。作为结构设计工程师，不应把结构设计错误的理解为“规范+计算”而应该把规范作为指南与参考，把概念设计理念应用到结构设计中去。

【关键词】何谓概念设计；概念设计的介入时间；概念设计的宗旨；

一：何谓概念设计

所谓概念设计，一般是指不经过数值计算，尤其在一些难以作出精确数据分析或在结构设计规范中难以明确规定的问题中，依据整体结构体系与基本分体系之间的力学关系、结构破坏机理、震害、试验和工程实践数据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局和细部抗震构造的具体要求。运用概念性近似估算方法．可以在建筑设计的方案阶段，迅速而有效地对结构体系进行构思、分析和比选，所得到的结构方案往往概念清晰、定性准确，可避免在后期设计阶段一些不必要的繁琐运算，同时，它也是判断计算机内力分析后输出的数据可靠与否的主要依据。

在不断发展的结构设计理论研究与没计实践中．我们积累了大量有益的经验，具体体现在设计规范、设计手册、标准图集的更新和完善中。随着计算机技术及其编程在结构工程中的大量应用．在极大地减轻设计人员设计工作强度的同时，也给部分结构工程师造成一种错觉．以为结构设计很简单，只需按现行规范、设计手册、标准图集和建筑师给出的一个空间方案，依靠结构设计程序就可完成。这样不仅不能有效地运用他们的知识去精心设计，还会阻碍他们创新思维的发挥和建筑科技的进步。

我国建筑结构计算理论和结构设计工作．经历了经验估算、容许应力计算、破损阶段计算、极限状态计算，直到目前普遍采用的概率极限状态计算理论等几个发展阶段。现行的《建筑结构设计统一标准》(GBJ68―84)则采用以概率理论为基础的结构极限状态设计原则，使建筑结构设计更加符合技术先进、安全适用、经济合理等目标。事实上．建筑是一个空间结构，各种构件以不同方式组合在一起共同工作，其中每个构件并非是脱离总结构体系的单个构件，而是有机体中不可缺少的一部分。目前，我们在具体的空间结构整体研究上还有一定的局限性，因此，在结构设计中采用了许多假定和简化。作为结构设计工程师，不应盲目地照搬照抄设计规范，而应该把规范作为指南与参考，并在实际工程设计中作出正确的判断和选择，这就要求结构工程师对整个结构体系中各个构件及结构体系中各基本分体系之间的力学关系有透彻的认识，把概念设计理念应用到结构设计中去。

在工程结构设计时，有的结构工程师用多层、高层结构的三维空间结构分析程序来计算底层框架，还人为地布置一些抗震墙，既不能满足楼层间合理的刚度比，也不能正确地反映底层框架在发生地震时的受力状态 其症结在于结构概念不明确，未考虑这两种结构体系的差异 此外．结构计算软件选择或使用不当而造成的危害也是不容忽视的。美国某些知名学者和专家曾告诫工程界人士：“误用计算机软件造成结构破坏而引发灾难，只是一个时间的问题”。而要避免这种灾难发生，概念设计无疑是个最好的选择。

