概念设计在建筑结构设计中的应用分析

胡爱国

摘要：本文作者对概念设计的整体方案、体现进行了简单阐述，并结合工程实例对概念设计在抗震结构设计中的应用进行了分析。

关键词：建筑工程；结构设计；概念设计

TB482.2

1 前言

建设工程质量的优劣直接关系到人民的生命财产安全，质量的好坏主要由设计质量和施工质量两个方面来衡量。结构设计是一项繁重而又责任重大的工作，直接影响到建筑物的安全、适用、经济和合理性。

所谓的概念设计，是指设计人员在从结构选型、布置、分析计算、截面设计到细部处理的整个设计过程中，对所遇到的问题，依据建筑结构在各种情况下工作的一般规律，结合实践经验，综合考虑各方面因素，确定合理的分析、处理方法，力求得到最为经济、合理的结构设计方案。概念设计是设计工作者进行创新设计的基础，其思想已被越来越多的结构工程师所接受，并将在结构设计中发挥越来越大的作用。

2 结构设计中概念设计的整体方案

概念设计是结构设计的核心和灵魂，它贯穿于结构设计的全过程。概念设计运用得好，能使结构满足建筑要求，并以最快的方式将荷载传递到基础、地基中，创造更为安全、舒适的工作和生活环境，并节约材料和资金。主要从以下3个方面对结构设计进行宏观控制。

结构工程师应在建筑方案设计阶段与建筑师密切合作，通过不断的探索比较，在满足建筑要求的前提下，去寻求相对的最佳方案。如在抗震设计中，合理的建筑布置在抗震设计中是头等重要的，需要建筑师和结构工程师相互配合，充分考虑建筑的平、立面外形尺寸，抗侧力构件布置、质量分布、承载力分布等诸多因素的综合要求，力求平、立面简单对称。

在方案设计满足建筑要求的情况下，从宏观的角度考虑结构的整体性，确定建筑结构的总体布置方案。

在理论设计过程中综合考虑各方面因素对结果的影响，以判断理论设计的准确性，并对一些工程中难以作出精确分析或在规范中未精确规定的问题，根据实际经验采用一些结构构造措施进行处理。

3 结构设计中概念设计的体现

3.1 概念设计在结构设计流程中的体现

结构设计的流程一般分为三个部分：

前期的方案选择、中期的结构计算阶段及后期的施工图绘制阶段，这三个阶段在结构设计中都缺一不可。概念设计在结构设计流程中的主要体现在3方面：

合理选择结构方案。一个成功的结构设计必须选择一个经济合理的方案，即选择一个切实可靠的结构形式和结构体系。结构设计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，在此基础上进行结构选型，确定最优结构方案。概念设计在工程设计一开始就应把握好场地选择、能量输入、房屋体型、结构体系、刚度分布、构件延性等几个方面，从根本上消除建筑中的抗震薄弱环节。

选用恰当的计算简图，正确分析計算结果。结构计算是在计算简图的基础上进行的，即对作用的荷载与构件的约束状态进行一定的简化，使其接近实际状态。现在的建筑物功能复杂多样，结构计算只能通过计算机来完成。所以，将实际工程的结构形式转变成可以用于计算机计算的模型，和保证有足够的精确度就成为结构设计的关键问题。并且现在结构设计中有许多软件可以供结构设计人员选择，但不同软件往往会导致不同的计算结果。因此，设计人员在进行结构计算前，先要全面了解该程序软件的适用范围和技术条件，使用时避免操作失误，对电算的结果再用概念设计进行科学分析，以做出正确的合理判断。

施工图绘制。不应过分地相信计算机计算结果，还应对计算模型、设计方法熟悉了解，对易出问题的关键部位重点审查，对重要计算参数逐一检查，对重要问题、参数、特殊构件及特殊荷载，设计者应给出书面文稿以便复查、核查，运用结构概念对计算结果的合理性进行大致分析判断，对重要结构构件应用手工进行大致核算。

3.2 抗震设计中应注意的概念设计问题

抗震设计是结构设计的重要组成部分。地震是一种随机振动，要准确预测建筑物所遭遇地震的特殊和参数，目前尚难做到。现在所采用的地震参数只是概率意义上的估计值，而结构在地震作用下的性能有许多不确定性。因此，抗震设计不能过分依赖理论计算，概念设计在抗震设计中显得尤其重要。

