【摘 要】隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和時(shí)代的進(jìn)步，我國(guó)人民的生活水平越來越高，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也提出了更高的要求，這也就給建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來了更大的壓力。為了提高建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平，概念設(shè)計(jì)的思想被越來越多的設(shè)計(jì)師和設(shè)計(jì)單位所采納。文章試述了概念設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要性，并重點(diǎn)探討了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中概念設(shè)計(jì)的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；概念設(shè)計(jì)

概念設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心和靈魂，它貫穿于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的全過程。概念設(shè)計(jì)運(yùn)用得好，能使結(jié)構(gòu)滿足建筑要求并以最快的方式將荷載傳遞到基礎(chǔ)、地基中，創(chuàng)造更為安全、舒適的工作和生活環(huán)境，并節(jié)約材料和資金。由此可見， 在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中， 充分的正確掌握設(shè)計(jì)概念， 運(yùn)用概念把控設(shè)計(jì)、計(jì)算過程， 運(yùn)用設(shè)計(jì)概念檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果的可靠性， 并能夠運(yùn)用概念對(duì)不可靠結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整， 是現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的精髓， 是做出完美建筑工程的前提。

1 概念設(shè)計(jì)的概念

所謂的概念設(shè)計(jì)一般指不經(jīng)數(shù)值計(jì)算，尤其在一些難以做出精確理性分析或在規(guī)范中難以規(guī)定的問題中，依據(jù)整體結(jié)構(gòu)體系與分體系之間的力學(xué)關(guān)系，結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理，震害，試驗(yàn)現(xiàn)象和工程經(jīng)驗(yàn)所獲得的基本設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想，從整體的角度來確定建筑結(jié)構(gòu)的總體布置和抗震細(xì)部措施的宏觀控制。運(yùn)用概念性近似估算方法，可以在建筑設(shè)計(jì)的方案階段迅速，有效地運(yùn)載結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行構(gòu)思。比較與選擇，易于手算。所得方案往往概念清晰，定性正確，易于手算，所得方案往往概念清晰，定性正確，避免后期設(shè)計(jì)階段一些不必要的繁瑣運(yùn)算，具有較好的經(jīng)濟(jì)可靠性能。同時(shí)，也是判斷計(jì)算機(jī)內(nèi)力分析輸出數(shù)據(jù)可靠與否的主要依據(jù)。

2 概念設(shè)計(jì)的重要性

概念設(shè)計(jì)是展現(xiàn)先進(jìn)設(shè)計(jì)思想的關(guān)鍵，一個(gè)結(jié)構(gòu)工程師的主要任務(wù)就是在特定的建筑空間中用整體的概念來完成結(jié)構(gòu)總體方案的設(shè)計(jì)，并能有意識(shí)地處理構(gòu)件與結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系。一般認(rèn)為，概念設(shè)計(jì)做得好的結(jié)構(gòu)工程師，隨著他的不懈追求，其結(jié)構(gòu)概念將隨他的年齡與實(shí)踐的增長(zhǎng)而越來越豐富，設(shè)計(jì)成果也越來越創(chuàng)新、完善。

強(qiáng)調(diào)概念設(shè)計(jì)的重要，主要還因?yàn)楝F(xiàn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與計(jì)算理論存在許多缺陷或不可計(jì)算性，比如對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，內(nèi)力計(jì)算是基于彈性理論的計(jì)算方法，而截面計(jì)算卻是基于塑性理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，這一矛盾使計(jì)算結(jié)果與結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)差之甚遠(yuǎn)，為了彌補(bǔ)這類計(jì)算理論的缺陷，或者實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際存在的大量地樂趣計(jì)算的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)，都需要優(yōu)秀的概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)措施來滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的。概念設(shè)計(jì)之所以重要，還在于方案設(shè)計(jì)階段，初步設(shè)計(jì)過程是不能借助于計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)的，這就需要結(jié)構(gòu)工程師綜合運(yùn)用其掌握的結(jié)構(gòu)概念，選擇效果最好，造價(jià)最低的結(jié)構(gòu)方案。

3 建筑結(jié)構(gòu)中運(yùn)用概念設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題

