淺談概念設(shè)計

劉英魁

摘 要：針對目前建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計當(dāng)中墨守成規(guī)的現(xiàn)象，提倡采用概念設(shè)計思想來促進結(jié)構(gòu)工程師的創(chuàng)造性，推動結(jié)構(gòu)設(shè)計的發(fā)展。所謂的概念設(shè)計一般指不經(jīng)數(shù)值計算，尤其在一些難以作出精確力學(xué)分析或在規(guī)范中難以規(guī)定的問題中，從整體的角度來確定建筑結(jié)構(gòu)的總體布置和抗震細部措施的宏觀控制。

關(guān)鍵字：建筑設(shè)計；結(jié)構(gòu)設(shè)計；概念設(shè)計

在不斷的結(jié)構(gòu)設(shè)計研究與實踐中，人們積累了大量有益的經(jīng)驗，并體現(xiàn)在設(shè)計規(guī)范、設(shè)計手冊、標準圖集等等。隨著計算機技術(shù)和計算方法的發(fā)展，計算機及其結(jié)構(gòu)程序在結(jié)構(gòu)工程中得到大量地應(yīng)用，每個設(shè)計單位都在為徹底甩掉圖板而做努力。結(jié)果給部分結(jié)構(gòu)工程師造成一種錯覺，覺得結(jié)構(gòu)設(shè)計很簡單，只需遵循規(guī)范、手冊、圖集，等待建筑師給出一個空間形成的方案（非結(jié)構(gòu)的），使用計算機，然后設(shè)法去完成它，自己只不過是一個東拼西湊的計算機畫圖匠而已。這不僅不能有效地運用他們的知識、精力和時間，而且還會與建筑師的交流中產(chǎn)生分歧與矛盾。

我國結(jié)構(gòu)計算理論經(jīng)歷了經(jīng)驗估算，容許應(yīng)力法，破損階段計算，極限狀態(tài)計算，到目前普遍采用的概率極限狀態(tài)理論等階段?，F(xiàn)行的《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計統(tǒng)一標準》（GBJ68-84）則采用以概率理論為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計準則，以使建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計得以符合技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、安全適用。概率極限狀態(tài)設(shè)計法更科學(xué)、更合理。但該法在運算過程中還帶有一定程度的近似，只能視作近似概率法。并且光憑極限狀態(tài)設(shè)計也很難估計建筑物的真正承載力的。事實上，建筑物是一個空間結(jié)構(gòu)，各種構(gòu)件以相當(dāng)復(fù)雜的方式共同工作，且都并非是脫離總的結(jié)構(gòu)體系的單獨構(gòu)件。目前，人們在具體的空間結(jié)構(gòu)體系整體研究上還有一定的局限性，在設(shè)計過程中采用了許多假定與簡化。作為結(jié)構(gòu)工程師不應(yīng)盲目的照搬照抄規(guī)范，應(yīng)該把它作為一種指南、參考，并在實際設(shè)計項目中作出正確的選擇。這就要求結(jié)構(gòu)工程師對整體結(jié)構(gòu)體系與各基本分體系之間的力學(xué)關(guān)系有透徹的認識，把概念設(shè)計應(yīng)用到實際工作中去。

所謂的概念設(shè)計一般指不經(jīng)數(shù)值計算，尤其在一些難以作出精確理性分析或在規(guī)范中難以規(guī)定的問題中，依據(jù)整體結(jié)構(gòu)體系與分體系之間的力學(xué)關(guān)系、結(jié)構(gòu)破壞機理、震害、試驗現(xiàn)象和工程經(jīng)驗所獲得的基本設(shè)計原則和設(shè)計思想，從整體的角度來確定建筑結(jié)構(gòu)的總體布置和抗震細部措施的宏觀控制。運用概念性近似估算方法，可以在建筑設(shè)計的方案階段迅速、有效地對結(jié)構(gòu)體系進行構(gòu)思、比較與選擇，易于手算。所得方案往往概念清晰、定性正確，避免后期設(shè)計階段一些不必要的繁瑣運算，具有較好的的經(jīng)濟可靠性能。同時，也是判斷計算機內(nèi)力分析輸出數(shù)據(jù)可靠與否的主要依據(jù)。

比如，有的設(shè)計人員用多、高層結(jié)構(gòu)三維空間分析程序來計算底層框架，還人為的布置一些抗震墻，即不能滿足樓層間的合理剛度比，也不能正確地反映底層框架在地震時受力狀態(tài)。問題在于結(jié)構(gòu)概念不明確，沒考慮這兩種結(jié)構(gòu)體系的差異。軟件的選擇和使用不當(dāng)，造成危害是不容忽視的。美國一些著名學(xué)者和專家曾警告工業(yè)界：“誤用計算機造成結(jié)構(gòu)破壞而引起災(zāi)難只是一個時間的問題?！比欢苊膺@種情況，概念設(shè)計的思想不妨是個好方法。