选择合适的场地。地震造成建筑物的破坏情况是各不相同的。①由于地震时地面强烈运动，使建筑物在震动过程中因丧失整体性或强度不足、变形过大而破坏；②由于水坝倒塌、海啸、火灾、爆炸等次生灾害而造成；③由于段层错动、山崖崩塌、河岸滑坡、地层陷落等地面严重变形直接造成。前两种可以通过工程措施加以防治，而后一种情况，单靠工程措施很难达到预防的目的。因此，选择工程场址时，应进行详细勘察，尽可能避开对建筑抗震不利的地段。任何情况下均不得在抗震危险地段建造可能引起人员伤亡或较大经济损失的建筑物。

选择合理的基础设计方案。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，选择经济合理的基础设计方案。

采用刚柔相济原则。在抗震设计中不能一味地提高结构的抗力，一般是根据初定的尺寸和混凝土等级算出结构的刚度，再由结构刚度算出地震力，然后计算配筋。刚柔相济原则可以通过合理控制设计软件的总信息来实现。比如周期、位移、地震力应满足建筑抗震设计规范限值要求。

坚持多道设防原则。强烈地震后往往伴有多次余震，如果只一道设防，结构可能会因余震损伤的积累而导致坍塌。建筑物抗震结构体系，应由若干个延性较好的分体系组成，并由延性较好的结构构件连接起来协同工作，如框架-剪力体系是由延性框架和抗震墙两个分体系组成。

采用合理的建筑结构体系。①抗侧力构件应布置合理。如在框架-剪力墙结构中，剪力墙宜均匀布置在建筑物的周边附近、楼梯间、电梯间、平面形状变化及恒载较大的部位，剪力墙间距不宜过大；平面形状凹凸较大时，宜在凸出部分的端部附近布置剪力墙；纵、横剪力墙宜组成L型、T 型等形式，剪力墙宜贯通建筑物的全高，避免刚度突变；剪力墙开洞宜上下对齐；剪力墙的布置宜使结构各主轴方向的侧向刚度接近。②结构的整体性要好。高层建筑结构中，楼板对于结构的整体性起到非常重要的作用。楼板相当于水平隔板，它不仅仅聚集和传递惯性力到各个竖向抗侧力的子结构，而且要使这些子结构能协同承受地震作用，特别是当竖向抗侧力子结构布置不均匀或布置复杂或各抗侧力子结构水平变形特征不同时，整个结构就要依靠楼板使各抗侧力子结构能协同工作。楼板体系最重要的作用是提供足够的平面内刚度和抗力，并与竖向各子结构有效连接。所以房屋的顶层、结构转换层、平面复杂或开洞过大的楼层、作为上部结构嵌固部分的地下室楼层应采用现浇楼盖结构。

4 结构设计中概念设计的应用

某大厦为高层公寓，建筑高度90.5m，建筑面积30949㎡，平面形状复杂。该建筑物地下一层为六级人防地下室，地上1～2层为幼儿园（平面形状为工字型），层高3.8m；3～30层为标准层住宅，平面形状缩为凸字形，层高3.0m。

经勘查，场地地质条件良好，无不利地段。该工程采用框架-剪力墙结构体系，由于该地区抗震设防裂震为Ⅶ度，设计基本地震加速度值为0.15g。除通过计算满足规范要求外，还必须采取有效的抗震构造措施。为确保结构的经济、安全与舒适，概念设计主要通过以下几个方面来体现：

结构工程师在建筑方案设计阶段，就根据建筑平面布置及使用功能要求，把结构抗震概念设计融入初步方案中，如有意识将楼梯、电梯、管道井等竖向公共设施尽量布置在建筑物中心部位，并利用楼和楼梯、电梯间设置剪力墙简体；另外在建筑物外周边转折处布置水平抗侧力构件（剪力墙），以此加强结构抗侧移和扭转刚度，并尽可能考虑刚心与质心的重合，以减少水平作用下由于结构偏心而引起的空间扭转效应。

在结构计算过程中，首先根据工程的实际情况，对结构参数和特殊构件进行正确设置。并根据初算结果，按规范限值调整平面中剪力墙相对比度；调整剪力墙沿竖向的厚度变化，控制周期比、层间位移及层间位移比，同时注意控制框架柱及小墙肢的轴压比，增强结构延性，以求经济与安全的统一。

尽量采用轻质墙体，以减轻楼层自重，从而降低地震力，同时要求加强地下室外回填土的劣实，通过人防地下室高强度的侧壁与周边回填土的共同作用，增强对结构的约束，以提高结构抗侧的整体稳定性，减少地震能量的放大。

5 结束语

对于工程技术人员来说，建筑结构设计的概念设计是一种思想和技能的结合，需要结构设计人员在准确理解、应用规范条文及工程力学知识和原理的基础上发挥主观能动性，总结和继承前人实践经验，并通过自己的实践、实验不断积累经验，对各种结构的破坏机理进行科学分析和反复思考，才能达到做出经济、合理、安全的结构设计的目的。