建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)措施的應(yīng)用研究

文 豪

隨著生活水平的不斷提高，人們對(duì)建筑物的要求越來越高。因此，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也需要與時(shí)俱進(jìn)，以人們的實(shí)際需求為導(dǎo)向，設(shè)計(jì)出具有現(xiàn)代生活理念的建筑物。概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)措施是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有機(jī)組成部分，二者相互協(xié)同，最終實(shí)現(xiàn)了建筑設(shè)計(jì)的人性化、合理化。通過優(yōu)化概念設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)措施，有利于提高建筑結(jié)構(gòu)的性能，促進(jìn)設(shè)計(jì)的科學(xué)性和可行性，從而延長整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的使用年限。因此，建筑設(shè)計(jì)人員需要在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中合理應(yīng)用概念設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)措施，為建筑工程開展后續(xù)工作打好堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)措施概述

1.1 概念設(shè)計(jì)

概念設(shè)計(jì)是指設(shè)計(jì)人員根據(jù)設(shè)計(jì)方面的相關(guān)理念，依據(jù)個(gè)人實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在勘查建筑現(xiàn)場后，從宏觀上把握建筑結(jié)構(gòu)的外形，并通過對(duì)比分析解決產(chǎn)生的問題，不斷調(diào)整設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)最佳的設(shè)計(jì)效果。概念設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和前提，是設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和理念的充分體現(xiàn)；概念設(shè)計(jì)是對(duì)建筑結(jié)構(gòu)及施工的籠統(tǒng)概括，細(xì)節(jié)不夠明顯，卻能反映出各結(jié)構(gòu)間的關(guān)系與延展性。巧妙地應(yīng)用概念設(shè)計(jì)能夠減少設(shè)計(jì)的估算和計(jì)算錯(cuò)誤，提高設(shè)計(jì)的科學(xué)性，是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最重要的部分之一[1]。

1.2 結(jié)構(gòu)措施

結(jié)構(gòu)措施是概念設(shè)計(jì)的一部分，是概念設(shè)計(jì)內(nèi)容的具體深化和拓展延伸部分，是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的骨架。在設(shè)計(jì)初期，設(shè)計(jì)人員會(huì)通過施工現(xiàn)場的實(shí)地考察，系統(tǒng)分析建筑物的功能、外觀等，并結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，構(gòu)建出科學(xué)的結(jié)構(gòu)體系。

2 概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)措施的重要作用

2.1 優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，先要進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，通過對(duì)建筑物情況及施工環(huán)境的綜合考慮，構(gòu)建建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整體框架，然后通過結(jié)構(gòu)受力分析不斷調(diào)整設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)力的有效均衡分配，實(shí)現(xiàn)以最小成本達(dá)到最佳設(shè)計(jì)效果的目標(biāo)。通過優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案將概念設(shè)計(jì)合理應(yīng)用到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，能夠提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性與合理性，為后續(xù)建筑項(xiàng)目施工奠定基礎(chǔ)。

2.2 促進(jìn)局部設(shè)計(jì)與整體設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)性

概念設(shè)計(jì)是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)宏觀層面的整體框架式設(shè)計(jì)，涵蓋了建設(shè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的各個(gè)要素?，F(xiàn)代施工設(shè)計(jì)應(yīng)具有整體性概念，通過制訂系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，能夠有效指導(dǎo)局部設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)效率，促進(jìn)局部設(shè)計(jì)與整體設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)，提升整個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)水平。例如，進(jìn)行水電設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分利用概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)措施，判斷其與建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)間的融合程度及彼此間的相互影響。在此基礎(chǔ)上優(yōu)化水電設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)水電局部設(shè)計(jì)與整體設(shè)計(jì)間的協(xié)調(diào)，節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間和成本。

2.3 提升建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的創(chuàng)新性

傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要依靠計(jì)算機(jī)、信息軟件等硬件設(shè)備計(jì)算出來的客觀數(shù)據(jù)，由于這些數(shù)據(jù)使用時(shí)不夠靈活變通，因此無法判斷其合理性與實(shí)用性。概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)措施在計(jì)算機(jī)計(jì)算的基礎(chǔ)上加入了設(shè)計(jì)人員的主觀經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)理念，將主觀與客觀有機(jī)結(jié)合來判斷計(jì)算機(jī)計(jì)算數(shù)據(jù)的科學(xué)性和實(shí)用性，并通過經(jīng)驗(yàn)交流不斷進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的創(chuàng)新。

3 概念設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)措施的原則

3.1 受力合理原則

概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)措施需要充分考慮建筑結(jié)構(gòu)的受力情況，準(zhǔn)確分析影響建筑結(jié)構(gòu)變形的因素并加以規(guī)避。在建筑結(jié)構(gòu)受力方面，均勻受力要優(yōu)于集中受力情況，而多跨連續(xù)結(jié)構(gòu)要優(yōu)于單跨結(jié)構(gòu)。在概念設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)措施中需要遵循合理受力的原則，設(shè)計(jì)過程中關(guān)注重點(diǎn)部位、薄弱部位，優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)的受力情況，保證建筑結(jié)構(gòu)受力平衡，避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的情況[2]。

