建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中結(jié)構(gòu)概念應(yīng)用分析

楊全慶　楊慶兵

【摘 要】在建筑結(jié)構(gòu)實際中概念設(shè)計的應(yīng)用是非常重要的，概念設(shè)計與結(jié)構(gòu)措施優(yōu)化了實際結(jié)構(gòu)理論中存在無法精確計算的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計。因此，需要加強(qiáng)結(jié)構(gòu)概念的培養(yǎng)，以推動結(jié)構(gòu)設(shè)計的發(fā)展。本文從概念設(shè)計重要性的概述出發(fā)，分析了介紹了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中概念設(shè)計的重要性應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計；概念設(shè)計；重要性；剪力墻；指標(biāo)控制

傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計計算，以抗震設(shè)計為例，一般根據(jù)初步確定的結(jié)構(gòu)斷面尺寸、混凝土強(qiáng)度等級計算出結(jié)構(gòu)剛度，再根據(jù)結(jié)構(gòu)剛度計算出地震力，再進(jìn)行配筋計算。但是，結(jié)構(gòu)剛度越大，地震作用效應(yīng)就越大，配筋量就越大，越不經(jīng)濟(jì)，恰恰是為了抵御地震力設(shè)置的大量鋼筋卻又增加了結(jié)構(gòu)的剛度，增強(qiáng)了地震作用效應(yīng)。那我們在概念設(shè)計中就可以考慮降低地震作用效應(yīng)，隔震效能就是一個很好的設(shè)計概念：在基礎(chǔ)和主體間設(shè)置柔性隔震層；加設(shè)類似于阻尼器的消能支撐；可能的情況下在建筑物頂部裝設(shè)一個“反擺”。這樣合理運用概念設(shè)計可降低地震作用效應(yīng)達(dá)60%多，能用很經(jīng)濟(jì)的造價建造出很安全的建筑。當(dāng)然，提出的這一思想在實際中可能運用不多，許多技術(shù)尚在研究之中，但恰恰說明了概念設(shè)計能夠很好地拓寬設(shè)計思路。

1.結(jié)構(gòu)概念設(shè)計與建筑方案的關(guān)系

結(jié)構(gòu)概念設(shè)計是指結(jié)構(gòu)工程師根據(jù)設(shè)計任務(wù)的要求，基于建筑師給出的建筑方案在現(xiàn)有的工程技術(shù)條件下，在安全、經(jīng)濟(jì)、合理的思想指導(dǎo)下通過構(gòu)思、 初步建模電算等手段， 產(chǎn)生的一種或多種結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的思考過程。它必然地包含了建筑師和結(jié)構(gòu)工程師對建筑產(chǎn)品的共同構(gòu)想，在結(jié)構(gòu)概念設(shè)計過程中，結(jié)構(gòu)工程師從本專業(yè)角度出發(fā)本著與建筑師共同探討、交流，和彼此適度合理地妥協(xié)的精神，最大限度地將最合理的結(jié)構(gòu)構(gòu)思融合進(jìn)建筑設(shè)計方案中。因此， 結(jié)構(gòu)概念設(shè)計和建筑方案設(shè)計一定是同步進(jìn)行的， 結(jié)構(gòu)概念設(shè)計與建筑概念設(shè)計一里一表、且互相支撐?？梢娊ㄖ熀徒Y(jié)構(gòu)師相互配合、共同促進(jìn)方案（建筑及結(jié)構(gòu)）的形成是建筑設(shè)計活動早期的基本特征，它也是結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的一個基本前提。

2.概念設(shè)計的重要性

概念設(shè)計在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中起著關(guān)鍵性的作用，對概念設(shè)計合理有效的應(yīng)用，不僅可以豐富結(jié)構(gòu)工程師的實踐經(jīng)驗，而且使其設(shè)計成果和設(shè)計理念也得以不斷完善、創(chuàng)新。但在實際建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，多數(shù)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計師將設(shè)計鎖定在規(guī)范與設(shè)計手冊等范圍內(nèi)，不敢承接新技術(shù)的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，缺乏創(chuàng)新精神和動力，使得建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計理念乏善可陳，沒有什么突破和創(chuàng)意。而建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計理論和設(shè)計計算理論中總會出現(xiàn)計算與實際無法相符的問題或是存在無法計算的結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計，這就要求概念設(shè)計結(jié)合結(jié)構(gòu)措施來優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。而作為建筑結(jié)構(gòu)工程師，需要綜合自身所掌握的理論概念來選擇經(jīng)濟(jì)適用、安全可靠的設(shè)計方案，所以，結(jié)構(gòu)工程只有通過豐富自己所能掌握的結(jié)構(gòu)概念，充分了解并合理運用各種結(jié)構(gòu)性能，才能交出好的設(shè)計方案，成功完成設(shè)計任務(wù)。

