浅谈建筑结构的概念设计

赵智聪

摘要：本文通过对概念设计的概念、意义、依据和概念设计的原则的阐述，讨论了电算结果和实际的异同，简要地介绍了概念设计的重要性。

关键词：概念设计；设计原则；电算；定性的设计

Abstract: this article through to the conceptual design of the concept, significance, the basis and the concept design principle elaboration, discussed the computing results and practical similarities and differences, this paper briefly introduces the concept of the importance of design.

Keywords: concept design; Design principle; Computer; Qualitative design

中图分类号：TU318文献标识码：A 文章编号：

1前言

随着国家经济的飞速发展，一些超限复杂高层的不断涌现，概念设计在建筑结构设计的应用越来越被注重。但一些设计人员往往片面地理解它，认为概念设计主要是用于大的原则，如确定结构方案，结构布置等。其实，在设计中任何地方都离不开科学的概念作指导。计算机技术的迅猛发展，为结构设计提供了快速、准确的设计计算工具。但不可迷信电脑，不能做电脑的奴隶，应做电脑的主人。而人的设计就是概念设计。有很多设计存在诸多缺陷，主要原因就是在总体方案和构造措施上未采用正确的构思，即未进行概念设计所致。所谓的概念设计一般指不经数值计算，尤其在一些难以作出精确理性分析或在规范中难以规定的问题中，依据整体结构体系与分体系之间的力学关系、结构破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的基本设计原则和设计思想，从整体的角度来确定建筑结构的总体布置和抗震细部措施的宏观控制。运用概念性近似估算方法，可以在建筑设计的方案阶段迅速、有效地对结构体系进行构思、比较与选择，易于手算。所得方案往往概念清晰、定性正确，避免后期设计阶段一些不必要的繁琐运算，具有较好的的经济可靠性能。同时，也是判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。

2 概念设计的意义及依据

2.1概念设计的意义

能做到结构功能与外部条件一致；充分展现先进的设计；发挥结构的功能并取得与经济性的协调；更好地解决构造处理；用概念设计来判断计算设计的合理性。

2.2概念设计的依据

结构总体系与各分体系的工作原理和力学性质；设计和构造处理原则；计算程序的力学模型和功能；吸取或不断积累的实践经验。

3概念设计的一般原则

3.1选择合适的基础方案

基础设计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，选择经济合理的基础方案。设计时宜最大限度地发挥地基的潜力，必要时还应进行地基变形验算。基础设计应有详尽的地质勘察报告，对一些缺地质报告的小型建筑也应进行现场查看和参考邻近建筑资料。一般情况下，同一结构单元不宜采用两种不同的类型。

3.2 合理选择结构方案

一个成功的设计必须选择一个经济合理的结构方案，即要选择一个切实可行的结构形式和结构体系。结构体系应受力明确，传力简捷，同一结构单元不宜混用不同结构体系，地震区应力求平面和竖向规则。总之，必须对工程的设计要求、地理环境、材料供应、施工条件等情况进行综合分析，并与建筑、水、暖、电等专业充分协商，在此基础上进行结构选型，确定结构方案，必要时还应进行多方案比较，择优选用。

3.3选用恰当的计算简图

结构计算是在计算简图的基础上进行的，计算简图选用不当而导致结构安全的事故屡有发生，因此选择恰当的计算简图是保证结构安全的重要条件。计算简图还应有相应的构造措施来保证。实际结构的节点不可能是纯粹的刚结或铰结点,但与计算简图的误差应在设计允许范围之内。

3.4正确分析计算结果

在结构设计中普遍采用计算机技术，但由于目前软件种类繁多，不同软件往往会导致不同的计算结果。因此设计师应对程序的适用范围、技术条件等全面了解。在计算机辅助设计时,由于程序与结构某处实际情况不相符合，或人工输入有误，或软件本身有缺陷均会导致错误的计算结果，因而要求结构工程师在拿到电算结果时应认真分析，慎重校核，做出合理判断。设计师的知识、经验还是不可缺少的。

