工業(yè)建筑中的結(jié)構(gòu)概念設(shè)計

隋翔宇

隨著計算機和結(jié)構(gòu)分析軟件的廣泛應(yīng)用和普及，它使結(jié)構(gòu)工程師擺脫了過去必須進行的大量的手工計算，工作效率得以大幅度的提高。與此同時，有些結(jié)構(gòu)工程師對結(jié)構(gòu)計算軟件的依賴性也越來越大，有時甚至過分地相信計算軟件，而忽略了概念設(shè)計的重要性。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，主要分為民用建筑設(shè)計和工業(yè)建筑設(shè)計，在民用建筑內(nèi)，無論是居住建筑還是公共建筑，一般建筑體型比較規(guī)則，荷載情況比較簡單;相反，在工業(yè)建筑中，隨著工藝特點的不同，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)布置及結(jié)構(gòu)形式也不一樣，往往建筑體型不規(guī)則，荷載情況也比較復(fù)雜;在設(shè)計中，由于工藝要求的特殊性，結(jié)構(gòu)布置必須滿足特定的工藝布置，如電纜夾層在框架結(jié)構(gòu)中容易形成短柱;框架內(nèi)的輸送皮帶形成的斜樓板，造成的錯層布置;大型設(shè)備在室內(nèi)布置，也容易造成框架柱在某一個方向的計算長度的取值問題;廠房的毗間、山墻、屋頂?shù)木植靠蚣軉栴};振動設(shè)備的減振構(gòu)造措施等等。這些問題在采用結(jié)構(gòu)計算軟件進行分析時，往往在規(guī)范中缺少明確的規(guī)定，需要結(jié)構(gòu)工程師依靠豐富的設(shè)計經(jīng)驗來處理。另外，工業(yè)建筑的復(fù)雜荷載工況也給計算帶來了許多麻煩，這還需要結(jié)構(gòu)工程師對主要工藝性能做進一步的了解，才能判斷出什么樣的荷載工況才是最不利的，有的時候甚至要自己根據(jù)工藝特點進行荷載組合。在遇到這些問題時，不能簡單的按照常規(guī)設(shè)計要求進行，往往這些特殊因素才是真正的控制因素。現(xiàn)在國內(nèi)通用的結(jié)構(gòu)計算軟件基本都是以民用建筑作為主要適用對象，民用建筑大部分結(jié)構(gòu)布置都比較規(guī)范，荷載情況也比較單一，因此，國內(nèi)通用的結(jié)構(gòu)計算軟件基本都能夠適用，而且，在建模計算后計算結(jié)果也都比較正常。相反，在工業(yè)建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計分析時，有時個別特殊部位在模型中無法體現(xiàn)，有時雖然勉強在模型中能夠體現(xiàn)，但計算結(jié)果往往會顯示異常，導(dǎo)致計算結(jié)果不可用。因此，在工業(yè)建筑的設(shè)計中，結(jié)構(gòu)概念設(shè)計就顯得尤為重要，恰當(dāng)?shù)暮喕Ｐ?、適當(dāng)?shù)暮奢d組合對最終的計算結(jié)果就顯得尤為重要，只有這樣，才能借助目前現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)計算分析軟件，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中做到既保證結(jié)構(gòu)的安全性，又能節(jié)約經(jīng)濟，避免肥梁胖柱的出現(xiàn)。

概念設(shè)計是展現(xiàn)一個結(jié)構(gòu)工程師設(shè)計思想的關(guān)鍵，結(jié)構(gòu)工程師的主要任務(wù)就是在一定的建筑功能和工藝要求下來完成結(jié)構(gòu)總體的設(shè)計，并能妥善地處理建筑與結(jié)構(gòu)、工藝與結(jié)構(gòu)、構(gòu)件與結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系，最終設(shè)計出合理的產(chǎn)品。強調(diào)概念設(shè)計的重要，也是因為計算軟件的局限性并不能適應(yīng)所有的結(jié)構(gòu)問題，實際存在大量無法運用計算軟件進行準確分析的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，它們都需要采用概念設(shè)計與結(jié)構(gòu)措施來滿足最終的結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的。同時程序計算結(jié)果是根據(jù)不同工況提供不同的數(shù)據(jù)，究竟哪種工況下的計算結(jié)果才是真正需要的，有時甚至要結(jié)合不同工況的計算結(jié)果綜合分析應(yīng)用，結(jié)構(gòu)工程師只有加強結(jié)構(gòu)概念的鍛煉，才能準確地判斷計算結(jié)果的合理性及準確性，最終獲得我們需要的結(jié)果。