3.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中概念設(shè)計的應(yīng)用

3.1總體指標(biāo)控制

計算判斷結(jié)構(gòu)抗震是否可行的主要依據(jù)是在風(fēng)荷載和地震作用下水平位移的限值；地震作用下，結(jié)構(gòu)的振型曲線，自振周期以及風(fēng)荷載和地震作用下建筑物底部剪力和總彎矩是否在合理范圍中，總體指標(biāo)對建筑物的總體判別十分有用。若剛度太大，周期太短，導(dǎo)致地震效應(yīng)增大，造成不必要的材料浪費；但剛度太小，結(jié)構(gòu)變形太大，影響建筑物的使用。

因此，在小高層建筑房屋中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件宜采用高強(qiáng)度材料，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和圍護(hù)墻體應(yīng)用輕質(zhì)材料。減輕房屋自重，既減小了豎向荷載作用下構(gòu)件的內(nèi)力，使構(gòu)件截面變小，又可減小結(jié)構(gòu)剛度與地震效應(yīng)，不但能節(jié)省材料，降低造價，還能增加使用空間。

3.2基礎(chǔ)設(shè)計

研究地基基礎(chǔ)對建筑抗震能力的影響，做出恰當(dāng)?shù)倪x擇，已成為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要部分，基礎(chǔ)是房屋的根基，是房屋中極為重要的組成部分，一幢房屋如果沒有一個堅實可靠的基礎(chǔ)，再好的上部結(jié)構(gòu)也不可能正常發(fā)揮其作用，甚至可能導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)的破壞與傾斜。

另外，筏板長度的設(shè)置也須研究探討，由于考慮地下室的使用合理性，常規(guī)采用設(shè)置后澆帶來解決底板超長引起的收縮及溫度裂縫，后澆帶的作用是明顯的，但也給施工帶來了不少麻煩，甚至由于處理不當(dāng)而引起后澆帶漏水及裂縫。而有些高層，長寬均達(dá)一百米以上，中間就設(shè)置幾條后澆帶.也沒有其他措施，這樣是不妥當(dāng)?shù)摹?/p>

3.3剪力墻設(shè)計

剪力墻中的連梁跨度小，截面高度大，在地震作用下彎矩、剪力很大，有時很難進(jìn)行設(shè)計，如果加大連梁高度，配筋值有時反而更大。連梁高度一般是從洞頂算到上一層洞底或從洞項算到樓面標(biāo)高。對于門洞，上述所示情況梁的高度是一樣的；但對于窗洞，連梁高度如果從窗洞算到上一層窗底，有時則高度太高，這樣高跨比太大，并且與計算圖形不符，相應(yīng)配筋亦較大，不合理。建議連梁高度計算與設(shè)計統(tǒng)一規(guī)定從洞頂算到樓板面或屋面，對于窗洞樓面至窗臺部分可用磚或其他輕質(zhì)材料砌筑。對于窗臺有飄窗時，可再增加一根梁，兩根梁之間用磚填充。連梁配筋應(yīng)對稱配置，腰筋同墻體水平筋。

4.結(jié)構(gòu)概念設(shè)計措施

為保證建筑結(jié)構(gòu)的安全可靠性，提高建筑物的抗震性能 結(jié)構(gòu)概念設(shè)計所采用的措施應(yīng)該從保證安全、全面防震方面下手，主要有：（1）選擇有利于抗震的建筑場地條件，提高建筑物穩(wěn)定性，避開不利地段或采取有效防震措施；（2）選用符合抗震要求的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)材料，同時保證建筑結(jié)構(gòu)的延性和均質(zhì)性，使建筑結(jié)構(gòu)體系能達(dá)到建筑要求的抗震目的；（3）合理優(yōu)化各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)弱，盡可能多設(shè)置抗震防線，使抗震防線在地震持續(xù)往復(fù)作用下能增加結(jié)構(gòu)的抗震能力；（4）在提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度的同時，選擇性提高重要構(gòu)件的延性，使建筑結(jié)構(gòu)達(dá)到合理剛度與承載力分布，加強(qiáng)建筑物的抗震性能；（5）保證抗震的構(gòu)造連接與經(jīng)過計算的節(jié)點連接，把握好整個構(gòu)造連接在規(guī)范內(nèi)的度的問題，確保結(jié)構(gòu)的整體性；（6）讓建筑物的平、立面布置與概念設(shè)計的要求相符，杜絕不規(guī)則方案；（7）拋開常規(guī)的以計算機(jī)完成設(shè)計計算的方式， 合理運用設(shè)計的實踐經(jīng)驗， 以概念結(jié)合實際問題進(jìn)行綜合的分析計算， 并實行合理調(diào)整。

由此可見，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中概念設(shè)計應(yīng)用是非常重要的。在以后的工作中，我們必須注重概念設(shè)計的應(yīng)用，通過應(yīng)用概念設(shè)計，不但滿足建筑設(shè)計的安全性，耐久性和舒適性，還要在此基礎(chǔ)上，采用合理的結(jié)構(gòu)體系。 [科]

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