隋翔宇

隨著計(jì)算機(jī)和結(jié)構(gòu)分析軟件的廣泛應(yīng)用和普及，它使結(jié)構(gòu)工程師擺脫了過(guò)去必須進(jìn)行的大量的手工計(jì)算，工作效率得以大幅度的提高。與此同時(shí)，有些結(jié)構(gòu)工程師對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件的依賴性也越來(lái)越大，有時(shí)甚至過(guò)分地相信計(jì)算軟件，而忽略了概念設(shè)計(jì)的重要性。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要分為民用建筑設(shè)計(jì)和工業(yè)建筑設(shè)計(jì)，在民用建筑內(nèi)，無(wú)論是居住建筑還是公共建筑，一般建筑體型比較規(guī)則，荷載情況比較簡(jiǎn)單;相反，在工業(yè)建筑中，隨著工藝特點(diǎn)的不同，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)布置及結(jié)構(gòu)形式也不一樣，往往建筑體型不規(guī)則，荷載情況也比較復(fù)雜;在設(shè)計(jì)中，由于工藝要求的特殊性，結(jié)構(gòu)布置必須滿足特定的工藝布置，如電纜夾層在框架結(jié)構(gòu)中容易形成短柱;框架內(nèi)的輸送皮帶形成的斜樓板，造成的錯(cuò)層布置;大型設(shè)備在室內(nèi)布置，也容易造成框架柱在某一個(gè)方向的計(jì)算長(zhǎng)度的取值問(wèn)題;廠房的毗間、山墻、屋頂?shù)木植靠蚣軉?wèn)題;振動(dòng)設(shè)備的減振構(gòu)造措施等等。這些問(wèn)題在采用結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件進(jìn)行分析時(shí)，往往在規(guī)范中缺少明確的規(guī)定，需要結(jié)構(gòu)工程師依靠豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來(lái)處理。另外，工業(yè)建筑的復(fù)雜荷載工況也給計(jì)算帶來(lái)了許多麻煩，這還需要結(jié)構(gòu)工程師對(duì)主要工藝性能做進(jìn)一步的了解，才能判斷出什么樣的荷載工況才是最不利的，有的時(shí)候甚至要自己根據(jù)工藝特點(diǎn)進(jìn)行荷載組合。在遇到這些問(wèn)題時(shí)，不能簡(jiǎn)單的按照常規(guī)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，往往這些特殊因素才是真正的控制因素?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)通用的結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件基本都是以民用建筑作為主要適用對(duì)象，民用建筑大部分結(jié)構(gòu)布置都比較規(guī)范，荷載情況也比較單一，因此，國(guó)內(nèi)通用的結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件基本都能夠適用，而且，在建模計(jì)算后計(jì)算結(jié)果也都比較正常。相反，在工業(yè)建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析時(shí)，有時(shí)個(gè)別特殊部位在模型中無(wú)法體現(xiàn)，有時(shí)雖然勉強(qiáng)在模型中能夠體現(xiàn)，但計(jì)算結(jié)果往往會(huì)顯示異常，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不可用。因此，在工業(yè)建筑的設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)就顯得尤為重要，恰當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化模型、適當(dāng)?shù)暮奢d組合對(duì)最終的計(jì)算結(jié)果就顯得尤為重要，只有這樣，才能借助目前現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析軟件，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中做到既保證結(jié)構(gòu)的安全性，又能節(jié)約經(jīng)濟(jì)，避免肥梁胖柱的出現(xiàn)。

概念設(shè)計(jì)是展現(xiàn)一個(gè)結(jié)構(gòu)工程師設(shè)計(jì)思想的關(guān)鍵，結(jié)構(gòu)工程師的主要任務(wù)就是在一定的建筑功能和工藝要求下來(lái)完成結(jié)構(gòu)總體的設(shè)計(jì)，并能妥善地處理建筑與結(jié)構(gòu)、工藝與結(jié)構(gòu)、構(gòu)件與結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系，最終設(shè)計(jì)出合理的產(chǎn)品。強(qiáng)調(diào)概念設(shè)計(jì)的重要，也是因?yàn)橛?jì)算軟件的局限性并不能適應(yīng)所有的結(jié)構(gòu)問(wèn)題，實(shí)際存在大量無(wú)法運(yùn)用計(jì)算軟件進(jìn)行準(zhǔn)確分析的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，它們都需要采用概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)措施來(lái)滿足最終的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的。同時(shí)程序計(jì)算結(jié)果是根據(jù)不同工況提供不同的數(shù)據(jù)，究竟哪種工況下的計(jì)算結(jié)果才是真正需要的，有時(shí)甚至要結(jié)合不同工況的計(jì)算結(jié)果綜合分析應(yīng)用，結(jié)構(gòu)工程師只有加強(qiáng)結(jié)構(gòu)概念的鍛煉，才能準(zhǔn)確地判斷計(jì)算結(jié)果的合理性及準(zhǔn)確性，最終獲得我們需要的結(jié)果。