3.2 完整原則

概念設(shè)計(jì)雖然是籠統(tǒng)性的設(shè)計(jì)，但涵蓋的內(nèi)容非常全面。在概念設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)措施中應(yīng)能完整反映建筑工程的基本內(nèi)容，不僅要反映建筑物的性能、外觀、材料等內(nèi)在情況，還要反映出建筑物的地基土質(zhì)等外在情況。通過綜合考慮各方面因素，科學(xué)分析和判斷建筑物的承載力，利用交叉、疊合等設(shè)計(jì)方式優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提升建筑結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)固性。

4 概念設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)措施的步驟

概念設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)措施是基于建筑物的客觀情況，根據(jù)設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)、理念等主觀因素不斷優(yōu)化整個(gè)設(shè)計(jì)過程。概念設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)步驟。

4.1 分析

前期分析只是一個(gè)準(zhǔn)備階段，是建立在對(duì)建筑物了解的基礎(chǔ)上分析建筑物存在的問題。在設(shè)計(jì)初期，設(shè)計(jì)人員需要了解建筑物的結(jié)構(gòu)、性能、外觀及地基的地質(zhì)情況，全面收集一切與建筑物有關(guān)的信息和材料，并根據(jù)材料分析建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可能存在的問題，實(shí)現(xiàn)信息的最大化[3]。

4.2 綜合

綜合是分析的深化和升華，是概念設(shè)計(jì)中最重要的一個(gè)階段。設(shè)計(jì)人員在了解建筑物基本情況并分析建筑物存在的問題后，運(yùn)用自身的專業(yè)知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)將符合建筑物情況的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案通過圖紙的形式展現(xiàn)出來，使抽象的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)構(gòu)思得以具體化和形式化[4]。

4.3 評(píng)估

評(píng)估是階段性的工作，設(shè)計(jì)人員每完成一步設(shè)計(jì)計(jì)劃就要進(jìn)行專業(yè)評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果選擇一種科學(xué)、合理的設(shè)計(jì)計(jì)劃。因此，評(píng)估并不是一項(xiàng)固定的工作，而是周期性的工作[5]。

4.4 完成

完成是概念設(shè)計(jì)的最后一個(gè)步驟。經(jīng)過反復(fù)的科學(xué)評(píng)估選出最優(yōu)、最經(jīng)濟(jì)安全的概念設(shè)計(jì)，并根據(jù)概念設(shè)計(jì)開展后續(xù)的設(shè)計(jì)工作，將概念設(shè)計(jì)落到實(shí)處，提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的效率。

5 概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)措施的應(yīng)用

5.1 概念設(shè)計(jì)的應(yīng)用

5.1.1 科學(xué)選擇基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，是概念設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)前應(yīng)進(jìn)行勘察，了解建筑物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部特征，并根據(jù)建筑物的特點(diǎn)和周邊環(huán)境選擇適宜的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)按照構(gòu)造形式可以分為樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、箱型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、條形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及獨(dú)立基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)等，其中樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)適用于地表土壤松軟或者荷載相對(duì)較大的高層建筑，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，通過豎向單樁承載力或者群樁承載力，承擔(dān)了建筑物的全部豎向荷載。箱型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是剛度大，可以將建筑物傳來的荷載均勻分布，避免受力不均勻產(chǎn)生基礎(chǔ)沉降不一致的現(xiàn)象，且具有較好的抗震性能?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)的選擇考驗(yàn)了設(shè)計(jì)人員的選型能力，因此設(shè)計(jì)人員要提高對(duì)勘察工作的重視程度，通過實(shí)地勘察收集相關(guān)數(shù)據(jù)信息，全面了解建筑物周邊的地質(zhì)、水文、氣候等情況，并結(jié)合自身的專業(yè)知識(shí)選擇合理的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案[6]。

5.1.2 選擇合理的主體結(jié)構(gòu)

主體結(jié)構(gòu)是建筑結(jié)構(gòu)的骨骼，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)具有重要的支撐作用，一般遵循對(duì)稱、均勻的原則。從建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論來講，對(duì)稱、均勻的結(jié)構(gòu)承載力和穩(wěn)定性是最強(qiáng)的，可以減少建筑材料的使用，降低建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)力，保證建筑結(jié)構(gòu)的承載力符合建筑要求。在設(shè)計(jì)過程中，為了保證結(jié)構(gòu)平衡，需要調(diào)整建筑結(jié)構(gòu)的重心，使其均勻?qū)ΨQ。例如，剪力墻是主體結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其在平面內(nèi)抵抗外力方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢，但平面外的抗力卻明顯不足。為了能夠?qū)崿F(xiàn)抗力均衡，需要設(shè)置兩個(gè)垂直相交的墻體，合理利用兩個(gè)方向的外力，從而降低因外力作用而產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)[7]。