3.1建筑設(shè)計(jì)應(yīng)重視建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性

在高層建筑中，結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性主要指的是抗側(cè)力主體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱。對(duì)稱的建筑如平面對(duì)稱的簡(jiǎn)體框架結(jié)構(gòu)，剪力墻結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)等，一般比較容易實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性。不對(duì)稱的建設(shè)如平面形狀復(fù)雜的L型、T型、S型，樓電梯間偏于平面一側(cè)或一角的度層建筑等，內(nèi)含結(jié)構(gòu)的基本對(duì)稱仍是有可能實(shí)現(xiàn)的。這主要取決于結(jié)構(gòu)工程師結(jié)合建筑平面的功能和需要進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)布置，如簡(jiǎn)體，剪力墻的合理布置，可以設(shè)法調(diào)整結(jié)構(gòu)的剛心與建筑物質(zhì)心、平面的形心盡量接近，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的基本對(duì)稱。結(jié)構(gòu)的較大不對(duì)稱，將引起結(jié)構(gòu)在水平側(cè)力作用下產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)變形，不利于結(jié)構(gòu)抗側(cè)力，不利于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件如填充墻、幕墻的正常工作，同時(shí)造成結(jié)構(gòu)耗材，成本的較大增加。

3.2合理的建筑結(jié)構(gòu)體系選擇

3.2.1結(jié)構(gòu)體系應(yīng)具有明確的計(jì)算簡(jiǎn)圖和合理的地震作用傳遞途徑。1）樓屋蓋梁系的布置，應(yīng)盡量使垂直重力荷載以最短的路徑傳遞到豎向構(gòu)件墻，柱上去。2）豎向構(gòu)件的布置，應(yīng)盡量使豎向構(gòu)件在垂直重力荷載作用下的壓應(yīng)力水平按近均勻，以避免豎向構(gòu)件之間壓實(shí)力的二次轉(zhuǎn)移。3）轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的布置，應(yīng)盡量做到使上部結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件傳來的垂直重力荷載通過轉(zhuǎn)換層一次至多二次轉(zhuǎn)換，即能傳遞到下部的豎向構(gòu)件上去。4）整體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)必須體系明確，傳力直接，抗側(cè)力結(jié)構(gòu)一般由框架，剪力墻等組成，它們宜盡量貫通連續(xù)，若它們沿豎向要有變化，則變化要緩慢均勻。

3.2.2結(jié)構(gòu)體系應(yīng)避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞而導(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。

3.2.3結(jié)構(gòu)體系應(yīng)具備必要的承載能力，良好的變形能力和消耗地震能量的能力。

3.2.4結(jié)構(gòu)體系宜有多道抗震防線?？蚣堋袅Y(jié)構(gòu)是具有良好性能的多道防線的抗震結(jié)構(gòu)，其中剪力墻既是主要抗側(cè)力構(gòu)件又是第一道抗震防線。因此，剪力墻應(yīng)有相當(dāng)數(shù)量，其承受的結(jié)構(gòu)底部地震傾覆力矩不應(yīng)小于底部總地震傾覆力矩的50%。

3.2.5結(jié)構(gòu)體系宜具有合理的剛度。主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的剛度合理是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)之一。1）主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)剛度過大，結(jié)構(gòu)的基本自振周期短短，地震作用加大，結(jié)構(gòu)承受的水平力，傾覆彎矩加大，地基基礎(chǔ)的負(fù)擔(dān)加大，此時(shí)結(jié)構(gòu)的截面和相應(yīng)的構(gòu)造配筋增加較大，不經(jīng)濟(jì)。2）主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)剛度過大，勢(shì)必造成結(jié)構(gòu)所占的面積，空間加大，影響建筑作用，降低建筑平面利用系數(shù)，不合理。

