梁毅

（桂林市建筑設(shè)計(jì)研究院,廣西桂林541002）

淺談建筑結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)及應(yīng)用

梁毅

（桂林市建筑設(shè)計(jì)研究院,廣西桂林541002）

概念設(shè)計(jì)是當(dāng)今建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展的必然結(jié)果，也是一味依賴計(jì)算機(jī)之缺陷凸顯所博弈的應(yīng)然結(jié)果。為此，概念設(shè)計(jì)日益成為建筑工程界關(guān)注的話題之一。鑒于此，論文著重對(duì)概念設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)區(qū)別、概念設(shè)計(jì)一般原則與重要作用予以闡述，并在此基礎(chǔ)之上對(duì)方案選擇、結(jié)構(gòu)體系選擇等應(yīng)用和注意問題進(jìn)行探討。

建筑結(jié)構(gòu)；概念設(shè)計(jì)；應(yīng)用

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.06.004

1 引言

在當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，雖然給建筑結(jié)構(gòu)工程師帶來了便利，但與此同時(shí)也帶來了對(duì)計(jì)算機(jī)的依賴癥，使得建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)趨向簡(jiǎn)單化，計(jì)算結(jié)果也無法判斷正誤性，從而亟需概念設(shè)計(jì)深入應(yīng)用到建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，以便最大限度地發(fā)揮結(jié)構(gòu)工程師的創(chuàng)新能力，彰顯建筑結(jié)構(gòu)的力學(xué)之美。

2 概念設(shè)計(jì)概述

2.1 概念設(shè)計(jì)的定義

概念設(shè)計(jì)是不經(jīng)過數(shù)值的計(jì)算，在難以做出準(zhǔn)確理論數(shù)據(jù)分析的情況之下，根據(jù)各建筑結(jié)構(gòu)的分體系與總體的關(guān)系、震害結(jié)構(gòu)、破壞機(jī)理等基本的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思路對(duì)整體的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安全抗震等進(jìn)行宏觀把控[1]。從中可見，概念設(shè)計(jì)可以有效拓展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，從而使得建筑結(jié)構(gòu)能夠最大程度抗御地震等之類的自然災(zāi)害。

2.2 概念設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的區(qū)別

概念設(shè)計(jì)主要是依賴于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)則主要是依賴于理論基礎(chǔ)。概念設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的區(qū)別見表1。

表1 概念設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的區(qū)別

2.3 概念設(shè)計(jì)的一般原則

2.3.1 結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單性

此處簡(jiǎn)單主要指向具有直接和明確的傳力途徑結(jié)構(gòu)，以便能夠承受各種外在力量的重壓和作用，這就要求在結(jié)構(gòu)體系中有明確的計(jì)算簡(jiǎn)圖，便于內(nèi)力和位移分析，最大程度限制薄弱部位的出現(xiàn)。

2.3.2 結(jié)構(gòu)的整體性

在建筑結(jié)構(gòu)中，相當(dāng)于水平隔板功效并能夠提供足夠剛度和內(nèi)力的樓蓋，可以聚集和傳遞慣性力到各個(gè)豎向抗側(cè)力子結(jié)構(gòu)，并且要求這些子結(jié)構(gòu)能協(xié)同承受地震作用，從而起到抗御地震等之類的自然災(zāi)害的破壞作用[2]。但是如若豎向抗側(cè)力子結(jié)構(gòu)布置不均或水平變形特征不同，就使其不能有效協(xié)同工作，從而大大消弱抗御效果。如位于尼加拉瓜首都馬那瓜的中央銀行大廈的平面布置圖（見圖1），經(jīng)受1972年的地震而使得大夏結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞，通過分析得知存在平面、立面布置嚴(yán)重不均勻、不連續(xù)等概念設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。而基于概念設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)的美洲銀行大廈，同樣是位于尼加拉瓜首都馬那瓜也同樣經(jīng)受了1972年的地震，且該所大夏還位于震中，但是僅僅墻體呈現(xiàn)很小裂縫。這樣鮮明的對(duì)比就是在于美洲銀行大夏得益于概念設(shè)計(jì)思想，該建筑通過4個(gè)柔性筒組成并對(duì)稱地由連梁連接起來，使得相對(duì)獨(dú)立的柔性筒具有延性的結(jié)構(gòu)體系，并形成了對(duì)稱布置的剛性體系，緩解并承受了外來的地震作用和風(fēng)荷載力，在發(fā)生強(qiáng)烈地震時(shí)有效地抗御了破壞作用力，從而確保該座大廈巍然不動(dòng)。