概念設(shè)計(jì)之所以重要，還在于在初步設(shè)計(jì)階段、方案設(shè)計(jì)階段，這些過(guò)程是無(wú)法或完全借助于計(jì)算機(jī)和結(jié)構(gòu)計(jì)算分析軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在初步設(shè)計(jì)或方案階段，往往需要結(jié)構(gòu)工程師對(duì)結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)布置等根據(jù)工藝布置方案做出規(guī)劃，有時(shí)候甚至還要進(jìn)行一定的建模計(jì)算，以便最終確定方案的可行性和合理性。在這一階段確定的方案，往往和工藝大的設(shè)備選型相輔相成，由于大型設(shè)備的生產(chǎn)制造周期較長(zhǎng)，一旦通過(guò)相關(guān)部門的審查后，建設(shè)單位就會(huì)聯(lián)系相關(guān)制造商，開始訂貨，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案就會(huì)成為下一階段施工圖設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)依據(jù)。如果結(jié)構(gòu)工程師對(duì)方案考慮不周，會(huì)給下一階段的工作帶來(lái)相當(dāng)大的麻煩，有時(shí)甚至?xí)o整個(gè)項(xiàng)目帶來(lái)不可估量的損失。這就需要結(jié)構(gòu)工程師在初步設(shè)計(jì)階段、方案設(shè)計(jì)階段綜合運(yùn)用其掌握的結(jié)構(gòu)概念，結(jié)合工藝特點(diǎn)，選擇結(jié)構(gòu)性能好、經(jīng)濟(jì)效益明顯的結(jié)構(gòu)方案，為此，需要結(jié)構(gòu)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。結(jié)合一定的結(jié)構(gòu)分析軟件，合理的簡(jiǎn)化模型，充分利用結(jié)構(gòu)分析軟件的強(qiáng)大功能，最終提出經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)方案，為下一階段的施工圖設(shè)計(jì)工作做好準(zhǔn)備。

隨著社會(huì)的發(fā)展，大型、超大型的工業(yè)建筑越來(lái)越多，建筑體型也越來(lái)越復(fù)雜，另外，鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)建筑中的應(yīng)用也越來(lái)越多，許多新的工業(yè)建筑都是前所未有的。有時(shí)為了工程進(jìn)度及工藝要求，鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)往往組合使用，這樣，既提高了施工進(jìn)度，又便于后期的工藝安裝。在這種情況下，就更加突顯出結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的重要性，同時(shí)也對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析軟件提出了更高的要求，而軟件本身又存在一定的滯后性，往往是軟件開發(fā)人員針對(duì)新出現(xiàn)的設(shè)計(jì)問(wèn)題來(lái)不斷完善軟件的功能。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，不可能等設(shè)計(jì)軟件完善后再繼續(xù)設(shè)計(jì)，只能利用現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。正因?yàn)槿绱?，結(jié)構(gòu)工程師只能通過(guò)恰當(dāng)?shù)母拍钤O(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)一系列的簡(jiǎn)化和假定，盡量使工程設(shè)計(jì)和所采用的計(jì)算軟件的基本假定、力學(xué)模型更加接近，使計(jì)算分析更加能夠體現(xiàn)建筑本身的實(shí)際運(yùn)行工況，保證計(jì)算結(jié)果的正確合理、有效。

抗震分析也是建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算分析的一個(gè)重要方面，尤其是一些重要的工業(yè)建筑，基于本身的特殊功能，關(guān)系到國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民的基本生活保障，如大型核電廠、大型化工建筑、能源建筑，對(duì)地震作用有著嚴(yán)格的要求，一旦它們?cè)诘卣饡r(shí)遭到損毀，會(huì)給救災(zāi)和災(zāi)后重建帶來(lái)無(wú)法想象的困難。有時(shí)，這些工業(yè)建筑一旦遭到損毀，其自身帶來(lái)的損失和災(zāi)害甚至要比地震造成的損害更加嚴(yán)重。由于地震作用的不確定因素太多，僅憑計(jì)算軟件的分析是不能保證結(jié)構(gòu)安全的，抗震概念設(shè)計(jì)就成為抗震設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分，它應(yīng)該貫穿于結(jié)構(gòu)計(jì)算分析和細(xì)部構(gòu)造的全過(guò)程。就如砌體結(jié)構(gòu)，無(wú)論縱墻承重、橫墻承重還是縱橫墻共同承重，在結(jié)構(gòu)分析軟件中都能順利通過(guò)計(jì)算，但是這三種布置方式的地震作用傳遞途徑不同，當(dāng)然，在地震力作用下，抗震效果也截然不同。因此，在抗震分析時(shí)，概念設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在這幾個(gè)方面:首先應(yīng)具有明確的計(jì)算簡(jiǎn)圖和合理的地震作用傳遞途徑，對(duì)可能出現(xiàn)的薄弱部位，應(yīng)采取相應(yīng)的構(gòu)造措施提高抗震能力，應(yīng)避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的局部破壞而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)喪失抗震能力或?qū)χ亓奢d的承載能力。其次結(jié)構(gòu)應(yīng)具備必要的抗震承載力，良好的變形能力和消耗地震能量的能力，宜具有合理的剛度和承載力分布，避免因局部削弱或突變形成薄弱部位，產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力集中或塑性變形集中。最后結(jié)構(gòu)在兩個(gè)主軸方向的動(dòng)力特性宜接近，采用有效的措施防止過(guò)早的剪切和受壓等脆性破壞。

綜上所述，結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)在工業(yè)建筑設(shè)計(jì)中，是核心和靈魂，它影響著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的全部過(guò)程，從方案到構(gòu)造，從計(jì)算分析到抗震措施都貫穿著概念設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件是目前結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必不可少的工具，只有恰如其分的運(yùn)用結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)從整體上把握結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能，配合結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算分析，最后再對(duì)計(jì)算分析結(jié)果進(jìn)行科學(xué)的判斷、合理的采用。只有這樣，才能面對(duì)復(fù)雜多變的工業(yè)建筑，從容的進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，才能確保結(jié)構(gòu)的安全性、經(jīng)濟(jì)性;而作為設(shè)計(jì)人員，也只有不斷地提高自身的概念設(shè)計(jì)能力，才會(huì)逐步成為一名優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)工程師。

[1] GB 50010-2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] GB 50011-2001，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2008年版)[S].

[3] 林鳳欽.淺探房屋建筑的結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)[J].山西建筑，2010，36(14):59-60.