概念设计在建筑结构设计中的应用

文/张鑫 天津宇昊集团建筑设计有限公司 天津 300381

1、前言

在经济全球化的新局面下，我国的建筑结构设计工作必须跟得上时代的步伐，传统的结构设计方法是十分单调的，其与社会的发展形势也是无法相适应的。所以，在建筑结构设计工作中应用概念设计就显得十分地重要和必要，其能够有效的处理建筑结构设计过程中易出现的问题，并保证设计工作更加的贴近人们的生活，大大提升了建筑的应用价值。

2、概念设计总体概述

2.1 概念设计的含义

概念设计追求的是逐渐向具体、精细、清晰的演化过程，在整个设计中，这种逐渐精细化的理念贯穿着始终。在建筑结构的设计中，概念设计也就是指对结构体系和分体系所作的分析。同时根据分析得出的结果结合设计人员长期的工作经验进行结构设计创作，从而完成建筑设计中的抗震设计以及总体水平的设计。近些年来，随着我国经济实力的不断提升，科学技术也有了较大的进步，建筑结构设计的水平也在不断的提升，将概念设计融入到整个建筑结构的设计中，这是建筑结构设计的需要，同时在建筑结构设计中也应该将概念设计作为整个工作的重心所在。

2.2 概念设计的发展

在现在的建筑结构设计中，我们会看到有些设计体现出了概念设计这一信号，只是这种设计形式的体现有时是在有意识的情况下体现出来的，而有的时候是在人们无意识的情况下体现出来的。随着社会的不断进步，被要求设计的内容越来越多，越来越复杂，对于设计的水平要求也提高了很多，所以在结构设计过程中很好的融入概念设计就显得很必要了。但是，在工作中，很多设计人员分属于不同的工作领域，他们的观点在一些问题上会存在分歧。所以，我国在设计领域仍然处于一个初期的发展阶段，正在慢慢的起步过程中。现代社会中，信息化已经以很快的速度向前发展，计算机的应用程序越来越复杂。因此，在设计过程中合理的利用信息化工具是一项很好的辅助工具。在现代社会中国狠多优秀的作品中融入了概念设计的理念这种形势下，结构设计过程中融入概念设计是一种很好的促进设计工作发展的形势，在社会发展中比较受重视，拥有着较好的发展前景。

3、建筑结构的简化计算

3.1 结构安全度的人为控制

高层建筑结构的设计计算，目前结构工程师都已广泛采用各类结构软件电算程序进行。在这种情况下，高层结构的简化计算还要不要？如果要，深度应该达到什么程度？结构工程师根据实际工程设计的经验，一致认为答案是明确的，要简化计算，而且要达到一定的深度，但也不必过于繁琐，要力求快速，简捷，明了，并能把握结构的主要受力特征。

3.2 结构设计的经济合理

结构工程师通过高层建筑结构的简化计算，可以在正式电算前得到主体抗侧力结构及其楼盖结构的合理布置和截面的合理确定，下一步的电算实际上成为简化计算的辅证和深化，这样一方面，可以不必在上机后来回调整，节省电算时间，使电算更快捷有效，电算结果也比较放心，另一方面结构的布置，断面的确定比较快的得到经济合理的实现。

4、概念设计在建筑结构设计中的应用

4.1 平面设计

在水平荷载作用下结构侧移已成为高层建筑设计中的关键控制因素，如何在满足相关要求的前提下选择更好的抗侧力体系成了结构工程师追求的重大目标。建筑平面的形状宜选用风压较小的形式，并应考虑邻近高层建筑对其风压分布的影响，还必须考虑其抵抗竖向荷载能力，在地震作用下，建筑平面要力求简单规则。风荷载作用下则可适当放宽，因为结构整体弯曲变形所引起的侧移与结构体系抵抗倾覆力矩的有效宽度的三次方成反比例关系，所以不适宜建筑宽度很小的建筑物。