圖1 中央銀行大廈平面布置圖

2.3.3 結(jié)構(gòu)的規(guī)則性和均勻性

建筑結(jié)構(gòu)具備結(jié)構(gòu)的規(guī)則性和均勻性，可以有效防止薄弱的子結(jié)構(gòu)過早破壞、倒塌，使得建筑物分布質(zhì)量與結(jié)構(gòu)剛度分布協(xié)調(diào)，利于充分發(fā)揮整個(gè)結(jié)構(gòu)抗御自然災(zāi)害的破壞作用，從而最大限度避免承載力和傳力途徑的突變。

2.3.4 空間作用原則

如若考量建筑結(jié)構(gòu)的空間作用，實(shí)質(zhì)上是還原建筑本來面貌即可。不過，如若有意識(shí)地利用構(gòu)成構(gòu)件間的空間關(guān)系，還需要考量剛度、受力等，通過概念設(shè)計(jì)來確?？臻g作用。

2.3.5 優(yōu)化選型原則

在建筑結(jié)構(gòu)之中，概念設(shè)計(jì)主要是對(duì)結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)布置予以優(yōu)化，前者主要是根據(jù)基本構(gòu)件特征和荷載實(shí)況等來形成基本結(jié)構(gòu)單元，并通過集合形式構(gòu)成主要結(jié)構(gòu)體系；后者主要是布置基礎(chǔ)系統(tǒng)、柱墻豎向支撐系統(tǒng)、樓屋蓋水平系統(tǒng)。

2.3.6 合理受力原則

一般而言，建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)時(shí)，往往需要注意做到均勻受力、超靜定受力體系、剛性連接、空間作用等[3]；同時(shí)，還要注意分析建筑結(jié)構(gòu)的宏觀受力狀態(tài)、直接受力狀態(tài)和主要受力狀態(tài)，以便運(yùn)用力學(xué)原理來處理好受力分析問題。

2.4 概念設(shè)計(jì)的重要作用

2.4.1 填補(bǔ)計(jì)算機(jī)程序操作漏洞

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中利用計(jì)算機(jī)程序完成方案設(shè)計(jì)工作已成為必不可少的環(huán)節(jié)，但是這并不意味著過度依賴計(jì)算機(jī)程序，反而恰恰需要掌握概念設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)來填補(bǔ)計(jì)算機(jī)程序操作的漏洞，從而保持建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主體的持久創(chuàng)新能力，而不至于設(shè)計(jì)能力隱性退化使得建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)處于停滯狀態(tài)中。

2.4.2 滿足用戶多元需求

當(dāng)今建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求不再是立足于設(shè)計(jì)者本身，還不同程度地滲透著用戶對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需求。換言之，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)是將各種設(shè)計(jì)需求量化為實(shí)物的過程。而在當(dāng)今社會(huì)多元化發(fā)展趨向下，用戶對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也趨向多元化，而設(shè)計(jì)者唯有通過概念設(shè)計(jì)，才能最大化滿足用戶多元化需求，防止出現(xiàn)概念模糊、混亂等定性錯(cuò)誤。

3 概念設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)中的主要應(yīng)用

3.1 方案選擇

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往與地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地形特點(diǎn)等建筑場(chǎng)地條件存在一定關(guān)聯(lián)，也就是不同地域的居民對(duì)建筑結(jié)構(gòu)有著不同的需求和審美，意味著在選擇建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中，要立足從整體到局部、局部到整體的概念設(shè)計(jì)來考量設(shè)計(jì)方案，譬如建筑地基就要考量場(chǎng)地資料來設(shè)計(jì)。

3.2 結(jié)構(gòu)體系選擇

對(duì)于高層混凝土結(jié)構(gòu)而言，存在著框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)、巨型結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)體系，這就需要設(shè)計(jì)者在綜合各種設(shè)計(jì)需求中選擇最佳的結(jié)構(gòu)體系，并在保證水平荷載下滿足嵌固要求，也就是確保地震作用和風(fēng)荷載之作用下的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，從而適合配置車庫、蓄水池等用途的基坑施工?？偠灾?，唯有依賴概念設(shè)計(jì)才能選擇和確定結(jié)構(gòu)體系。

3.3 抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

抗震設(shè)計(jì)并不僅僅依賴軟件計(jì)算，而是需要設(shè)計(jì)人員依據(jù)概念設(shè)計(jì)進(jìn)行操作，譬如強(qiáng)柱弱梁只能依賴設(shè)計(jì)人員放大柱截面，構(gòu)造邊緣構(gòu)建、底部加強(qiáng)區(qū)設(shè)置、最大（?。┡浣盥室蟮?都需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)抗震概念設(shè)計(jì)來確定。

3.4 結(jié)構(gòu)分析中各種調(diào)整系數(shù)

