论建筑结构设计中的概念设计及其优化

李霞

（贵阳市建筑设计院有限公司　贵州贵阳　550003）

1　引言

随着中国经济的快速发展，对建筑产业起到了很大推动作用。在建筑结构设计中，如果采用科学合理的概念设计，则会起到事半功倍的效果，即既可以满足人们在办公住房上的需要，又能使建筑结构设计更具有经济性和可靠性。此外，合理的概念设计还可以提高工程建设的效率。本文意在通过对建筑结构概念设计以及优化措施的分析，为同行提供参考，提高建筑结构设计水平和建筑设计质量，保证整个建设项目的质量。

2　概念设计理念

2.1　概念设计的含义

工程师在概念设计的大体方向确定后，通过数据的收集整理，对设计要求进行分解消化，在建筑方案的基础上拟出一套初步的结构设计方案构想。概念设计难度较大，对工程师的实践经验要求也比较高。概念设计是在对建筑类型和特性的把握上做出的一种以结构为框架，包含地理因素，自然条件、建筑形态、建筑功能、结构措施并与总体规划和场地特点相结合的一种系统展现，具有明显多元化结合的特征。

2.2　概念设计的意义

在建筑结构设计中，概念设计是结构设计的核心，起着提纲挈领、把握主要设计方向的作用。概念设计与建筑中精确规整的局部构件设计不同，其是从整体的大局出发，结合结构概念所形成的合理的系统的设计方案，对结构设计有着从结构体系、受力性能上的合理化提升和优化完善作用；对于实现建筑方案、建筑功能、造价控制方面都有着不可替代的指导意义。

3　概念设计在建筑结构设计中的应用体现

3.1　建筑场地及结构构件选择

概念设计在建筑结构设计中的应用是多方面的，比如建筑场地的选择；结构体系的确定；局部特殊构件的结构体系确定，比如大跨度楼、屋盖，大悬挑雨篷，大跨度采光顶篷，大跨度连廊等等；结构抗侧力构件的布置；跨度尺寸模数的确定；高层建筑长宽比、高宽比与建筑方案的协调；高层建筑核心筒平面位置的确定以及核心筒与建筑，设备功能的协调等。

对建筑场地的选择，需要综合地质情况、风荷载、地震带、建筑造型、建筑立面、建筑功能、城市天际线的制约等各方面因素，综合考量，是一个典型的概念设计。

3.2　抗震设计

概念设计在抗震设计中的应用有其独到的价值。概念设计融入抗震设计的过程更多是对整个建筑工程总体结构体系的分析和考量。抗震设计中，概念设计和结构措施是相辅相成的。从概念设计出发，对“地震力”采取或“抗”，或“耗”，或“隔”，或“传”等等不同的处理方式。抗震设计中的性能设计也是概念设计的常见应用领域。建筑的抗震性能设计，通过对承载能力和变形能力的综合考虑，寻求整体结构或者局部构件在承载能力以及变形能力的合理平衡点，具有很强的针对性、灵活性。

抗震规范提出的“三水准设防”目标（即小震不坏，基本地震可修，大震不倒）其实和抗震性能设计的目标是一致的，其本身也就是一种概念设计。从“三水准设防”目标出发，实际设计中，往往会对特别不规则结构（水平和竖向）、复杂结构根据具体情况，对抗侧力的水平和竖向构件作出特别加强。

3.3　高层建筑结构设计

概念设计在高层建筑结构设计中的应用，常见的有结合建筑方案和平面布置控制高宽比，长宽比；根据建筑平面布置和建筑功能，设备要求合理布置抗震墙与核心筒，以及确立核心筒位于整个建筑平面的什么位置，是中置，是偏置，是单筒亦或双筒，目的是为了使结构刚度中心和质量重心尽量重合。针对不规则平面布置出现的薄弱点，做特别加强处理比如加强楼板刚度等措施。这一点体现的很明显。作为构件设计，常规的楼板厚度就可以满足承载能力和变形能力的要求，但是从概念设计的角度出发，采取加强薄弱点的楼板刚度这一具体的结构措施，就可以大大提升整个结构的抗侧力刚度，对于抗震性能设计，以及控制计算指标都有很积极的效果。

