浅谈建筑结构的概念设计

黄 宏

摘要:计算机技术的发展可以为结构设计提供快速、准确的计算数据,但结构设计不能过分依赖计算机,计算机是依靠程序即固有模式来运行的,人类在总体方案和构造措施上的正确构思是计算机所做不到的。概念设计的思想具有很多优点,拓宽了结构设计的思路。文章对概念设计在设计的重要性、设计应遵循的基本规律以及设计思想的应用等方面作了相关探讨。

关键词:建筑结构;概念设计;结构设计;设计思想;设计规律

中图分类号:TU342文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)24-0104-02

当前建筑结构设计中一贯采用承袭传统的设计思想,缺乏新意,当今建筑设计发展提倡采用概念设计思想来促进结构工程师的创造性,推动结构设计的合理性。概念设计已经被结构设计人员所了解,但是对它的认识存在偏差,他们往往认为概念设计只在大原则下应用,如确定结构方案,结构布置等。事实上,概念设计在结构设计中任何地方都会用到。计算机技术的发展,为结构设计提供快速、准确的计算数据。但是结构设计又不能过分依赖计算机,计算机是依靠程序即固有模式来运行的,而人的设计,就是概念设计,在总体方案和构造措施上的正确构思是计算机所做不到的。

一、概念设计的重要性

随着建筑行业的发展和人们生活水平的提高,对建筑结构设计也提出了更高的要求。加强计算机的应用,加快新型高强、轻质、环保建材的应用,使建筑结构设计更加安全、适用、可靠、经济是当务之急。其中,打破建筑结构设计中的墨守成规,充分发挥结构工程师的创新能力是相当必要的。因为他们是结构设计革命的推动者和执行者。这需要工程界和教育界进行共同的努力。推广概念设计思想是一种有效的办法。

概念设计能够充分地展现结构工程师的先进的设计思想和理念。结构项目工程师的工作重点就是在特定的建筑空间内用整体概念来制定结构总体方案,不仅能精确地计算和分析一个给定的分体系和构件,而且要有意识地利用总结构体系与各基本分体系之间的力学关系。国际上公认的优秀结构设计,都是由一种或几种基本分体系有机地组合而成。因此,要求结构工程师具有不懈追求完美的设计思想,同时要求具备丰富、踏实的整体结构概念和基本分体系的相互比较的能力。实践得出的结论是,概念设计做得好的结构工程师,其结构概念随着年龄与实践的增长而不断丰富,设计成果也更具创新性、完美性。

概念设计可以借助概念性简化计算来完成,虽然存在误差,但它的概念清楚,定性准确,能很快选择和确定最佳方案。同时也是施工图设计阶段判断计算机计算结果可靠与否的主要依据。

概念设计可以预防或减少不均匀沉降的危害,可以从建筑措施、结构措施、地基和基础方面加以控制。诸如:避免采用建筑平面形状复杂、阴角多的平面布置;避免立面形体变化过大;将体形复杂、荷载和高低差异大的建筑物分成若干单元;加强上部结构和基础的刚度;同一建筑物尽量采用同一类型基础并埋置于同一土层中等一系列措施。对层建筑而言,从经济的角度考虑,一般不愿意采用长桩的方案,但当地软土层厚度较大时,一般都需要经过地基处理的方式来达到控制建筑物沉降的目的。常用的软土地基处理方式类型较多,但在选择地基处理方案前,必须认真研究上部结构和地基两方面的特点及环境情况,并根据工程设计要求,确定地基处理范围和处理后要求达到的技术指标,以及各种处理方面的适用性,同时综合考虑处理方案的成熟程度及施工单位的经验,进行多方案比较,最终选定安全实用、经济合理的处理方案。地基经处理后,还必须满足规范所规定的强度和变形要求。