运用概念设计理念，也使结构设计的思路得到了拓展。传统的结构计算理论研究和结构设计，似乎只关注如何提高结构整体抗力，以致令结构构件混凝土的强度等级越来越高、配筋量越来越大，因而造价也越来越高。结构工程师在作结构设计 时往往只注意不要超过最大配筋率，结果造成肥梁、胖柱、深基础的建筑处处可见。就拿抗震设计来说吧，结构设计时一般根据初步确定的尺寸、混凝土的强度等级算出结构的刚度．再由结构刚度算出地震力，然后再算最大弯矩和配筋。然而，结构刚度越大，地震作用效应就越大；配筋越多，刚度越大，地震力就越强。这样一来，为抵御地震力而多配置的钢筋，在增加结构刚度的同时，也增强了地震作用效应。那么，为什么不考虑降低作用效应呢?在抗震设计中，许多国家都在做隔震消能研究。隔震消能的一般做法．是在基础与主体之间设置柔性隔震层，或者加设消能支撑(类似于阻尼器装置)；有的在建筑物顶部安装一个“反摆”，地震发生时，“反摆”的位移方向与建筑物顶部质点的位移方向相反，相当于对建筑物的振动形成“阻尼”作用．从而有效降低建筑物顶部质点的地震(水平)加速度，减小了建筑物顶部的位移，达到了降低地震作用效应的效果。合理的隔震消能设计和措施可降低地震作用效应达40～6O％，同时，也能提高建筑物内部没备和家具的安全度。据相关报导表明，在世界各国正广泛、深入地开展这项研究与应用。在日本这个地震多发国度，隔震消能研究成果已广泛应用于实际工程设计中，取得了良好的社会和经济效果。我国由于受经济、技术和思想观念等因素的制约，在建设工程上还未被广泛地应用。

二：概念设计的介入时间

一个结构项目工程师的首要任务就是在每一项工程设计的开始，即建筑方案设计阶段，就能凭借自身拥有的结构体系功能及其受力、变形特性的整体概念和判断力，用概念设计去帮助建筑师开始开拓或实现该建筑物业主所想要的，或已初步构思的空间形式及其使用、构造与形象功能。并以此为统一目标，与建筑师一起构思结构体系，并能明确结构总体系和主要分体系之间的最佳受力特征要求。

结构工程师只有在和建筑师合作的整个设计过程中（强调从方案设计开始），用其自身拥有的结构体系功能及其受力、变形特性的整体概念和判断力，并根据建筑物所在的地理环境条件、材料、施工条件与造价等去不断地探索。比较、反馈和优化才能找到理想的答案。

三：概念设计的宗旨

概念设计的宗旨就是在特定的空间形式、功能和地理环境条件下，以结构工程师自身确定的理想承载力、刚度和延性为主导目标，用整体构思来设计各部分有机相连的结构总体系，并能有意思地利用和发挥结构总体系和主要分体系、以及分体系与构件之间的最佳特征与协调关系。在方案设计和初步设计阶段，用概念近视计算能迅速、有效地对结构体系进行构思、比较与选择。这种近似计算方法虽能有一定的误差，但是概念清楚，定性准确，手算简单快捷，能很快地比较和选择出相对最佳的结构方案，乃至估算出分体及其构件的基本尺寸大小，为以后的计算机分析提供比较确切的结构计算模型和所需输入的原始数据。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。

从世界范围来看，概念设计理念已被越来越多的结构工程师所接受并付诸实施．必将在未来结构设计中发挥越来越大的作用。然而在我们建筑类高等院校的专业课教学中，往往还是只重视单个结构构件和孤立的分体系力学概念讲解，课外作业也是单独构件计算练习居多，整体结构综合分析偏少．使得相当多的学生养成了只会套用公式解题和按规范规定设计的习惯 近年来，强调计算机应用教育，建筑类高等院校学生毕业设计时．大多采用结构设计软件计算、出图。由于计算机设计过程的屏蔽，手算过程训练被大大削弱，容易使学生养成一定依赖性．导致整体结构体系的概念模糊、综合运算能力下降。所有这些．对于培养富有创造力、未来型工程师是极为不利的。

随着经济社会的快速发展和人民生活质量的不断提高，对建筑结构设计也提出了更高的要求。推广先进计算机理论，加强计算机技术的工程应用，加快运用概念设计理念和轻质、高强、环保的新型建筑材料的研究与应用，使建筑结构设计更加科学、安全、适用和经济，是我们建筑业的当务之急。要尽快打破建筑结构设计中的陈规陋习，充分发挥结构工程师的聪明才智和创新能力，加快运用概念设计理念和计算机技术进行结构设计的进程，为结构设计更好、更快发展作出应有的贡献.