3.4　地基基础设计

在地基和基础设计中，概念设计的应用也很常见。比如，抗震规范第3.3.4条第2款规定“同一结构单元不宜部分采用天然地基部分采用桩基”，该规定是为了避免建筑物受到地震作用时，基础因为抗侧刚度的严重不均匀而发生抗剪破坏。另《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）提出了变刚度调平设计理念。该理念体现了概念设计的精髓。尤其对于主楼、裙房一体的建筑物，对主楼，裙房采用不同的基础形式或者基础处理方案，可以有效地控制沉降和差异沉降；再比如，主楼和裙房都采用桩基础，但是主楼桩基密集强化，裙房桩基稀疏弱化，则是常用的控制差异沉降的结构措施。

4　概念设计在抗震设计中的优化分析

4.1　结构规则

在高层建筑的构建过程中，实际的建筑结构是三维立体的，而在地震发生时，地震的方向具有任意性，所以高层建筑的主体抗侧力结构的主轴的刚度要均匀相同，这样高层建筑就会有非常好的抗震能力。处于强震区的高层建筑要注意主体抗侧力的竖向断面的变化要均匀，不能变化太大，这样可以避免在地震时因为建筑的薄弱环节而造成的整体损坏。在高层建筑主体抗侧力这一方面的平面布置上，既要注意同一方向上的刚度要均匀同时也不能忽视延展性对主体结构的影响，还要满足对称性的要求。

4.2　选择结构

在建筑高层盖梁时，要注意使重力荷载要以最短的途径传达到竖向构建上。在布置竖向构件时，要保持竖向构件和重力荷载作用力水平接近，从而避免构件压力的转移，所以垂直重力作用下构件压应力均匀是最优选择。整体抗侧力结构是由框架、支撑、墙体等组成，在构建整体抗侧力时要把这些结构连续、紧密连接。在结构的转换上要做到把上层结构的重力通过转换结构多次转换，保证能够传递到下层结构上去。

4.3　设立抗震结构

剪力墙是最主要的抗侧力结构，同时也是第一层抗震结构，所以剪力墙的数量要达到抗震标准。在剪力墙开裂后要重新分配地震力，就要使每层的框架要和墙体共同承担地震力。在剪力墙结构中，可以使用连梁结构形成联肢墙，从而具有更高的抗震能力。在联接过程中要注意使梁结构的各项能力要和墙肢均匀相似，从而减少因为拉力过大出现的抗震能力下降的现象。

4.4　刚度设定

在进行主体抗侧力结构的刚度设定时要注意，刚度要符合位移、延展性等的要求，保证地震发生时高层建筑结构可以稳定应对。且主体抗侧力的刚度不能过大有以下几点原因：符合要求的高层建筑的结构刚度要略大于规定的范围值，高层建筑结构的延展性是根据结构的设计和构造决定的。如果刚度过大，会导致在地震发生时结构的振动频率减少，使地震对建筑的影响加大，从而导致高层建筑结构所承受的地震力增强，对地基的负担也会增多。

5　结语

在建筑结构设计中，为了确保设计方案的科学性和实用性，设计人员应当根据建筑的概念进行结构设计，设计出一套适用于施工的建筑结构设计方案，才能确保建筑施工顺利进行。本文从建筑结构概念设计的介绍出发，分析了概念设计的现状，以及目前结构概念设计在应用时需要注意的问题，接着提出了建筑结构概念设计的具体应用，最后着重分析了高层抗震设计中利用概念设计进行优化的要点，在今后的建筑设计工作中，提出更多更好的抗震设计方案，提高建筑物的刚度，使其能更好的抵御地震灾害造成的破坏。