運用概念設(shè)計的思想，也使得結(jié)構(gòu)設(shè)計的思路得到了拓寬。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)計算理論的研究和結(jié)構(gòu)設(shè)計似乎只關(guān)注如何提高結(jié)構(gòu)抗力R，以至混凝土的等級越用越高，配筋量越來越大，造價越來越高。結(jié)構(gòu)工程師往往只注意到不超過最大配筋率，結(jié)果肥梁、胖柱、深基礎(chǔ)處處可見。以抗震設(shè)計為例，一般是根據(jù)初定的尺寸、砼等級算出結(jié)構(gòu)的剛度，再由結(jié)構(gòu)剛度算出地震力，然后算配筋。但是大家知道，結(jié)構(gòu)剛度越大，地震作用效應(yīng)越大，配筋越多，剛度越大，地震力就越強。這樣為抵御地震而配的鋼筋，增加了結(jié)構(gòu)的剛度，反而使地震作用效應(yīng)增強。其實，為什么不考慮降低作用效應(yīng)S呢？目前在抗震設(shè)計中，隔震消能的研究就是一個很好的例子。隔震消能的一般作法是在基礎(chǔ)與主體之間設(shè)柔性隔震層；加設(shè)消能支撐（類似于阻尼器的裝置）；有的在建筑物頂部裝一個“反擺”，地震時它的位移方向與建筑物頂部的位移相反，從對建筑物的振動加大阻尼作用，降低加速度，減少建筑物的位移，來降低地震作用效應(yīng)。合理設(shè)計可降低地震作用效應(yīng)達60%，并提高屋內(nèi)物品的安全性。這一研究在國內(nèi)外正廣泛地深入展開。在日本，研究成果已經(jīng)廣泛應(yīng)用于實際工程中，取得良好的經(jīng)濟、適用效果。而我國由于經(jīng)濟、技術(shù)和人們認識的限制，在工程界還未被廣泛地應(yīng)用。

同時，在目前建筑結(jié)構(gòu)抗震鑒定及加固中，概念設(shè)計的思想也應(yīng)得到延伸。在1976年唐山地震中，天津市加固的2萬間民房無一倒塌，但天津第二毛紡廠三層的框架廠房，卻因偏重于傳統(tǒng)構(gòu)部件的加固 ，忽視結(jié)構(gòu)總體抗震性能的判斷，造成不合理的加固使抗震薄弱層轉(zhuǎn)移，仍然倒塌。

概念設(shè)計的思想被越來越多的結(jié)構(gòu)工程師所接受，并將在結(jié)構(gòu)設(shè)計中發(fā)揮越來越大的作用。然而現(xiàn)在的高校教學(xué)中，往往只重視單獨構(gòu)件和孤立的分體系的力學(xué)概念講解。尤其在專業(yè)課教學(xué)中，單項計算練習(xí)居多，綜合練習(xí)偏少，并著重體現(xiàn)在考題中，使得相當(dāng)部分學(xué)生養(yǎng)成只知套用公式解題的習(xí)慣。而且近年來強調(diào)計算機應(yīng)用教育，比如，畢業(yè)設(shè)計用結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件計算、出圖。但由于計算機設(shè)計過程的屏蔽，手算過程訓(xùn)練程度的削弱，造成學(xué)生產(chǎn)生一定依賴性，結(jié)果綜合運用能力下降，整體結(jié)構(gòu)體系概念模糊。這些對于培養(yǎng)具有創(chuàng)造力、未來的工程師是相當(dāng)不利的。

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計也提出了更高的要求。發(fā)展先進計算理論，加強計算機的應(yīng)用，加快新型高強、輕質(zhì)建材的研究與應(yīng)用，使建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計更加安全、適用、可靠、經(jīng)濟是當(dāng)務(wù)之急。其中，打破建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的墨守成規(guī)，充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)工程師的創(chuàng)新能力，是相當(dāng)必要的。因為他們是結(jié)構(gòu)設(shè)計革命的推動者和執(zhí)行者。這則需要工程界和教育界進行共同的努力。推廣概念設(shè)計思想是一種有效的辦法。

著名的美國工程院院士林同炎教授在《結(jié)構(gòu)概念和體系》一書中為結(jié)構(gòu)工程師提供了廣泛而又有獨特見解的結(jié)構(gòu)概念設(shè)計基礎(chǔ)知識和設(shè)計實例。該書著重介紹用整體概念來規(guī)劃結(jié)果總體方案的方法，以及結(jié)構(gòu)總體系和個分體系尖的相互力學(xué)關(guān)系和簡化近似設(shè)計方法。為結(jié)構(gòu)工程師和建筑師在設(shè)計中創(chuàng)造性地相互配合，設(shè)計出令人滿意的建筑奠定基礎(chǔ)。這本書第二版的出版，為我們更好的加深概念設(shè)計的理解，提供有益的幫助?？傊?，概念設(shè)計必然會成為今后結(jié)構(gòu)設(shè)計的主流思想，這就讓我們來共同學(xué)習(xí)、發(fā)展它吧，為結(jié)構(gòu)設(shè)計的發(fā)展作出應(yīng)有的貢獻。