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，有時(shí)會(huì)涉及一些調(diào)整系數(shù)，譬如地震作用調(diào)整系數(shù)、周期折減系數(shù)、梁端彎矩調(diào)幅系數(shù)、連梁剛度折減系數(shù)、振型數(shù)、梁跨中彎矩放大系數(shù)、梁扭矩折減系數(shù)、梁剛度增大系數(shù)等，都可能會(huì)依據(jù)概念設(shè)計(jì)予以調(diào)整系數(shù)[4]。

3.5 對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析判斷和調(diào)整

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)于位移、平衡性、對(duì)稱性以及周期、振型和地震力等，需要通過概念設(shè)計(jì)和規(guī)范要求予以相應(yīng)的調(diào)整。同時(shí)，對(duì)于軸壓比、剪重比、剛度比、位移比、周期比、剛重比等，也需要依據(jù)概念設(shè)計(jì)對(duì)計(jì)算結(jié)果予以判斷和控制。

4 概念設(shè)計(jì)應(yīng)用注意的問題

4.1 認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制

建筑結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制主要涉及樓層破壞和整體破壞2個(gè)部分，前者主要是某部分薄弱和短板效應(yīng)而未能達(dá)到最大荷載所受到的損害；后者主要是基于整體結(jié)構(gòu)而受到的損害。因此，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要特別注意整體破壞問題。

4.2 注意建筑物剛度的判斷

建筑物剛度不能過大也不能過小，這樣就不宜使得建筑結(jié)構(gòu)自振周期過短，也不宜造成建筑材料的浪費(fèi)和建筑發(fā)生大幅度位移，從而危及建筑物的穩(wěn)定和安全。為此，對(duì)于建筑物的剛度要準(zhǔn)確判斷。

4.3 注意等強(qiáng)度和耗能設(shè)計(jì)

不容否認(rèn)，建筑的主要承重結(jié)構(gòu)可能會(huì)存在一些設(shè)計(jì)或施工質(zhì)量所引發(fā)的隱患，這樣建筑遇及地震發(fā)生時(shí)就會(huì)在水平作用的破壞之下而危及或造成建筑破壞。故而，在概念設(shè)計(jì)中要力避短板設(shè)計(jì)，并注意等強(qiáng)度和耗能設(shè)計(jì)，特別是注意處于彈性階段工作的構(gòu)件約束耗能構(gòu)件的屈服應(yīng)力、承受豎向荷載的構(gòu)件不宜作為耗能構(gòu)件。

5 結(jié)論

在建筑多元需求的消費(fèi)模式下，基于對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新與超越的概念設(shè)計(jì)日益?zhèn)涫芙ㄖ绾蛷V大客戶的關(guān)注和青睞，畢竟概念設(shè)計(jì)給建筑結(jié)構(gòu)帶來受力合理、造價(jià)低廉、安全可靠等諸多優(yōu)勢(shì)，并且有效地提升了建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平，使得建筑師和結(jié)構(gòu)師予以在一個(gè)平臺(tái)上溝通，改變完全依賴計(jì)算機(jī)計(jì)算的不利局面，從而成為建筑結(jié)構(gòu)今后發(fā)展的主流設(shè)計(jì)思想。

【1】李志奇.建筑結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)[J].中外建筑，2003（3）：91-92.

【2】劉華新，孫志屏，孫榮書.抗震概念設(shè)計(jì)在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007（2）：222-224.

【3】左詠梅，李俊玲，高洪俊.多高層建設(shè)結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)應(yīng)用與分析[J].煤炭工程，2009（12）：30-31.

【4】古雪琴.建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)研究[J].商品混凝土，2012（9）：134+136.

On the Conceptual Design and Application of BuildingStructures

LIANG Yi
（ArchitecturalDesignandResearchInstituteofGuilin,Guilin 541002，China）

Theconceptualdesignistheinevitableresultofthedevelopmentoftoday'sarchitecturaldesign,but alsoblindlyrelydefective computers ought to highlight the results of the game.For this reason,the concept of design is increasingly becoming one of the topics of buildingworkssectorisconcerned.Therefore,thisarticlefocusesonthedifferencebetweenconceptualdesignandstructuraldesign,concept designandtheimportantroleofthegeneralprinciplesmustbesetforth,andonthisbasistobeexploredontheprogramselection,architecture selectionandotheraspectsofapplicationsandapplicationnoteissues.

buildingstructure;conceptualdesign;applications

TU3

A

1007-9467（2016）06-0035-03

梁毅（1972～），女，廣西桂林人，高級(jí)工程師，從事工業(yè)與民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，（電子信箱）kuashiji2008@126.com。

2016-02-24