淺談建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)

舒孝勇

（四川省建筑設(shè)計(jì)院，四川 成都 610081）

前言

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，概念設(shè)計(jì)的宗旨是在特定的建筑空間及環(huán)境條件下，用整體概念來(lái)考慮結(jié)構(gòu)的總體方案，并能有意識(shí)地發(fā)揮和利用結(jié)構(gòu)總體系和各基本分體系之間的力學(xué)特性與關(guān)系。建筑物是一個(gè)整體空間結(jié)構(gòu)，各種構(gòu)件以相當(dāng)復(fù)雜的方式共同工作，并不是脫離總的結(jié)構(gòu)體系的單獨(dú)構(gòu)件。作為結(jié)構(gòu)工程師，不應(yīng)過(guò)度依賴計(jì)算機(jī)和盲目照搬規(guī)范，應(yīng)把概念設(shè)計(jì)應(yīng)用到實(shí)際工作中去。

1.概念設(shè)計(jì)的定義

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為理論和概念設(shè)計(jì)。理論設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)工程師根據(jù)計(jì)算理論和規(guī)范，在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算模型的假設(shè)及受力狀態(tài)的假定的前提下，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，得出數(shù)據(jù)式的結(jié)果，然后利用結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)。概念設(shè)計(jì)是指不經(jīng)數(shù)值計(jì)算，尤其在一些難以做出精確理性分析或在規(guī)范中難以規(guī)定的問(wèn)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(jī)理、震害、試驗(yàn)現(xiàn)象和工程經(jīng)驗(yàn)所獲得的基本設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想，從整體的角度來(lái)確定建筑結(jié)構(gòu)的總體布置和抗震細(xì)部措施的宏觀控制。

在建筑設(shè)計(jì)的方案階段，從總體出發(fā)，采用概念性近似計(jì)算方法，能迅速、有效地對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行構(gòu)思、比較和選擇。這種方法雖有一定誤差，但概念清楚、定性準(zhǔn)確、手算簡(jiǎn)單快捷，能很快選擇出最佳方案，具有較好的經(jīng)濟(jì)、可靠性能，同時(shí)也是施工圖設(shè)計(jì)階段判斷計(jì)算機(jī)內(nèi)力分析輸出數(shù)據(jù)可靠與否的主要依據(jù)。

2.概念設(shè)計(jì)的重要性

概念設(shè)計(jì)的應(yīng)用面非常廣泛，幾乎蘊(yùn)含了所有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在不確定因素多、受力狀況變化較大的抗震設(shè)計(jì)、高層建筑設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，概念設(shè)計(jì)的應(yīng)用尤顯重要和突出。

概念設(shè)計(jì)的重要性，主要體現(xiàn)在三方面：一是因?yàn)楝F(xiàn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與計(jì)算理論存在許多缺陷或不可計(jì)算性。為了彌補(bǔ)計(jì)算理論的缺陷，或?qū)崿F(xiàn)對(duì)實(shí)際存在的大量無(wú)法計(jì)算的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)，都需要用概念設(shè)計(jì)來(lái)滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的。二是由于在方案設(shè)計(jì)階段，初步設(shè)計(jì)過(guò)程是不能借助于計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這就需要結(jié)構(gòu)工程師綜合運(yùn)用其掌握的結(jié)構(gòu)概念，選擇效果最好、造價(jià)最低的結(jié)構(gòu)方案。概念設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)人員中提得比較多，但往往被人們片面地理解，認(rèn)為其主要是用于一些大的原則，如確定結(jié)構(gòu)方案、結(jié)構(gòu)布置等。其實(shí)，在設(shè)計(jì)中任何地方都離不開(kāi)科學(xué)的概念作指導(dǎo)。三是由于計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果的高精度，容易給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員帶來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)工作性能的誤解，過(guò)分地依賴于計(jì)算機(jī)和設(shè)計(jì)軟件，進(jìn)行習(xí)慣性、傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)計(jì)算結(jié)果明顯不合理、甚至錯(cuò)誤的地方不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，使許多的建筑結(jié)構(gòu)留下安全隱患。因此，概念設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中具有重要的地位。

