结构设计离不开概念设计

钟国明

(广东省建筑设计研究院，广东广州 510623)

1 概念设计

旧版的GB 50011-2001建筑抗震设计规范以及JGJ 3-2002高层建筑混凝土结构技术规程对概念设计已经有了较为明确的规定。在经历汶川地震的检验后，也证明了依照该版规范所设计的建筑结构，其抗震性能是基本能达到预期效果的。而经过对旧规范在实际工程设计使用过程中近十年的经验总结，还有震害教训的归纳，新版的GB 50011-2010建筑抗震设计规范以及JGJ 3-2010高层建筑混凝土结构技术规程对概念设计的内容也有了更加全面和符合实际的补充、完善。而且给出了相关条文作为设计准则。根据规范的定义，建筑抗震概念设计就是指根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想，进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程。规则性概念是概念设计其中一个重要部分。新版抗震设计规范不但明确建筑形体的规则性，而且针对不同形体和布置的建筑划分为规则和不规则两大类。对不规则的建筑针对其程度的不同而提出不同的要求，并且强调了不允许采用严重不规则的建筑结构设计方案。

笔者认为概念设计是一种定性的设计。它是在建筑设计要求所规定的约束条件下，不需要经过精确的计算，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并结合结构的安全等级、抗震设防等级、地质资料、材料、自然环境等所获得的基本设计原则和设计思想，它应该贯彻在整个结构设计的全过程。而依照规范的准则，结构设计人员的目标就是做一个满足建筑使用功能与审美要求的规则结构。然而，在现实的设计工作中，这两者往往是鱼与熊掌不可兼得的，建筑的不规则性常常是不可避免的。因为建筑师不会按照结构的概念设计准则去进行创作，甚至个别建筑师会视之为对其创作灵感的一种束缚。所以，更多的情况是结构设计人员需要向建筑师和业主不断的作出妥协和让步，到最后结构设计人员所能保持的底线往往就只剩下不能使结构出现严重不规则的情况。

2 行业现状与工程实例

随着建筑设计行业设计周期遭到不断的压缩，对所谓高效率的设计更是无止境的追求。迫使一些参加工作时间不长的结构设计人员便要独立完成一个项目从方案到施工图的设计。而在计算机硬件、软件高度发达的今天，结构设计的计算程序化程度也愈发提高。不少的计算软件往往号称能给出一个精确的计算结果，并且与规范条文一一对应，可操作性强，这使得对结构设计人员不合理的时间要求也似乎变成了可能。而对于工作时间不长的设计人员，工程经验是极度缺乏的，甚至对规范学习也未曾深入了解，概念设计这一原则和思想自然也未建立起来，这就使得他们更多的只能依赖于结构设计程序和对规范条文的生搬硬套。但这样的设计其可能导致的后果也是难以预料的。下面将以一个简单的工程实例来加以说明。

某工程位于广东省佛山市，13层实验办公楼，建筑物总高度为62.3 m，其中首层高7.2 m，二层高5.6 m，其余楼层高4.5 m，采用框架—剪力墙结构。建筑方案由国外建筑事务所负责设计。因为受建筑使用功能布置以及立面效果的限制，电梯井剪力墙只能集中偏置于一侧。而由于结构刚度的需要，电梯井这部分的剪力墙不能减少，由此所带来的最直接问题就是结构的扭转效应过大该如何解决，结构设计人员想到的解决办法理所当然的就是在建筑平面的另一侧增设剪力墙。而且，基本的结构概念告诉我们，剪力墙越靠近建筑平面的外侧其效果自然也会越明显。结构设计人员正是凭着这一思路，在方案设计阶段先后提出了以下两个结构平面布置方案(见图1，图2)。