3.5采取相应的构造措施

始终牢记“强柱弱梁、强剪弱弯、强压弱拉原则”；注意构件的延性性能；加强薄弱部位；注意钢筋的锚固长度，尤其是钢筋的直线段锚固长度；考虑温度应力的影响。除此之外，还应注意按均匀、对称、规整原则考虑平面和立面的布置；综合考虑抗震的多道防线；尽量避免薄弱层的出现；以及正常使用極限状态的验算等等都需要概念设计作指导。

4概念设计与电算

不能完全相信电算结果，一定要以工程力学原理，仔细校核。编程序者在编程时，必然有一些简化，否则不好编。例如，我们的现浇梁板是T形梁，但在编程时，许多程序将其简化为矩形梁。其结果是：梁的刚度减小很多，使计算挠度加大，不真实；对结构的整体刚度贡献减小，使计算出来的位移加大，不真实。虽然有的程序可将梁的刚度乘以放大系数1.5～2.0，但对于多数中间梁而言，2.0常是偏小的值。还有的文章中提倡什么“精确计算”。在抗震设计中是不存在什么“精确计算”的，即使非抗震计算也是如此。我们计算时所使用的构件EI值，是以其毛截面计算的，配筋量多少并不计及，但是，国外有的试验结果表明，柱子纵筋含钢量4%者，其EI比相同截面的纵筋含钢量1%大40%，可见其误差之大。

此外，有些程序对于斜向构件无法计算，等等，因此，对于计算结果，一定要仔细核对，不能算出结果就画图，尤其对于平面形状不规则，不是水平的构件；两根互相连接的悬挑构件；框支桁架等等。必要时，应当用手算简化补充计算。有的设计人员用多、高层结构三维空间分析程序来计算底层框架，还人为的布置一些抗震墙，即不能满足楼层间的合理刚度比，也不能正确地反映底层框架在地震时受力状态。问题在于结构概念不明确，没考虑这两种结构体系的差异。软件的选择和使用不当，造成危害是不容忽视的。美国一些著名学者和专家曾警告工业界：“误用计算机造成结构破坏而引起灾难只是一个时间的问题。”然而避免这种情况，概念设计的思想不妨是个好方法。

5结语

概念设计是一种设计的思路，可以认为是定性的设计。概念设计不以精确的力学分析，生搬硬套的规范条文为依据，而是由我们对工程进行概括的分析，制定设计目标，采取相应措施。概念设计概念包括安全度的概念、力学的概念、材料的概念、荷载的概念、地震的概念，施工的概念、使用的概念等等。概念设计要求我们融合这些概念，并贯彻到结构方案设计、结构构件布置、计算简图抽象、计算结果处理中。对理论无法明确的部位；要有定性的认识。

概念设计的一个方面：当你在设计中，能够把结构看作构件，把构件看作结构，你就已经走近概念设计了。把结构当作构件，比如：一栋大厦的结构就是一根悬臂梁，一座桁架大铁桥就是一根连续梁。把构件看作结构，比如：一个H型钢构件是由3块板组成的结构，一个钢管相贯的节点就是一个空间结构。对构件特性的把握，比如：钢管适合做二力（压）杆，不适合做抗弯构件。它做两端铰接柱或支撑很出色，但是很少用作梁。当一个受弯构件被选成钢管截面，且程序计算不通过时，你不应通过加大截面来满足，而是应该改用有强弱轴的截面，如此等等。概念设计能力，不单生成于丰富的经历与经验，更是来源于对基本的力学、材料等概念掌握，同时要求结构师有开阔的视野。

我觉得最重要的是建立“系统工作思想”，虽然我们分析结构和设计结构都是用分解简化的方法处理，但实际上结构不会真的就按咱们想象的那么去工作，而是按照其自身的规律去工作。尤其在结构抗震分析时，有许多的不确定因素，不能光看计算机分析的结果。而要考虑土体，基础，上部结构，外部环境的综合影响。

参考文献

[1]杨俊杰 崔钦淑主编，结构原理与结构概念设计，中国水利水电出版社

[2]薛俊高主编，建筑概念设计与选型，机械工业出版社

[3]罗福午 张惠英 杨军主编，建筑结构概念设计及案例，清华大学出版社

[4]高立人 王跃主编，结构设计的新思路—概念设计，中国建筑工业出版社