3.3 建筑結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化計(jì)算

3.3.1 結(jié)構(gòu)安全度的人為控制。高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算，目前結(jié)構(gòu)工程師都已廣泛采用各類結(jié)構(gòu)軟件電算程序進(jìn)行。在這種情況下，高層結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化計(jì)算還要不要？如果要，深度應(yīng)該達(dá)到什么程度？結(jié)構(gòu)工程師根據(jù)實(shí)際工程設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，一致認(rèn)為答案是明確的，要簡(jiǎn)化計(jì)算，而且要達(dá)到一定的深度，但也不必過于繁瑣，要力求快速，簡(jiǎn)捷，明了，并能把握結(jié)構(gòu)的主要受力特征。

3.3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)合理。結(jié)構(gòu)工程師通過高層建筑結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化設(shè)算，可以在正式電算前得到主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)及其樓蓋結(jié)構(gòu)的合理布置和截面的合理確定，下一步的電算實(shí)際上成為簡(jiǎn)化計(jì)算的輔證和深化，這樣一方面，可以不必在上機(jī)后來回調(diào)整，節(jié)省電算時(shí)間，使電算更快捷有效，電算結(jié)果也容易比較放心，另一方面結(jié)構(gòu)的布置，斷面的確定比較快的得到經(jīng)濟(jì)合理的實(shí)現(xiàn)，從而使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加經(jīng)濟(jì)合理。

4 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中概念設(shè)計(jì)的應(yīng)用分析

4.1 平面設(shè)計(jì)

在水平荷載作用下結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高層建筑設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵控制因素，如何在滿足相關(guān)要求的前提下選擇更好的抗側(cè)力體系成了結(jié)構(gòu)工程師追求的重大目標(biāo)。建筑平面的形狀宜選用風(fēng)壓較小的形式，并應(yīng)考慮鄰近高層建筑對(duì)其風(fēng)壓分布的影響，還必須考慮有利于抵抗能力和豎向荷載，在地震作用下，建筑平面要力求簡(jiǎn)單規(guī)則。風(fēng)荷載作用下則可適當(dāng)放寬，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)整體彎曲變形所引起的側(cè)移與結(jié)構(gòu)體系抵抗傾覆力矩的有效寬度的三次方成反比例關(guān)系，所以不宜建筑寬度很小的建筑物。

4.2 剖面設(shè)計(jì)

4.2.1 豎向傳力體系設(shè)計(jì)。1）應(yīng)注意控制建筑的高度比。2）高層建筑的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)剛度，應(yīng)注意由基礎(chǔ)向頂層逐漸過渡，要盡量避免出現(xiàn)在豎向上剛度發(fā)生突變的現(xiàn)象，以免由于剛度的較大突變而削弱其抵抗水平荷載的能力。3）由于使用上的要求造成剛度變化特別大，或結(jié)構(gòu)布置發(fā)生變化時(shí)必須設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。4）高層建筑必須有相應(yīng)的錨固深度，此錨固深度可結(jié)合布置設(shè)備用房和地下停車庫(kù)的需要，作為一層或多層地下空間，這對(duì)降低高層建筑的重心有利，可提高建筑抗震能力及抗傾覆能力。

4.2.2 豎向形體設(shè)計(jì)。1）截錐形。采用由下而上分段逐漸減小樓層面積階梯狀體型，能使房屋剛度大大增加，由于房屋頂部的樓面尺寸比底部小，除了在建筑使用功能方面存在優(yōu)點(diǎn)外，在抗風(fēng)和抗震方面也具有一定的優(yōu)越性。2）上窄下寬形。高層建筑隨著高度的增加在符合豎向結(jié)構(gòu)的要求下，樓身向上不斷收進(jìn)與變細(xì)，這樣可減輕承受的風(fēng)力，降低樓體的重心，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，這種形體主要包括上削楔形體和退縮體，上削楔形體利于抗風(fēng)，抗震，并呈現(xiàn)穩(wěn)固堅(jiān)韌的特性，退縮體的形式比較多樣，有收進(jìn)式，截切式，臺(tái)階式。3）新月形。新月形房屋就像一個(gè)豎向的懸臂殼體一樣，能有效地增加它低抗側(cè)向力的剛度，它的作用就像波形的屋面殼體能有效地抵抗重力荷載一樣，重力荷載由柱—?dú)ぁ蚣艹惺埽瑐?cè)向荷載由豎向的殼體抵抗，該殼體由于樓面結(jié)構(gòu)的加勁作用而得以加強(qiáng)，新月形的殼體形式能有效地抵抗對(duì)稱作用與它的側(cè)向力。

