浅谈建筑结构的概念设计及应用

梁毅

（桂林市建筑设计研究院,广西桂林541002）

浅谈建筑结构的概念设计及应用

梁毅

（桂林市建筑设计研究院,广西桂林541002）

概念设计是当今建筑结构设计发展的必然结果，也是一味依赖计算机之缺陷凸显所博弈的应然结果。为此，概念设计日益成为建筑工程界关注的话题之一。鉴于此，论文着重对概念设计和结构设计区别、概念设计一般原则与重要作用予以阐述，并在此基础之上对方案选择、结构体系选择等应用和注意问题进行探讨。

建筑结构；概念设计；应用

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.06.004

1 引言

在当今计算机技术应用建筑结构设计中，虽然给建筑结构工程师带来了便利，但与此同时也带来了对计算机的依赖症，使得建筑结构设计趋向简单化，计算结果也无法判断正误性，从而亟需概念设计深入应用到建筑结构设计中，以便最大限度地发挥结构工程师的创新能力，彰显建筑结构的力学之美。

2 概念设计概述

2.1 概念设计的定义

概念设计是不经过数值的计算，在难以做出准确理论数据分析的情况之下，根据各建筑结构的分体系与总体的关系、震害结构、破坏机理等基本的设计原则和设计思路对整体的建筑结构设计和安全抗震等进行宏观把控[1]。从中可见，概念设计可以有效拓展结构设计思路，从而使得建筑结构能够最大程度抗御地震等之类的自然灾害。

2.2 概念设计和结构设计的区别

概念设计主要是依赖于实践经验，而结构设计则主要是依赖于理论基础。概念设计和结构设计的区别见表1。

表1 概念设计和结构设计的区别

2.3 概念设计的一般原则

2.3.1 结构的简单性

此处简单主要指向具有直接和明确的传力途径结构，以便能够承受各种外在力量的重压和作用，这就要求在结构体系中有明确的计算简图，便于内力和位移分析，最大程度限制薄弱部位的出现。

2.3.2 结构的整体性

在建筑结构中，相当于水平隔板功效并能够提供足够刚度和内力的楼盖，可以聚集和传递惯性力到各个竖向抗侧力子结构，并且要求这些子结构能协同承受地震作用，从而起到抗御地震等之类的自然灾害的破坏作用[2]。但是如若竖向抗侧力子结构布置不均或水平变形特征不同，就使其不能有效协同工作，从而大大消弱抗御效果。如位于尼加拉瓜首都马那瓜的中央银行大厦的平面布置图（见图1），经受1972年的地震而使得大夏结构严重破坏，通过分析得知存在平面、立面布置严重不均匀、不连续等概念设计错误。而基于概念设计思想设计的美洲银行大厦，同样是位于尼加拉瓜首都马那瓜也同样经受了1972年的地震，且该所大夏还位于震中，但是仅仅墙体呈现很小裂缝。这样鲜明的对比就是在于美洲银行大夏得益于概念设计思想，该建筑通过4个柔性筒组成并对称地由连梁连接起来，使得相对独立的柔性筒具有延性的结构体系，并形成了对称布置的刚性体系，缓解并承受了外来的地震作用和风荷载力，在发生强烈地震时有效地抗御了破坏作用力，从而确保该座大厦巍然不动。

图1 中央银行大厦平面布置图

2.3.3 结构的规则性和均匀性

建筑结构具备结构的规则性和均匀性，可以有效防止薄弱的子结构过早破坏、倒塌，使得建筑物分布质量与结构刚度分布协调，利于充分发挥整个结构抗御自然灾害的破坏作用，从而最大限度避免承载力和传力途径的突变。

2.3.4 空间作用原则

如若考量建筑结构的空间作用，实质上是还原建筑本来面貌即可。不过，如若有意识地利用构成构件间的空间关系，还需要考量刚度、受力等，通过概念设计来确保空间作用。

2.3.5 优化选型原则

在建筑结构之中，概念设计主要是对结构体系和结构布置予以优化，前者主要是根据基本构件特征和荷载实况等来形成基本结构单元，并通过集合形式构成主要结构体系；后者主要是布置基础系统、柱墙竖向支撑系统、楼屋盖水平系统。

2.3.6 合理受力原则

一般而言，建筑结构进行结构概念设计时，往往需要注意做到均匀受力、超静定受力体系、刚性连接、空间作用等[3]；同时，还要注意分析建筑结构的宏观受力状态、直接受力状态和主要受力状态，以便运用力学原理来处理好受力分析问题。

2.4 概念设计的重要作用

2.4.1 填补计算机程序操作漏洞

在建筑结构设计中利用计算机程序完成方案设计工作已成为必不可少的环节，但是这并不意味着过度依赖计算机程序，反而恰恰需要掌握概念设计的相关知识来填补计算机程序操作的漏洞，从而保持建筑结构设计主体的持久创新能力，而不至于设计能力隐性退化使得建筑结构设计处于停滞状态中。

