建筑结构设计中概念设计的研究

罗长虹

[摘要]：建筑结构设计中最核心内容为确定结构方案，而概念设计在确定结构设计方案中起着关键的作用，它展示了设计思想的先进性，是结构工程师在特定的建筑空间用整体的概念来完成结构总体方案，主动有意识地处理构件与结构，结构与结构的关系。

[关键词]：建筑结构；概念设计；设计应用；结构设计

中图分类号： TU318 文献标识码： A 文章编号：

引言：概念设计的宗旨是在特定的建筑空间及环境条件下，用整体概念来考虑结构的总体方案，并能有意识地发挥利用结构总体系和各构件分体系之间的力学特性与关系。建筑物是一个整体空间结构，各种构件以相当复杂的方式共同工作，并不是脱离总的结物体系的单独构件。作为结构工程师，不应过度依赖计算机和盲目照搬规范，应把概念设计应用到实际工作中去。

一、概念设计

1、所谓概念设计一般是指不经数值计算，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。

2、运用概念设计的思想，能让结构设计的思路得到了拓宽。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，以至混凝土的等级越用越高，配筋量越来越大，造价越来越高。结构工程师往往只注意到不超过最大配筋率，结果肥梁、胖柱、深基础处处可见。以抗震设计为例，一般是根据初定的尺寸、砼等级算出结构的刚度，再由结构刚度算出地震力，然后算配筋。但是大家知道，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。这样为抵御地震而配的钢筋，增加了结构的刚度，反而使地震作用效应增强。

3、目前在抗震设计中，隔震消能的研究就是一个很好的例子。隔震消能的一般做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60％，并提高屋内物品的安全性。

4、在建筑抗震设计中，更应注重概念设计。这是因为建筑结构的复杂性，发生地震时，地震力的不确定性，人们对地震时结构效应认识的局限性与模糊性，结构抗震分析计算的精确度，材料性能与施工安装时的变异性以及其他不可预测的因素，致使设计计算结果(尤其是经过实用简化后的计算结果)可能和实际相差较大，甚至有些作用效应至今尚无法定量计算出来。

二、建筑结构设计中概念设计的应用浅析

（一）建筑结构设计中应用概念设计应遵循的结构规律

在建筑结构设计中应用概念设计，必须就建筑体型的设计进行概念化、合理化的修正，尽可能的确保设计的简单化，具有对称性和规则性，并确保刚度和质量上分布的均匀性，尽可能的预防局部出现刚性过大的问题，建筑结构的布局合理与否对建筑的抗震是否有利是应用概念设计必须考虑的问题。简单而对称的建筑在建筑抗震中的应力分析与实际反映容易分析和做到，且极易实现一致性。虽然所设计的凹凸立面与错层的设计能具有较强的艺术性，然而一旦发生地震就会形成极其复杂的地震效应，因而抗震效果难以达到最大化，所以必须遵循建筑结构设计的简单化和对称性与规则性的结构规律。

（二）初期方案阶段的应用中概念设计的应用分析

对于当前设计流程中往往结构在初步设计阶段才能接触到完整的平立剖建筑图，而且建筑方案中很多没有考虑到基本的结构布置，作为结构设计人员，只能依靠自身所基本的结构概念去布置结构方案，而且应该以空间结构概念来控制杆件受力模式。运用概念设计方法在初期方案阶段，能根据简化的计算模型，较为准确的估算出主要的构件截面。

（三）抗震设计中概念设计的应用分析

建筑抗震设计过程中，大多数构造的设计主要按照概念设计而得，并不是根据软件计算而得，大都依据结构设计师的来进行，例如在强柱弱梁方面，软件并不能反映，而只能由设计人员在工作中将柱子截面放大，又如在设置底部加强区时，不管是构造边缘构件还是最小或最大配筋率的要求，都必须按照抗震的概念设计来确定，从而成为地震力模拟计算的有效补充，确保抗震设计的可靠性和合理性。

（四）结构体系设计中概念设计的应用分析

在建筑结构中，主要由水平和竖向的构件形成空间架构，水平构件用于承担竖向荷载并传给竖向构件，直到传给基础水平与竖向构件一起承担水平荷载，从而形成抗侧力体系再传递给基础，且竖向构件的不同，其形成的抗侧力体系也不相同，一般抗侧力体系主要有以下几点：一是框架结构；二是剪力墙结构；三是剪力墙与框架相结合的结构；四是核心筒与框架相结合的结构、以及筒中筒等抗侧力体系以及它们之间的有机结合。建筑结构安全、经济和合理与否，主要取决于抗侧力体系。因此我们可以得知，在结构体系设计中应用概念设计，主要是按照构筑物的抗震等级需求与高度，确保选择的抗侧力体系及其布置的合理性。采取概念近似手算而确定建筑结构设计方案的合理性、可行性和主要构件的一般尺寸。此外，在建筑结构设计中，延性及其重要，不仅能确保建筑结构承载性能与延性的协调一致，还能在发生地震灾害时尽可能的减少对建筑结构造成的危害。

（五）概念设计方法

概念设计中应避免非结构构件的设置不合理，从而影响到整个结构的受力情况，导致抗震效果的下降。所以在设计应做好细部构造的设计， 防止非结构构件直接进入到抗震体系；防止非结构构件在地震的作用下出现平面性的损毁；避免非结构性构件的连续损毁。

三、概念设计的意义

1、展现先进设计思想的关键。概念设计的根本宗旨，是在特定的建筑空间及地理条件下，用整体概念来考虑建筑结构的总体方案，且能有意识地发挥和利用结构总体系与分体系之间的力学特性与关系。运用概念设计从整体上把握结构的各项性能，方能对计算分析的结果进行科学判断和合理取舍。在概念设计之初的方案阶段，能迅速、有效地对结构体系进行构思、比较、分析与选择，可采用概念性设计到工程中去。

2、体现结构设计的原则与灵活。建筑物是一个完整的空间结构，各构件都在以相当复杂的受力方式共同工作，而并非是独立于总体结构体系之外的单独构件。当前在建筑结构设计界，对具体空间结构体系的整体研究上还存在着局限性，以至于在设计过程中采用了许多假定与简化方法。

3、弥补设计、计算理论的不足。目前的结构设计计算水平难以有效地保证结构设计的抗震、抗风性能，尤其是抗震设计。

结束语：

结构工程师，要善于运用概念设计的基本原理，注重全面整体设计的构思、减轻结构自重的理念、恰当运用刚度理论及变形协调的原则，不断在实践中总结经验，设计出概念清晰，定性、定量准确、新颖有效的优秀作品。

参考文献：

[1]罗福午，张惠英，杨军。建筑慨念设计与案例[M]．北京：清华大学出版社．2011．

[2]刘大海，杨翠如．高楼钢结构设计[M]．北京：中国建筑工业出版社．2010，

[3]郑琪．基本概念体系[M]．北京：中国建筑工业出版社，2009