概念设计在结构设计中的应用

张春敬 宋巍

摘要：概念设计是创造性思维的一种体现，也是强化设计理念的一个重要手段。现如今概念设计也应用到我国的建筑结构设计当中，对建筑结构的整体规划、设计有了全新的思维模式，强化了建筑的安全性、适用性、可靠性，并且能够在一定程度上节约工程的建设成本，优化施工方案。本文以我国现阶段的建筑结构设计为背景，将概念设计与建筑结构设计相结合，并具体谈谈概念设计在建筑结构设计中的运用。

关键词：建筑结构；概念设计；设计应用；结构设计

越来越多的先进技术被应用到建筑设计当中来，为建筑结构设计创造了方便舒适的条件，并且优化了设计结果，提高了设计的质量。但久而久之，使建筑设计对计算机等先进设备产生了强烈的依赖性，设计模式也趋于固定，失去了建筑结构设计的真正意义和作用。对建筑结构的安全性、实用性等性能的建设的数据统计无法考究其准确度，使建筑结构设计走入了模式化的误区。想要在设计中充分体现设计的创新性，就要强化概念设计思维，打破传统建筑结构设计的固定形式，使建筑设计更具有时代感。

一、概念设计

1、所谓的概念设计一般指不经数值计算，尤其在一些难以做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、结构概念设计是保证结构具有优良抗震性能的一种方法。概念设计包含极为广泛的内容，选择对抗震有利的结构方案和布置，采取减少扭转和加强抗扭刚度的措施，设计延性结构和延性结构构件，分析结构薄弱部位，并采取相应的措施，避免薄弱层过早破坏，防止局部破坏引起连锁效应，避免设计静定结构，采取二道防线措施等等。应该说，从方案、布置、计算到构件设计、构造措施每个设计步骤中都贯穿了抗震概念设计内容。

3、在现阶段的抗震设计中，隔震消能是概念设计中的一项重要研究。隔震消能主要是通过主体与地基之间设置的柔性隔震层和减震装置，在震源处減少地震对建筑带来的伤害；并且在建筑的顶部加设"反摆"装置，目的是控制地震时导致的建筑位移，控制震感的强度。这一概念设计如设计合理，能够在实际的应用当中，达到至少60%抗震效果，提高建筑本身的抗震性能，强化安全措施保障。

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，地震力方向的不确定性，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。因此由于存在上述诸多不确定因素，建筑结构设计计算无法涵盖可能的所有不确定因素。因此，必须重视整体的概念设计，从某种意义上讲，概念设计甚至比分析计算更为重要。

二、概念设计与结构设计的区别

概念设计的过程是依据个人经验，结合建筑功能要求、结构安全等级、抗震等级、地质资料、当地材料、当地自然环境等进行的定性设计过程，其概念设计的主要内容包括：确定三缝设置、结构体系、基础形式和埋深、主要构件的几何尺寸等。结构设计则是概念设计的逆向过程，其设计是依据概念设计的总体要求、力学和数学的原理由定量过度到定性的一个过程。由此我们可以看出概念计的重要性，然而现在我们许多设计人员过于理论化，任何情况下首先讲的是计算结果，而忽视结构构造。甚至于一些单位的总工不参与设计的前期概念设计阶段，而只对着计算书审核设计图纸。有些新参加工作的同志有时拿着书本和计算书与审核人员争论。

三、建筑结构设计中概念设计应注意的问题

1、适宜刚度概念。在建筑结构设计中，合理地确定建筑物的刚度是非常重要的。建筑物的刚度不宜太大，刚度大，结构自振周期则短，在地震时结构所承受的地震力就大，相对后果较重，且造成材料的浪费；刚度也不宜过柔，过柔的建筑结构在地震时就会产生过大的变形，影响其强度、稳定性和正常使用。

2、充分认识和掌握结构的破坏机制和塑化历程。建筑结构的破坏机制一般分为楼层破坏机制和整体破坏机制，设计人员在设计中应尽量避免结构产生楼层破坏机制，因为这种破坏机制说明结构中存在着薄弱环节，即在其它构件承载能力尚未充分发挥作用之前，整个结构已经提前破坏，设计人员的责任和主要任务就是努力实现理想的建筑结构的整体破坏机制。

3、等强度与耗能设计原则。这是抗震结构总体设计时必须认真考虑的设计原则，在结构设计中一定要避免由于设计考虑不周，或施工的局部缺陷，造成在水平作用下部分主要承重结构提前破坏，整幢建筑物连续破坏的局面。在结构的整体设计上要注意加强薄弱环节，尽量做到等强度，在注意等强度设计原则的同时，一定要注意使建筑结构在恰当的部位具有能消耗大量能量的性能。

四、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。

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。作为结构工程师，一方面在设计过程中既要做到严格遵守和执行相关的强制性规范和要求，坚持结构设计的原则不能改变，另一方面，又不应盲目、教条、机械地照搬照抄，尤其是对推荐性规范和要求，应把它作为一种结构设计中的指导和参考意见，从而可在实际的设计项目中做出更为正确的选择。

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。目前，现行的结构设计理论和计算理论仍然存在着一些缺陷：如对混凝土结构设计，内力计算采用基于弹性理论的计算方法，而截面设计则采用是基于塑性理论的极限状态设计方法，两者的矛盾使计算结果与结构的实际受力状态存在较大差距。

五、结语

建筑结构设计需要不断的创新，设计思路也需要不断的加入新鲜元素，才能迎合当今时代的发展趋势，受到更好的社会好评。概念设计在建筑结构设计中发挥了良好的促进作用，优化了建筑结构设计的总体性能，并且节省工程造价成本。在将来，概念设计必将成为建筑结构设计的主流导向，并成为一种重要的设计手段。

参考文献：

[1]王禄海，孙占江.浅析建筑结构设计中概念设计的应用[J].四川水泥，2015（3）

[2]王炜.建筑结构设计中概念设计的研究[J].黑龙江科技信息，2014（31）