2.4.2 满足用户多元需求

当今建筑结构设计需求不再是立足于设计者本身，还不同程度地渗透着用户对建筑结构设计的需求。换言之，建筑结构设计实质是将各种设计需求量化为实物的过程。而在当今社会多元化发展趋向下，用户对建筑结构的设计也趋向多元化，而设计者唯有通过概念设计，才能最大化满足用户多元化需求，防止出现概念模糊、混乱等定性错误。

3 概念设计在建筑结构中的主要应用

3.1 方案选择

建筑结构设计往往与地质结构、地形特点等建筑场地条件存在一定关联，也就是不同地域的居民对建筑结构有着不同的需求和审美，意味着在选择建筑结构设计方案中，要立足从整体到局部、局部到整体的概念设计来考量设计方案，譬如建筑地基就要考量场地资料来设计。

3.2 结构体系选择

对于高层混凝土结构而言，存在着框架结构、剪力墙结构、筒体结构、巨型结构等结构体系，这就需要设计者在综合各种设计需求中选择最佳的结构体系，并在保证水平荷载下满足嵌固要求，也就是确保地震作用和风荷载之作用下的强度和稳定性，从而适合配置车库、蓄水池等用途的基坑施工。总而言之，唯有依赖概念设计才能选择和确定结构体系。

3.3 抗震设计中的应用

抗震设计并不仅仅依赖软件计算，而是需要设计人员依据概念设计进行操作，譬如强柱弱梁只能依赖设计人员放大柱截面，构造边缘构建、底部加强区设置、最大（小）配筋率要求等,都需要设计人员根据抗震概念设计来确定。

3.4 结构分析中各种调整系数

在建筑结构设计中，有时会涉及一些调整系数，譬如地震作用调整系数、周期折减系数、梁端弯矩调幅系数、连梁刚度折减系数、振型数、梁跨中弯矩放大系数、梁扭矩折减系数、梁刚度增大系数等，都可能会依据概念设计予以调整系数[4]。

3.5 对计算结果的分析判断和调整

在建筑结构设计中，对于位移、平衡性、对称性以及周期、振型和地震力等，需要通过概念设计和规范要求予以相应的调整。同时，对于轴压比、剪重比、刚度比、位移比、周期比、刚重比等，也需要依据概念设计对计算结果予以判断和控制。

4 概念设计应用注意的问题

4.1 认识结构的破坏机制

建筑结构的破坏机制主要涉及楼层破坏和整体破坏2个部分，前者主要是某部分薄弱和短板效应而未能达到最大荷载所受到的损害；后者主要是基于整体结构而受到的损害。因此，在建筑结构设计中，要特别注意整体破坏问题。

4.2 注意建筑物刚度的判断

建筑物刚度不能过大也不能过小，这样就不宜使得建筑结构自振周期过短，也不宜造成建筑材料的浪费和建筑发生大幅度位移，从而危及建筑物的稳定和安全。为此，对于建筑物的刚度要准确判断。

4.3 注意等强度和耗能设计

不容否认，建筑的主要承重结构可能会存在一些设计或施工质量所引发的隐患，这样建筑遇及地震发生时就会在水平作用的破坏之下而危及或造成建筑破坏。故而，在概念设计中要力避短板设计，并注意等强度和耗能设计，特别是注意处于弹性阶段工作的构件约束耗能构件的屈服应力、承受竖向荷载的构件不宜作为耗能构件。

5 结论

在建筑多元需求的消费模式下，基于对结构设计的创新与超越的概念设计日益备受建筑界和广大客户的关注和青睐，毕竟概念设计给建筑结构带来受力合理、造价低廉、安全可靠等诸多优势，并且有效地提升了建筑结构的设计水平，使得建筑师和结构师予以在一个平台上沟通，改变完全依赖计算机计算的不利局面，从而成为建筑结构今后发展的主流设计思想。

【1】李志奇.建筑结构的概念设计[J].中外建筑，2003（3）：91-92.

【2】刘华新，孙志屏，孙荣书.抗震概念设计在高层建筑结构设计中的应用[J].辽宁工程技术大学学报，2007（2）：222-224.

【3】左咏梅，李俊玲，高洪俊.多高层建设结构的概念设计应用与分析[J].煤炭工程，2009（12）：30-31.

【4】古雪琴.建筑结构概念设计研究[J].商品混凝土，2012（9）：134+136.

On the Conceptual Design and Application of BuildingStructures

LIANG Yi
（ArchitecturalDesignandResearchInstituteofGuilin,Guilin 541002，China）

Theconceptualdesignistheinevitableresultofthedevelopmentoftoday'sarchitecturaldesign,but alsoblindlyrelydefective computers ought to highlight the results of the game.For this reason,the concept of design is increasingly becoming one of the topics of buildingworkssectorisconcerned.Therefore,thisarticlefocusesonthedifferencebetweenconceptualdesignandstructuraldesign,concept designandtheimportantroleofthegeneralprinciplesmustbesetforth,andonthisbasistobeexploredontheprogramselection,architecture selectionandotheraspectsofapplicationsandapplicationnoteissues.

buildingstructure;conceptualdesign;applications

TU3

A

1007-9467（2016）06-0035-03

梁毅（1972～），女，广西桂林人，高级工程师，从事工业与民用建筑结构设计研究，（电子信箱）kuashiji2008@126.com。

2016-02-24