4.3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)概念

4.3.1 基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)協(xié)同作用。基礎(chǔ)除了與地基相互作用外，與上部結(jié)構(gòu)作用的關(guān)系也很復(fù)雜，除非在建筑的邊緣部位荷載很大的情況以外，一般建筑基礎(chǔ)的變形總是成鍋底開腫部沉降多，外級(jí)沉降小，在建造下部幾層時(shí)，基礎(chǔ)鋼筋應(yīng)力不斷增長(zhǎng)，建筑到四五層時(shí)鋼筋應(yīng)力達(dá)到最高值，以后隨層數(shù)和荷載的增加應(yīng)力又逐漸減小，這種現(xiàn)象是基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)協(xié)同作用的結(jié)果，當(dāng)上部結(jié)構(gòu)高低層數(shù)差別很大，但地下室有直通要求時(shí)，應(yīng)做成整體基礎(chǔ)，高低層不分開是有條件的，首先地基地質(zhì)要好，或采用樁基。要求地基沉降量不能過大，重要的是控制高低層的沉降差，天然地基的建筑，高層部分一般采用滿堂紅基礎(chǔ)，低層部分采用雙向條形或單獨(dú)基礎(chǔ)，高層建筑常設(shè)有通往地下車庫(kù)的通道，通道緊貼高層的外壁，并平行于外壁，作為車道的底板，便于鋪防水層，也保證了高層建筑的整體連接。

4.3.2基礎(chǔ)選型及特點(diǎn)。根據(jù)不同建筑的地理位置結(jié)構(gòu)形式可選擇樁基礎(chǔ)，箱形基礎(chǔ)和筏形基礎(chǔ)。樁基礎(chǔ)，當(dāng)?shù)鼗临|(zhì)較軟弱，建筑物層數(shù)較多，荷載較大的情況下，天然地基不能滿足地基承載力的要求可以采用樁基將上部結(jié)構(gòu)荷載直接傳到下部堅(jiān)實(shí)的持力層，高層建筑的樁基礎(chǔ)可采用預(yù)制鋼筋混凝土樁，混凝土灌注樁和鋼管樁。箱形基礎(chǔ)，箱開基礎(chǔ)在高層建筑中廣泛應(yīng)用，它整體剛度好，能將上部結(jié)構(gòu)的荷載均勻地傳給基礎(chǔ)，對(duì)上部結(jié)構(gòu)能良好地嵌固，箱基有效地抵抗不均勻沉降，并與周圍土體協(xié)同工作，提高建筑物的抗震和抗風(fēng)能力。筏形基礎(chǔ)，筏形基礎(chǔ)適用于上部結(jié)構(gòu)荷載較大，地基承載力較低的工程，筏形基礎(chǔ)整體較好，剛度大，能有效地分散上部結(jié)構(gòu)的荷載，調(diào)整基底的壓力和不均勻沉降。

5 結(jié)語

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和人們生活水平的提高，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也提出了更高的要求。概念設(shè)計(jì)的思想被越來越多的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師所接受，并將在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中發(fā)揮越來越大的作用，它基本貫穿整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，起著舉足輕重的作用，一幢建筑物的設(shè)計(jì)，如果沒有事先經(jīng)過全盤正確的概念設(shè)計(jì)，以后的計(jì)算模式再準(zhǔn)確、計(jì)算再精確，也不可能是一個(gè)經(jīng)濟(jì)、合理的優(yōu)秀設(shè)計(jì)工程。所以，我們要共同學(xué)習(xí)、研究，使概念設(shè)計(jì)必然會(huì)成為今后結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主流思想，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王順卿.談建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的概念設(shè)計(jì)[J].山西建筑，2006.

[2]韓順卿.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新思路_____概念設(shè)計(jì)[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2007.

[3]李展開.淺談對(duì)建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)的理解[J].山西建筑，2009.

[4]馮恩濤.淺談建筑結(jié)構(gòu)中的概念設(shè)計(jì).中國(guó)科技信息，2010.