因此,概念设计在建筑结构设计中具有计算机无法比拟的功能,概念设计影响整个建筑构造的可行性,直接影响建筑物的构造布局的合理性。

二、概念设计应遵循的基本规律

1.确定合适的设计方案。设计方案的确定应根据工程地质条件,上部结构类型及荷载分布,相邻建筑物影响及施工条件等多种因素进行综合分析,提出经济合理的基础方案。设计时要充分挖掘地基潜力,同时进行地基变形验算。根据地质情况,写出详尽的地质勘察报告,没有地址勘察报告的小建筑要进行现场勘察和比照附近建筑的地质资料。

2.结构方案合理化。经济合理的结构方案才是一个成功的设计方案,所以要选择一个可行性强的结构形式和结构体系。结构体系力求做到受力明确,传力简捷,同一结构单元宜采用相同结构体系,地震区应按照平面和竖向规则进行设计。在对工程的设计要求、地理环境、材料供应、施工条件等情况进行综合分析的基础上,还要与建筑、水、暖、电等专业充分协商,进行结构选型,确定合理结构方案。

3.使用合适的计算简图。计算简图是结构计算中必须应用的,如果选用不当即导致结构安全的事故发生,因此选择恰当的计算简图是保证结构安全的重要条件。计算简图应有相应的构造措施来保证,其误差应严格限定在设计允许范围之内。

4.正确分析计算结果。在现代建筑结构设计中计算机技术应用广泛,由于应用软件种类繁多,不同软件会出现不同的计算结果。结构设计工程师在对程序的适用范围、技术条件等全面了解的情况下,进行计算机辅助设计时,应认真分析电算结果,慎重校核,做出合理判断。设计师的知识、经验是判断分析结果不可缺少的。

三、概念设计思想的实际应用及发展中遇到的问题

概念设计的思想,拓宽了结构设计的思路。传统的结构计算理论的研究和结构设计似乎只关注如何提高结构抗力R,因此在施工中出现混凝土的等级越用越高,配筋量随之增大,工程造价必然升高。结构工程师很注意限制最大配筋率,却忽视了肥梁、胖柱、深基础。比如在抗震设计中,常规做法是根据原先的尺寸、砼等级算出结构的刚度,再由结构刚度算出地震力,进而确定配筋。众所周知,结构刚度越大,地震作用效应越大,配筋越多,刚度越大,地震力就越强。这种做法是通过增加钢筋,增加了结构的刚度,从而增强结构抵抗地震作用的能力。我们不否认前一种做法,但是我们可以考虑换一种思路,通过降低作用效应达到增强地震效应的目的。目前在抗震设计中,隔震消能的研究是一个很好的例子。隔震消能的作法是在基础与主体之间设柔性隔震层;加设消能支撑(类似于阻尼器的装置);有的在建筑物顶部装一个“反摆”,地震时它的位移方向与建筑物顶部的位移相反,从而对建筑物的振动加大阻尼作用,降低加速度,减少建筑物的位移,来降低地震作用效应。合理设计可降低地震作用效应达50%以上,同时提高建筑物的安全性。

概念设计的思想已经被越来越多的结构工程师所接受,并在结构设计中发挥越来越大的作用。然而现在的高校教学中,往往只重视单独构件和孤立的分体系的力学概念讲解。在专业课教学中,单项练习居多,综合练习偏少,在考题中体现尤其严重,这种状况使得相当部分学生养成了固定的套用公式解题的习惯。近几年来计算机普及加强,毕业设计用结构设计软件计算、出图。但由于计算机设计过程的屏蔽,学生手算能力下降,造成学生产生一定依赖性,导致综合运用能力下降,整体结构体系概念模糊。这对于培养具有创造力的未来的工程师是相当不利的。因此,应当通过加强学生的动手计算能力,拓展他们的思维能力,强化运用大脑思维进行结构设计,激发对所学知识的发散应用。从而为我国培养出更多的具有创造性思维能力的结构工程师,为我国的建筑业做出应有的贡献。

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