建筑概念设计和结构概念设计

摘 要：从城市建设和管理的角度看,建筑物向高空延伸,可以缩小城市的平面规模,为人们提供更多的生活工作空间,缩短城市道路和各种公共管线长度,从而节省城市建设与管理的投资,高层建筑设计成为城市建筑的发展趋势,随着经济和社会的发展,新的建筑形式层出不穷,给设计师提出了更高的要求.

关 键 词：高层建筑结构设计浅析

在高层设计中,建筑和结构是关系最密切的专业.建筑师往往根据建筑的使用功能和美学要求处理建筑体型,包括平面和立面,而结构师则根据受力的合理性进行结构设计,其中结构形式和结构体系的选择,结构总体布置等对结构的受力性能优劣性起决定性作用.结构的总体布置与结构体型密切相关,简单的体型易于得到规则和受力合理的结构总体布置,可使结构具有良好的抗震性能,反之,过于复杂的建筑平面和立面体型,将增加结构设计的困难,造成结构布置的不规则性.因此优秀的设计是建筑和结构的完美结合,需建筑师和结构师密切合作.在方案设计阶段,就应根据建筑物的高度、抗震设防烈度等具体条件合理选用结构形式和结构体系.

1结构设计的任务

结构设计应根据建筑物的重要性等级、建筑使用功能或生产需要所确定的荷载、抗震要求、设防标准等,对结构基本构件和整体进行设计,以保证基本构件的强度、变形、裂缝满足设计要求,同时保证结构体系的整体安全性、稳定性、变形性能,保证在突发事件发生时,结构保持一定的整体性,使人们的生命安全得以保证,保证合理用材,方便施工,同时尽可能降低建筑造价.总之,结构设计的核心是解决两个问题：一是满足建筑结构功能要求,二是经济问题.

2概念设计

概念设计是根据理论与实验研究结果及工程经验等形成的基本设计原则和设计思想,进行结构的总体布置,并正确确定细部构造的过程,需要遵循相应规范条文进行合理的平面设计、竖向设计、基础设计等.

概念设计包括建筑概念设计和结构概念设计两个方面.建筑概念设计是对满足建筑使用功能、造型优美、技术先进的总建筑方案的确定,结构概念设计是在特定的建筑空间中用整体的概念来完成结构总体方案的设计.结构概念设计旨在有意识地处理构件与结构、结构与结构的关系,满足结构的功能要求和建筑功能的需要,以及技术经济可能的设计原则,确定最优的结构体系,选择适用的建筑材料和合理的关键部位构造、结合适宜的施工及合理的效益达到房屋设计的统一.

3高层建筑抗震概念设计若干原则

建筑抗震性能是概念设计的决定因素,概念设计应遵循一定的原则.

3.1结构抗侧力结构的布置宜规则、对称,受力明确简单、传力合理不间断,保证良好的整体性.

3.2结构构件应具有必要的承载力、刚度、稳定性、延性,构件应遵循“强柱、弱梁、更强节点、强剪、弱弯、强底层柱（墙）底”的原则

3.3结构中应尽可能设置多道抗震防线.结构体系中应由多个延性较好的分体,并由延性较好的结构构件连接起来协同工作,以便地震时结构能吸收和耗散大量的地震能量,避免大震倒塌.

3.4对可能出现的薄弱部位,应采取措施提高其抗震能力,防止在局部上加强而忽视整个结构各部位的刚度、承载力协调.考虑上部结构嵌固于基础结构或地下室结构之上时,应使基础结构或地下室结构保持弹性工作状态,使塑性铰出现在结构嵌固部位.

4高层建筑结构设计注意问题

高层建筑设计从体系选择、平面布置、竖向布置、抗震概念设计无一不体现设计师的水平,下面叙述几个需注意的问题.

4.1结构体系选择

结构体系的选择,应从建筑、结构、施工技术条件、建材、经济等各专业综合考虑.结构的规则性问题.规范在这方面有相当多的限制条件,例如：平面规则性信息、嵌固端上下层刚度比信息等,而且,采用强制性条文明确规定“建筑不应采用严重不规则的设计方案.”因此,结构工程师在遵循规范规定上必须格外注意,避免后期施工图设计阶段工作的被动.

结构的超高问题.在抗震规范与高规中,对结构总高度都有严格限制,除将原来的限制高度设定为高度建筑外,还增加了B级高度建筑,因此,必须对结构高度严格控制,一旦结构为B级高度建筑或超过了B级高度,其设计方法和处理措施将有较大的变化.

4.2“设缝”

温度伸缩缝、沉降缝、防震缝是高层结构设计中较重要的构造措施.对温度伸缩缝,其影响因素很多,规范用规定结构伸缩缝的最大间距来控制,还规定了最大间距宜适当减小和适当放宽的情况,应根据实际工程的具体情况执行相关条文.如北京朝阳商业中心、广东佛山医院等工程地上结构长度均超过100米,由于采取了可靠措施,也未设温度伸缩缝而效果良好.

沉降缝由于同一建筑物中各部分基础显著的沉降差产生,在设计中,通常用“放”、“抗”、“调”等办法解决,即设沉降缝、采用刚度大的基础、调整各部分基础形式或施工顺序.目前,广州、深圳等地多采用基岩端承桩,主楼、裙房间不设缝,北京的高层建筑则一般采用施工时留后浇带的做法.设计师应在实际中灵活掌握.

防震缝在规范中有明确规定,但应据实际情况适当放宽或缩小.

4.3侧向位移的限值

高层建筑结构的水平位移随着高度增长而迅速变大,为防止位移过大,规范对顶点位移和层间位移都作了限制.控制顶点位移u/h的主要目的是保证建筑内人体有舒适感和防止房屋在罕遇地震时倒塌.但控制房屋在罕遇地震时倒塌与否的条件是结构极限变形能力而不是u/h限值.另外,为使结构具有较好的防倒塌能力,应在结构计算中考虑相关效应.控制层间位移△u/h的主要目的是防止填充墙、装饰物等非结构构件的开裂和损坏.

4.4高层建筑结构设计中的扭转问题

建筑结构的几何形心、刚度中心、结构重心即为建筑三心,在结构设计时要求建筑三心尽可能汇于一点,即三心合一.结构的扭转问题就是指在结构设计过程中未做到三心合一,在水平荷载作用下结构发生扭转振动效应.为避免建筑物因水平荷载作用发生扭转破坏,应在结构设计时选择合理的结构形式和平面布局,尽可能使建筑物做到三心合一.在水平荷载作用下,高层建筑扭转作用的大小取决于质量分布.为使楼层水平力作用沿平面分布均匀,减轻结构的扭转振动,应使建筑平面尽可能采用方形、矩形、圆形、正多边形等简单平面形式.在某些情况下,由于城市规划对街道景观的要求以及建筑场地的限制,高层建筑不可能全部采用简单平面形式,当需要采用不规则L形、T形、十字形等比较复杂的平面形式时,应将凸出部分厚度与宽度的比值控制在规范允许的范围之内,同时,在结构平面布置时,应尽可能使结构处于对称状态.

结语

高层建筑的发展,充分显示了科学技术的力量,使设计师从过去强调艺术效果转向重视建筑特有功能与技术因素.建筑结构设计人员要明确自己的责任,从结构方案的确定、结构计算、构造要求等多方面考虑,提高结构设计质量.