概念設(shè)計之所以重要，還在于在初步設(shè)計階段、方案設(shè)計階段，這些過程是無法或完全借助于計算機和結(jié)構(gòu)計算分析軟件來實現(xiàn)的。在初步設(shè)計或方案階段，往往需要結(jié)構(gòu)工程師對結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)布置等根據(jù)工藝布置方案做出規(guī)劃，有時候甚至還要進行一定的建模計算，以便最終確定方案的可行性和合理性。在這一階段確定的方案，往往和工藝大的設(shè)備選型相輔相成，由于大型設(shè)備的生產(chǎn)制造周期較長，一旦通過相關(guān)部門的審查后，建設(shè)單位就會聯(lián)系相關(guān)制造商，開始訂貨，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案就會成為下一階段施工圖設(shè)計階段的設(shè)計依據(jù)。如果結(jié)構(gòu)工程師對方案考慮不周，會給下一階段的工作帶來相當(dāng)大的麻煩，有時甚至?xí)o整個項目帶來不可估量的損失。這就需要結(jié)構(gòu)工程師在初步設(shè)計階段、方案設(shè)計階段綜合運用其掌握的結(jié)構(gòu)概念，結(jié)合工藝特點，選擇結(jié)構(gòu)性能好、經(jīng)濟效益明顯的結(jié)構(gòu)方案，為此，需要結(jié)構(gòu)工程師不斷地豐富自己的結(jié)構(gòu)概念，深入、深刻了解各類結(jié)構(gòu)的性能，并能有意識地、靈活地運用它們。結(jié)合一定的結(jié)構(gòu)分析軟件，合理的簡化模型，充分利用結(jié)構(gòu)分析軟件的強大功能，最終提出經(jīng)濟合理的設(shè)計方案，為下一階段的施工圖設(shè)計工作做好準備。

隨著社會的發(fā)展，大型、超大型的工業(yè)建筑越來越多，建筑體型也越來越復(fù)雜，另外，鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)建筑中的應(yīng)用也越來越多，許多新的工業(yè)建筑都是前所未有的。有時為了工程進度及工藝要求，鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)往往組合使用，這樣，既提高了施工進度，又便于后期的工藝安裝。在這種情況下，就更加突顯出結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的重要性，同時也對結(jié)構(gòu)計算分析軟件提出了更高的要求，而軟件本身又存在一定的滯后性，往往是軟件開發(fā)人員針對新出現(xiàn)的設(shè)計問題來不斷完善軟件的功能。在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，不可能等設(shè)計軟件完善后再繼續(xù)設(shè)計，只能利用現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)分析軟件進行設(shè)計。正因為如此，結(jié)構(gòu)工程師只能通過恰當(dāng)?shù)母拍钤O(shè)計，經(jīng)過一系列的簡化和假定，盡量使工程設(shè)計和所采用的計算軟件的基本假定、力學(xué)模型更加接近，使計算分析更加能夠體現(xiàn)建筑本身的實際運行工況，保證計算結(jié)果的正確合理、有效。

抗震分析也是建筑結(jié)構(gòu)計算分析的一個重要方面，尤其是一些重要的工業(yè)建筑，基于本身的特殊功能，關(guān)系到國家的經(jīng)濟發(fā)展和人民的基本生活保障，如大型核電廠、大型化工建筑、能源建筑，對地震作用有著嚴格的要求，一旦它們在地震時遭到損毀，會給救災(zāi)和災(zāi)后重建帶來無法想象的困難。有時，這些工業(yè)建筑一旦遭到損毀，其自身帶來的損失和災(zāi)害甚至要比地震造成的損害更加嚴重。由于地震作用的不確定因素太多，僅憑計算軟件的分析是不能保證結(jié)構(gòu)安全的，抗震概念設(shè)計就成為抗震設(shè)計的一個重要組成部分，它應(yīng)該貫穿于結(jié)構(gòu)計算分析和細部構(gòu)造的全過程。就如砌體結(jié)構(gòu)，無論縱墻承重、橫墻承重還是縱橫墻共同承重，在結(jié)構(gòu)分析軟件中都能順利通過計算，但是這三種布置方式的地震作用傳遞途徑不同，當(dāng)然，在地震力作用下，抗震效果也截然不同。因此，在抗震分析時，概念設(shè)計主要體現(xiàn)在這幾個方面:首先應(yīng)具有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑，對可能出現(xiàn)的薄弱部位，應(yīng)采取相應(yīng)的構(gòu)造措施提高抗震能力，應(yīng)避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的局部破壞而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)喪失抗震能力或?qū)χ亓奢d的承載能力。其次結(jié)構(gòu)應(yīng)具備必要的抗震承載力，良好的變形能力和消耗地震能量的能力，宜具有合理的剛度和承載力分布，避免因局部削弱或突變形成薄弱部位，產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中或塑性變形集中。最后結(jié)構(gòu)在兩個主軸方向的動力特性宜接近，采用有效的措施防止過早的剪切和受壓等脆性破壞。

綜上所述，結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計在工業(yè)建筑設(shè)計中，是核心和靈魂，它影響著結(jié)構(gòu)設(shè)計的全部過程，從方案到構(gòu)造，從計算分析到抗震措施都貫穿著概念設(shè)計。結(jié)構(gòu)計算軟件是目前結(jié)構(gòu)設(shè)計必不可少的工具，只有恰如其分的運用結(jié)構(gòu)概念設(shè)計從整體上把握結(jié)構(gòu)的各項性能，配合結(jié)構(gòu)計算軟件進行準確的計算分析，最后再對計算分析結(jié)果進行科學(xué)的判斷、合理的采用。只有這樣，才能面對復(fù)雜多變的工業(yè)建筑，從容的進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，才能確保結(jié)構(gòu)的安全性、經(jīng)濟性;而作為設(shè)計人員，也只有不斷地提高自身的概念設(shè)計能力，才會逐步成為一名優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)工程師。

[1] GB 50010-2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[2] GB 50011-2001，建筑抗震設(shè)計規(guī)范(2008年版)[S].

[3] 林鳳欽.淺探房屋建筑的結(jié)構(gòu)概念設(shè)計[J].山西建筑，2010，36(14):59-60.