概念設(shè)計(jì)是展現(xiàn)先進(jìn)設(shè)計(jì)思想的關(guān)鍵,一個(gè)結(jié)構(gòu)工程師的主要任務(wù)就是在特定的建筑空間中用整體的概念來(lái)完成結(jié)構(gòu)總體方案的設(shè)計(jì),并能有意識(shí)地處理構(gòu)件與結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系。一般認(rèn)為,概念設(shè)計(jì)做得好的結(jié)構(gòu)工程師,隨著他的不懈追求,其結(jié)構(gòu)概念將隨他的年齡與實(shí)踐的增長(zhǎng)而越來(lái)越豐富,設(shè)計(jì)成果也越來(lái)越創(chuàng)新、完善。遺憾的是,隨著社會(huì)分工的細(xì)化,大部分結(jié)構(gòu)工程師只會(huì)依賴規(guī)范、設(shè)計(jì)手冊(cè)、計(jì)算機(jī)程序做習(xí)慣性傳統(tǒng)設(shè)計(jì),缺乏創(chuàng)新,更不愿(不敢)創(chuàng)新,有的甚至拒絕對(duì)新技術(shù)、新工藝的采納(害怕承擔(dān)創(chuàng)新的責(zé)任)。大部分工程師在一體化計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)全面應(yīng)用的今天,對(duì)計(jì)算機(jī)結(jié)果明顯不合理、甚至錯(cuò)誤而不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)。隨著年齡的增長(zhǎng),導(dǎo)致他們?cè)诖髮W(xué)學(xué)的那些孤立的概念都被逐漸忘卻,更談不上設(shè)計(jì)成果的不斷創(chuàng)新。

強(qiáng)調(diào)概念設(shè)計(jì)的重要,主要還因?yàn)楝F(xiàn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與計(jì)算理論存在許多缺陷或不可計(jì)算性,比如對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),內(nèi)力計(jì)算是基于彈性理論的計(jì)算方法,而截面設(shè)計(jì)卻是基于塑性理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法,這一矛盾使計(jì)算結(jié)果與結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)差之甚遠(yuǎn),為了彌補(bǔ)這類計(jì)算理論的缺陷,或者實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際存在的大量無(wú)法計(jì)算的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì),都需要優(yōu)秀的概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)措施來(lái)滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的。同時(shí)計(jì)算機(jī)結(jié)果的高精度特點(diǎn),往往給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員帶來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)工作性能的誤解,結(jié)構(gòu)工程師只有加強(qiáng)結(jié)構(gòu)概念的培養(yǎng),才能比較客觀、真實(shí)地理解結(jié)構(gòu)的工作性能。概念設(shè)計(jì)之所以重要,還在于在方案設(shè)計(jì)階段,初步設(shè)計(jì)過(guò)程是不能借助于計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這就需要結(jié)構(gòu)工程師綜合運(yùn)用其掌握的結(jié)構(gòu)概念,選擇效果最好、造價(jià)最低的結(jié)構(gòu)方案,為此,需要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(shí)地、靈活地運(yùn)用它們。

3.概念設(shè)計(jì)的一般原則

3.1.合理選擇結(jié)構(gòu)方案，形成良好結(jié)構(gòu)體系

一個(gè)成功的設(shè)計(jì)必須選擇一個(gè)經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)方案，即要選擇一個(gè)切實(shí)可行的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)體系。必須對(duì)工程的設(shè)計(jì)要求、地理環(huán)境、材料供應(yīng)、施工條件等情況進(jìn)行綜合分析，并與建筑、水、電等專業(yè)充分比商，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型，確定結(jié)構(gòu)方案，必要時(shí)還應(yīng)進(jìn)行多方案比較，擇優(yōu)選用。

要形成良好的結(jié)構(gòu)體系，要求結(jié)構(gòu)構(gòu)件在承載能力極限狀態(tài)下能共同受力、共同交形、協(xié)同工作，有相同的耐久性，同時(shí)達(dá)到極限狀態(tài)。還要正確處理基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，必須把基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)視為一個(gè)有機(jī)的整體，不能把二者割裂開(kāi)來(lái)。

3.2.恰當(dāng)選用計(jì)算簡(jiǎn)圖，正確分析計(jì)算結(jié)果

結(jié)構(gòu)計(jì)算是在計(jì)算簡(jiǎn)圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，計(jì)算簡(jiǎn)圖選用不當(dāng)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全事故屢有發(fā)生，因此選擇恰當(dāng)?shù)挠?jì)算簡(jiǎn)圖是確保結(jié)構(gòu)安全的重要條件。計(jì)算簡(jiǎn)圖應(yīng)有相應(yīng)的構(gòu)造措施來(lái)保證。