5.1.3 科學(xué)選擇建筑結(jié)構(gòu)剛度

建筑結(jié)構(gòu)的剛度在穩(wěn)定性、安全性、經(jīng)濟(jì)性方面具有非常重要的意義。通過建筑結(jié)構(gòu)剛度的選擇，不僅能提高空間利用率，還可以節(jié)約材料，提升經(jīng)濟(jì)效益。為了選擇合適的建筑結(jié)構(gòu)剛度，設(shè)計(jì)時(shí)要合理設(shè)計(jì)配筋率，使平面設(shè)計(jì)滿足剛性樓板的要求，盡量不選擇大開洞等平面，并且所選施工材料的強(qiáng)度要滿足建筑要求和規(guī)范規(guī)定。實(shí)踐表明，建筑結(jié)構(gòu)的剛度越大，在遭受地震等自然災(zāi)害時(shí)所受到的影響就越大。因此，在材料的選用上要充分考慮建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力，盡量使用輕型材料，減少厚重材料的使用[8]。

5.1.4 科學(xué)選址

科學(xué)選址也是概念設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容，是進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工的前提。建筑選址時(shí)需要綜合考慮日照間距、安全防護(hù)距離等因素。在地震、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害較為嚴(yán)重的危險(xiǎn)區(qū)域禁止建設(shè)建筑物，避免地質(zhì)災(zāi)害造成的嚴(yán)重后果。在一般危險(xiǎn)區(qū)域建設(shè)建筑物，需要額外強(qiáng)化建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，提升建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和抗震能力。

5.1.5 科學(xué)選擇建筑材料

建筑結(jié)構(gòu)的材料是建筑工程的主要載體，對(duì)建筑工程質(zhì)量具有重要影響。建筑工程的材料類型多種多樣，實(shí)際施工過程中經(jīng)常使用的材料是鋼筋和混凝土，是建筑工程最基本的材料。按照概念設(shè)計(jì)的理念要求，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要結(jié)合建筑物的具體情況選擇合適的建筑材料，每個(gè)建筑工程的施工材料在達(dá)到建筑結(jié)構(gòu)基本標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上各有不同，建筑材料的購置和選擇必須充分考慮建材本身和建筑整體的契合度[9]。

5.2 結(jié)構(gòu)措施的應(yīng)用

5.2.1 提高材料的利用率

結(jié)構(gòu)措施是概念設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，對(duì)設(shè)計(jì)具有輔助作用。結(jié)構(gòu)措施不僅能夠維護(hù)建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，還能提高建筑材料的利用率。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)需要重視建筑材料的性價(jià)比，在保證建筑結(jié)構(gòu)性能的前提下提高建筑材料的利用率，降低建筑材料的投入成本，并在保障質(zhì)量的前提下提升建筑構(gòu)件的性能，降低建筑工程的成本。例如，具體施工階段，由于梁易發(fā)生變化，材料的利用率比較低，通過概念設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)措施可以對(duì)梁截面進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，有利于提高材料的利用率。

5.2.2 強(qiáng)化協(xié)同工作

協(xié)同理念已經(jīng)成為現(xiàn)代化生產(chǎn)和設(shè)計(jì)的重要理念，其在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中是指建筑結(jié)構(gòu)各個(gè)部件在自身承載力能夠滿足外力要求的情況下，相互之間還能夠相互配合、協(xié)調(diào)工作。協(xié)同工作是建筑的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)的有機(jī)協(xié)同，二者共同構(gòu)成建筑結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一整體；協(xié)同工作還是建筑結(jié)構(gòu)整體受力與單個(gè)部件受力的有機(jī)協(xié)同，在整體建筑結(jié)構(gòu)達(dá)到承載力要求的基礎(chǔ)上，各部件的承載力也要滿足標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范[10]。同時(shí)，協(xié)同工作還能夠完整反映各個(gè)部件間的配合關(guān)系，以各構(gòu)件的性能指標(biāo)為核心充分發(fā)揮構(gòu)件的承載及使用性能。

我國多層、高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為了保持承重力柱在同一個(gè)水平位移范圍內(nèi)，一般避免過多短柱的設(shè)計(jì)。在傳統(tǒng)的多層、高層建筑中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要采用平面相交的方式來抵抗水平力的作用，在建筑結(jié)構(gòu)的四周進(jìn)行抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的剛度和穩(wěn)定性。隨著建筑行業(yè)的發(fā)展，高層、超高層建筑逐漸成為主流，為了避免底層柱的截面面積過大，需要采用“田形柱”的方式提高建筑結(jié)構(gòu)的承受力。

6 結(jié)語

隨著我國建筑行業(yè)的快速發(fā)展，建筑標(biāo)準(zhǔn)越來越多，人們對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求也越來越高。為了達(dá)到低投入高產(chǎn)出的效果，保證建筑行業(yè)健康發(fā)展，概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)措施成為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。

通過將概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)措施應(yīng)用在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，有利于提升建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性和可行性，推動(dòng)建筑工程項(xiàng)目的順利進(jìn)行。設(shè)計(jì)人員應(yīng)重視概念設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)措施，提升其應(yīng)用水平，促進(jìn)建筑行業(yè)的健康發(fā)展。