概念设计在建筑结构设计中的应用

【摘 要】针对传统建筑结构设计缺少创新,无法与建筑、设备、施工等完美整合的缺陷,本文探讨了概念设计的优点、方法以及在建筑结构设计中的应用,论述了概念设计适应目前建筑工程日趋复杂、不确定因素多的优势所在.

【关 键 词】概念设计；建筑结构；应用

传统上,建筑结构设计是从考虑结构方案开始,需要经历体系、布置、计算、构造到施工图这样一个过程,设计主要依据各种建筑结构设计规范,结合一些理论分析,基本上是按部就班、没有太多创新实践的流程性的活动,这样的方式难以实现建筑功能、结构、美观及建造的完美统一[1].结构概念设计,在项目规划设计阶段就参与其中,通过宏观的把握,运用结构设计的理论和比较现有结构设计的实践成果,从建筑规划的意图、功能、材料、施工、造价等方面的综合理解出发,进行概念性的分析、估算、评价和选择,从而实现“多快好省”的设计目标.概念设计为建筑结构设计开创了新的设计空间,可以更好地适应当今建筑工程日趋复杂、不确定因素多的现实需求.因此,结构设计人员应当熟悉并用好概念设计方法,以达到更加合理、可靠、经济的设计目标.

1.建筑结构概念设计方法

1.1　概念设计过程

概念设计过程,是经过分析-综合-评价三个阶段的不断循环改进和提高而实现的,如图1所示.分析即通过对问题的剖析,加深对问题的理解.由于信息不太清晰,数据也不够完整,可供设计人员使用的是一些相对准确的描述性的概念.综合过程就是产生方案的过程.在此过程中,通过运用结构设计理论和工程经验,将方案以图形表达出来,而实现这一过程需要创造性的思维方式,甚至是设计的灵感.评价即经过判断和比较选择最佳方案.设计人员通过分析模型,并进行数据计算等方式,对各种方案进行比较,从而选择经济合理、技术可行的方案.由于方案不会一次就令人满意,需要经过多次的循环改进,直至令各方满意为止[2].

1.2　概念设计原则

（1）全面分析、注重协调

全面分析就是既要考虑整体要求,也要顾及局部需求.先从整体入手,在通盘考虑建筑、结构、施工三维关系的基础上,思考建筑功能、技术、经济之间的特点和关联.根据建筑场地条件,确定主要分体系的结构形式、基础选型,进而确定构件类型及其连接关系.再从结构的使用要求、安全性能、耐久性和整体稳定性上进行调整.解决了三维构思的问题,就要考虑竖向分体系（即基础、柱、墙）和水平分体系（板、梁）之间的二维关系.最后就是进行一维施工图设计[3].

功能协调就是充分考虑建筑、结构、设备、施工之间的协调.建筑与结构之间要考虑建筑的使用与结构的配置、建筑的分区与结构的分段之间的功能协调；结构与设备之间应思考结构布局与设备布置、结构构造与设备安排之间的功能协调；结构与施工之间需设想结构构件与施工可行性、局部构件与施工便利性、构件受力状态与施工做法之间的功能协调.

（2）因地制宜、精益求精

因地制宜就是设计方案要针对当地的实际情况,如了解气象、水文、地质等自然条件；考察民情、民俗、传统文化背景等社会环境；研究当地资源、设备供应、施工技术等施工所具备的能力.

精益求精就是设计方案要能够做到优中选优.不仅从“面”上考虑,还要顾及到“点”和“线”；既要思考纵向体系,也要分析水平体系；不仅能分析问题,还要会提出问题；采用方法上,既要有理论定性分析,也需做模拟试验来判断；评价上,除了评价能否的问题,还要知道可否、值否,更要会分析应否.

（3）减轻自重、合理受力

努力减轻建筑自重,应成为结构设计人员不懈追求的目标和进行概念设计的原则.减轻自重的好处包括降低荷载、减小地震作用效应、节省成本、提高施工速度、节约资源等.减轻自重的方法是积极采用高强材料、新型材料；结构布置上更加合理；采用有效减轻自重的结构体系和高效结构型式,如预应力结构、网架网壳体系、空间桁架等.

合理受力是要求结构构件受力均匀、传力简捷和清晰.因此,应利用结构的对称性、刚度的相对性以及变形的连续性和协同性,充分考虑受力的合理性.对于协调受力的构件,应将其作为整体来看待,如进行基础设计时要将地基、基础、上部结构视为整体,并利用等带刚度法考虑上部结构对基础的影响.

（4）空间作用、优化选型.

在进行建筑结构计算时,出于分析和计算的方便,而将建筑分解成平面状态进行分析,而实际上建筑物是空间结构,因此进行概念设计时就应该考虑建筑空间作用,例如考虑板与梁的相互作用、剪力墙体系与框架体系的相互作用等.

优化选型主要是优化结构体系、优化结构布置及构造合理化等原则.优化结构体系,即根据建筑、使用、环境和荷载优化选用合适的构件,再构成体系；优化结构布置,是在满足使用要求前提下,合理布置纵向体系、水平体系和基础系统；构造合理化是构造的理论要求应与实际构造做法保持一致等.

2.概念设计在结构设计中的应用

2.1　在抗震设计中的应用

传统结构设计方法,主要关心提高结构抗力　,以至于陷入混凝土强度等级越用越高,配筋量越用越多,结构自重越来越大,造价越来越高的误区.结果造成到处都是肥梁、胖柱、深基础的怪现象.具体到抗震设计方面,初定尺寸、混凝土强度等级　结构强度　地震力　配筋率.为了抵御地震作用去配筋,必然增加结构刚度,整体刚度增加又必然导致地震作用效应增强[3].

采用概念设计的思想,可以有效克服这种困境.譬如采用隔振消能的做法,在基础与主体结构之间加设柔性的隔震层、隔震器,或者在建筑顶部安装“反摆”装置等,通过增加阻尼,降低加速度,减小地震作用效应,提高建筑的安全性,实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震目标.图2是减震器的例子.

2.2　在基础设计中的应用

基础将上层结构的荷载传给地基,建筑的结构和地基的承载力决定了基础的型式.常用的基础有独立基础、条形基础、桩基础、箱形基础和筏形基础等型式.在决定采用何种基础型式时,应根据建筑场地的地质勘察报告、地震设防烈度、荷载特点等综合之后选择.当地基较软、建筑层数较多、负荷较大而天然地基承载不足时,应考虑采用桩基础,将负荷传至下部的持力层.高层建筑常采用箱形基础,由于该型式基础可将上部荷载均匀传给地基,可有效改善基础的不均匀沉降问题.筏形基础整体性好、刚度大,适