由于軟件種類繁多，不同軟件往往會(huì)導(dǎo)致不同的計(jì)算結(jié)果，加之由于程序與結(jié)構(gòu)某處實(shí)際情況不相符合、或人工輸入有誤、或軟件本身有缺陷均會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的計(jì)算結(jié)果，因此工程師的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)是不可缺少的，工程師應(yīng)全面了解程序的適用范圍、技術(shù)條件等，認(rèn)真分析計(jì)算結(jié)果，慎重校核，做出合理判斷，不可迷信電腦。

4.概念設(shè)計(jì)的應(yīng)用

4.1.抗震概念設(shè)計(jì)

地震具有難以把握的復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)變化特點(diǎn)，要準(zhǔn)確地預(yù)見(jiàn)建筑物所遭遇的地震特性及詳細(xì)參數(shù)，是難以做到的。只有輔以準(zhǔn)確的概念設(shè)計(jì)，在宏觀上對(duì)抗震結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，正確分析計(jì)算結(jié)果，合理地對(duì)薄弱環(huán)節(jié)采取構(gòu)造加強(qiáng)措施，才能在經(jīng)濟(jì)合理的前提下，設(shè)計(jì)出抗震性能優(yōu)良的建筑。

為了保證建筑具有足夠的抗震能力，通過(guò)概念設(shè)計(jì)從宏觀上控制結(jié)構(gòu)的抗震性能應(yīng)充分考慮以下環(huán)節(jié)：①選擇對(duì)抗震有利的場(chǎng)地及地基，避免地面變形的直接危害，采取措施保證地基的穩(wěn)定性。② 進(jìn)行合理的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，同一結(jié)構(gòu)單元不宜設(shè)置在性質(zhì)不同的地基土上，不宜采用不同的基礎(chǔ)形式，設(shè)計(jì)時(shí)宜最大限度地發(fā)揮地基的潛力。③建筑物的體型應(yīng)力求簡(jiǎn)單、規(guī)則、對(duì)稱，質(zhì)量和剛度變化均勻，以減少地震作用產(chǎn)生的變形、應(yīng)力集中及扭轉(zhuǎn)反應(yīng)。④選擇合理的結(jié)構(gòu)體系，抗側(cè)構(gòu)件力求均勻?qū)ΨQ，設(shè)置多道抗震防線，避免局部出現(xiàn)薄弱部位，要求結(jié)構(gòu)布置受力明確，傳力簡(jiǎn)捷。⑤各類構(gòu)件之間要有可靠的連接，并具有必要的強(qiáng)度和變形能力，從而獲得整個(gè)結(jié)構(gòu)良好的抗震性能。⑥強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)空間整體性，平面加強(qiáng)連接，豎向確保足夠整體剛度。⑦重視對(duì)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的處理，利用其對(duì)主體結(jié)構(gòu)的有利影響，避免不合理設(shè)置導(dǎo)致對(duì)主體結(jié)構(gòu)的不利影響。⑧盡量減輕結(jié)構(gòu)自重，減少地基土壓力，從而降低向建筑物傳輸?shù)牡卣鹆Α?/p>

4.2.高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)

高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)中以下幾個(gè)問(wèn)題值得重視：①正確認(rèn)識(shí)高層建筑的受力特點(diǎn)，選擇合理的結(jié)構(gòu)類型。高層建筑的受力特點(diǎn)不同于低層建筑。高層建筑從本質(zhì)上講是一個(gè)豎向懸臂結(jié)構(gòu)，水平荷載的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于垂直荷載的影響，水平荷載是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制因素。結(jié)構(gòu)抵抗水平荷載產(chǎn)生的彎矩、剪力以及拉應(yīng)力和壓應(yīng)力應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度，使隨著高度增加所引起的側(cè)向變形限制在結(jié)構(gòu)允許范圍內(nèi)。根據(jù)高層建筑的受力特點(diǎn)，選擇切實(shí)可行的結(jié)構(gòu)類型是非常必要的。②正確選擇合理的結(jié)構(gòu)體系。由于高層建筑中抗水平力成為設(shè)計(jì)的主要矛盾，因此采用何種抗側(cè)力結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性問(wèn)題。選擇高層建筑結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系通常需要考慮的兩個(gè)主要原因是建筑物的高度和使用功能。③選擇合理的結(jié)構(gòu)布置。結(jié)構(gòu)布置的合理與否很大程度影響著建筑的使用、結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和施工的合理性。結(jié)構(gòu)布置不當(dāng)，常常造成薄弱環(huán)節(jié)，引起震害。在結(jié)構(gòu)布置時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性及剛度，加強(qiáng)構(gòu)件的連接，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的薄弱部位和應(yīng)力復(fù)雜部位的強(qiáng)度。④提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。由于高層建筑的受力特點(diǎn)不同于低層建筑，因此在地震區(qū)進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，除應(yīng)保證結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度和剛度外，還應(yīng)具有良好的抗震性能，結(jié)構(gòu)必須具有一定的塑性變形能力來(lái)吸收地震所產(chǎn)生的能量，減弱地震破壞的影響。