其中，方案一是结构设计人员在刚拿到建筑平面方案后，听取了建筑师简单的介绍和要求，然后经过试算后提出的结构柱网。若仅看计算程序的输出结果，包括结构的周期、周期比、位移角、位移比、层刚度比、剪重比、有效质量系数等等所有规范条文所提及的设计参数均能满足要求。但是，只要我们稍加思考便能发现方案一有一个极大缺陷，而且是安全隐患。那就是左侧的剪力墙集中的设置在①轴楼梯平台端部，只有两片小墙肢设在②轴，而整个楼梯间只有两根梁和楼层位于同一标高与楼层相接，根据结构概念，当整个结构受到水平地震作用时根本无法通过楼板有效的将其传到①轴的剪力墙上。然而，从该片剪力墙的计算结果却可看到，它承担了很大一部分的水平地震作用。说明其计算结果与实际受力情况并不相符。

为了解决方案一的缺陷，结构设计人员克服沟通上的困难，多次主动与国外建筑师进行了的沟通协商达至妥协，在尽可能少影响建筑平面使用功能以及立面效果的前提下，并经过反复的试算，最终提出了方案二的结构柱网。其主要处理思路按以下几个方面进行:1)减少①轴上剪力墙的刚度。在满足基本的竖向承载力需求前提下，把该部分剪力墙截面尽可能做小，以减少它对结构所提供的不真实抗扭刚度，计算时按异形柱录入，计算结果显示其所分配到的水平力大幅降低，符合设计设想的效果;2)首层在②轴交Ⓒ轴～Ⓗ轴处增加两小片剪力墙，提高结构抗扭刚度同时解决因首层层高过高而相对刚度较弱的问题;3)把②轴上原有的两片剪力墙加厚加长，并在二层～三层Ⓐ轴～Ⓒ轴及Ⓗ轴～轴间增设钢骨混凝土斜向支撑，以保证结构所受的水平力能有效传递并分配到抗侧力构件上。在采取了上述的处理方法后，计算结果均能满足规范的要求，所得到的结果也能符合实际预期。

3 结语

从上述简单的实例我们可知，若能在形成建筑方案的最初阶段，建筑师和结构设计人员经过讨论协商，把建筑的不规则性控制得尽量的少，那是最理想的。但是，作为结构设计人员，除了应该更主动与建筑专业加强沟通外，不能把设计过程中遇到的种种困难全都归结到建筑专业上。而且我们也不能不加思索地去采用计算程序得出的所有结果，否则其后果将会如一些美国专家学者所警告的:“误用计算机造成结构破坏而引起灾难只是一个时间问题。”而概念设计的原则、思想就是避免导致这种恶果的最有效方法。另外规范所给出的准则便是使概念设计这一原则、思想的具体化，它应当成为结构设计人员实际工作的指引、依据，我们对这些准则要知其然以及知其所以然，切忌一知半解而盲目做设计。所以，培养自身概念设计这一重要思想，使它很好的贯彻在实际设计的全过程，应当成为每个结构设计人员的一个既定目标。

我们可以遵循以下两个方面去达至这一目标:

1)必须懂得归纳总结。

因为从概念设计的定义中我们便可以知道，其本身是离不开对过去工程经验、教训的总结，对于工作时间不长、实际设计工程经验不太多的结构设计人员，就应该多学习前人的经验、经典案例，尤其是规范，不单是表面条文，应尽可能深入了解其内涵及其制定的背景和出发点，并在实际工程中好好的体会、积累，切莫急于求成。

2)灵活应用。

虽然概念设计是一种设计原则和思想，但它并不应该是固化的，也不应让规范成为结构设计墨守成规的理由，随着对不同结构类型及其性能更深入、深刻的了解，对结构概念也将会有新的认知，其内涵也会有新的发展变化，我们应该有意识地、灵活地运用它，为概念设计不断注入新的思想。总之，结构设计人员是离不开概念设计这一基本原则和思想的。因为它不但能提升设计人员自身的结构水平、结构素养和创新能力，而且能有效保障结构安全性这一根本要求，使建筑结构设计得更加安全、实用、经济、美观。

［1］GB 50011-2010，建筑抗震设计规范［S］.

［2］JGJ 3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程［S］.

［3］高立人，方鄂华，钱稼茹.高层建筑结构概念设计［M］.北京:中国计划出版社，2005.

［4］徐培福.复杂高层建筑结构设计［M］.北京:中国建筑工业出版社，2005.

［5］林凤钦.浅探房屋建筑的结构概念设计［J］.山西建筑，2010，36(14):59-60.