4.2 剖面设计

4.2.1 竖向传力体系设计

1）应注意控制建筑的高宽比。2）高层建筑的抗侧力结构刚度，应注意由基础向顶层逐渐过渡，要尽量避免出现在竖向上刚度发生突变的现象，以免由于刚度的较大突变而削弱其抵抗水平荷载的能力。3）由于使用上的要求造成刚度变化特别大，或结构布置发生变化时必须设置结构转换层。4）高层建筑必须有相应的锚固深度，此锚固深度可结合布置设备用房和地下停车库的需要，作为一层或多层地下空间，这对降低高层建筑的重心有利，可提高建筑抗震能力及抗倾覆能力。

4.2.2 竖向形体设计

1）截锥形。采用由下而上分段逐渐减小楼层面积阶梯状体型，能使房屋刚度大大增加，由于房屋顶部的楼面尺寸比底部小，除了在建筑使用功能方面存在优点外，在抗风和抗震方面也具有一定的优越性。2）上窄下宽形。高层建筑随着高度的增加在符合竖向结构的要求下，楼身向上不断收进与变细，这样可减轻承受的风力，降低楼体的重心，加强结构的稳定性，这种形体主要包括上削楔形体和退缩体，上削楔形体利于抗风，抗震，并呈现稳固坚韧的特性，退缩体的形式比较多样，有收进式，截切式，台阶式。3）新月形。新月形房屋就像一个竖向的悬臂壳体一样，能有效地增加它低抗侧向力的刚度，它的作用就像波形的屋面壳体能有效地抵抗重力荷载一样，重力荷载由柱—壳—框架承受，侧向荷载由竖向的壳体抵抗，该壳体由于楼面结构的加劲作用而得以加强，新月形的壳体形式能有效地抵抗对称作用与它的侧向力。

4.3 基础设计概念

4.3.1 基础与上部结构协同作用

基础除了与地基相互作用外，与上部结构作用的关系也很复杂，除非在建筑的边缘部位荷载很大的情况以外，一般建筑基础的变形总是内部沉降多，外部沉降小，在建造下部几层时，基础钢筋应力不断增长，建筑到四五层时钢筋应力达到最高值，以后随层数和荷载的增加应力又逐渐减小，这种现象是基础和上部结构协同作用的结果，当上部结构高低层数差别很大，但地下室有直通要求时，应做成整体基础，高低层不分开是有条件的，首先地基地质要好，或采用桩基。要求地基沉降量不能过大，重要的是控制高低层的沉降差，天然地基的建筑，高层部分一般采用满堂红基础，低层部分采用双向条形或单独基础，高层建筑常设有通往地下车库的通道，通道紧贴高层的外壁，并平行于外壁，作为车道的底板，便于铺防水层，也保证了高层建筑的整体连接。

4.3.2 基础选型及特点

根据不同建筑的地理位置结构形式可选择桩基础，箱形基础和筏形基础。桩基础，当地基土质较软弱，建筑物层数较多，荷载较大的情况下，天然地基不能满足地基承载力的要求可以采用桩基将上部结构荷载直接传到下部坚实的持力层，高层建筑的桩基础可采用预制钢筋混凝土桩，混凝土灌注桩和钢管桩。箱形基础，箱形基础在高层建筑中广泛应用，它整体刚度好，能将上部结构的荷载均匀地传给基础，对上部结构能良好地嵌固，箱基有效地抵抗不均匀沉降，并与周围土体协同工作，提高建筑物的抗震和抗风能力。筏形基础，筏形基础适用于上部结构荷载较大，地基承载力较低的工程，筏形基础整体较好，刚度大，能有效地分散上部结构的荷载，调整基底的压力和不均匀沉降。

结语：

在建筑结构的设计过程中加入概念设计的理念，可以从多个方面使设计更加的完善。概念设计在整个建筑的结构体系设计中有很多方面都可以运用到，并且相比于计算机程序下的设计，概念设计有着独特的优点。只有对概念设计的理念有一个深入的了解，才能正确的处理可能出现的问题，设计出最符合要求，且更安全，更经济，更高效的作品。

参考文献：

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