4.3.基礎(chǔ)中的概念設(shè)計(jì)

地基土的不確定性很強(qiáng)，至今還沒(méi)有哪個(gè)模型能夠?qū)ζ渥骶_的描述。因此，在基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)中，更需要根據(jù)基本理論知識(shí)及豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，分析、預(yù)見(jiàn)可能出現(xiàn)的各種問(wèn)題，從而找到最合理的處理方案。因此，概念設(shè)計(jì)在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的作用尤為重要。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常規(guī)的方法是將上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)作為彼此獨(dú)立、離散的結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行力學(xué)分析。實(shí)踐表明，這種常規(guī)法計(jì)算得到的基底應(yīng)力和基礎(chǔ)沉降量往往與實(shí)測(cè)值相差甚遠(yuǎn)。事實(shí)上，基礎(chǔ)問(wèn)題的解決不宜單純只著眼于基礎(chǔ)。在上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)該注意由于地基沉降變形差異而引起的上部結(jié)構(gòu)次應(yīng)力、開(kāi)裂等不良現(xiàn)象。所以應(yīng)該把基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)視為一個(gè)統(tǒng)一的整體，從二者相互作用的概念出發(fā)來(lái)考慮基礎(chǔ)方案。當(dāng)然，整體的相互作用分析相當(dāng)復(fù)雜，合理的方法應(yīng)該從二者之間滿足靜力平衡和變形協(xié)調(diào)兩個(gè)條件出發(fā)進(jìn)行分析。設(shè)計(jì)人員除了具各土力學(xué)、地基基礎(chǔ)的基本理論知識(shí)外，還應(yīng)該掌握基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)相互作用的基本概念、原理，了解基礎(chǔ)剛度變化對(duì)上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響、上部結(jié)構(gòu)對(duì)基礎(chǔ)變形的約束作用，以及采用不同地基計(jì)算模型可能在基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的差異。這樣，在基礎(chǔ)選型、布置以及地基模型、參數(shù)的選取時(shí)，才能夠從共同作用的角度加以考慮，力求設(shè)計(jì)出最為經(jīng)濟(jì)、合理的基礎(chǔ)方案。

5.結(jié)語(yǔ)。綜上所述，概念設(shè)計(jì)是綜合性強(qiáng)、應(yīng)用靈活廣泛的工作，需要結(jié)構(gòu)工程師發(fā)揮主觀能動(dòng)性，在應(yīng)用規(guī)范及工程力學(xué)知識(shí)和原理的基礎(chǔ)上，根據(jù)個(gè)人對(duì)結(jié)構(gòu)及其受力狀態(tài)的理解，通過(guò)對(duì)自己積累的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的完美運(yùn)用，熟練、準(zhǔn)確地掌握和應(yīng)用概念設(shè)計(jì)，做出經(jīng)濟(jì)、合理、安全的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊?guī)范、機(jī)械的計(jì)算程序以及受力狀態(tài)多變的結(jié)構(gòu)三者之間做到游刃有余，是每個(gè)結(jié)構(gòu)工程師追求的目標(biāo)，也是概念設(shè)計(jì)的藝術(shù)性之所在。

[1]李侃.論概念設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要性.《現(xiàn)代企業(yè)文化.理論版》.

[2]徐正加.淺析概念設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的意義及應(yīng)用.《大眾商務(wù)》.2010年08期.