建筑结构概念设计的理念及方法

陈先虎

（同圆设计集团有限公司安徽分公司，安徽合肥 230001）

1 结构概念设计的内涵

结构概念设计指不用数值计算，在无法进行精确数值分析、难以进行规范规定分析的情况下，运用整体结构体系和分体系、结构构件之间关系，如力学理论、结构破坏机理、实验现象和工程经验所获取的基本设计原则与设计思想用于项目整体和局部的设计。概念设计是一种宏观角度对建筑结构的总体布局、细部措施安排等的控制思想，虽然不用数值计算但需要采用概念近似估算，可以快速有效地进行方案构思，并最终选择合适的设计方案，以减少了后期不必要的设计方案变更，减少具体实施阶段的工作反复，经济性和可靠性较强。结构设计师如能充分掌握结构概念设计，就能减少设计对计算软件的依赖，高效地进行设计方案选择，也激发了建筑工程师们的创造力，使理论和实际结合起来，使建筑结构设计工作更加客观科学，同时也让建筑结构设计更加灵活，提高建筑结构设计水平，同时也有助于推动整个建筑行业的发展。

2 结构概念设计的重要性和必要性

2.1 结构概念设计的重要性

概念设计是一种基于理论基础知识的设计思想，结合先进的设计工具、设计技术等制定全面科学的设计方案，使理论和实际结合起来，使结构体系在力学性质、构造处理等方面都比较适合的结构方案。概念设计一方面可以激发结构设计师的主动与创造性，另一方面能全面提高建筑结构设计的质量。一名优秀的结构设计师必须要首先详细了解概念设计的内容、特点和作用等，才能提高建筑结构设计水平。此外，在设计方案制定初期，必须要结构设计师结合具体情况作出判断，这就要求结构工程师们必须要全面掌握好建筑结构的概念，才能制定出比较好的结构方案。

2.2 结构概念设计对建筑结构设计的必要性

在计算机技术迅速发展的背景下，结构工程师们对于计算机计算过于依赖，但计算机并不能代替设计，只有加强结构概念设计的意识，才能更加客观真实地理解建筑结构的工作性能，合理地进行设计。

在进行建筑结构设计时需要做出各种力学数值计算和分析，但是一般会借助计算软件工作，使得结构师们缺乏对建筑设计工作深入的思考，也会存在因软件问题而带来的危害。比如在进行结构平面布置时，计算时通过计算加大材料能够满足软件计算的承载力和使用要求，但是并不是合适的结构方案，使得结构臃肿，浪费材料。如果使用概念设计的思想与方法，就能处理好整体结构体系和构件之间的关系，使最终形成的方案更加准确合理，从而免去了后期工作中的一些烦琐计算。此外，概念设计的应用还能对计算机输出的数据进行判断，避免出现电算误差和软件操作错误，在实际工作时采用概念设计理论有利于探讨更加深层次的设计问题，从而使设计总体质量得到提升，不仅简化了设计的流程，而且也保证了计算数据结果的准确性。

3 在建筑结构设计中开展概念设计的途径

概念设计的工作包括：①明确设计目标，如“大震不倒、中震可修、小震不坏”就是抗震设计的目标；②形成基本的结构模型：包括结构体系、计算简图、基础选型、构件尺寸选择；③对计算结果进行评估调整，对构件加强，如采用强柱弱梁方法进行调整；④设计好能发挥结构作用的构造措施。概念设计既可以从大的方面整体把握方向，也可以从细节体现整体设计理念，具体实施过程中可以从以下几个方面具体考虑：

3.1 选择合理的结构方案

合理的结构方案中应该包含科学合理的结构形式和体系，该结构体系必须受力明确，具有清晰和简便的传力系统。在高层建筑平面设计中，必须注重概念设计，在设计方案阶段就应该先保证所设计的方案是完全符合受力要求的。合理的结构方案是开展结构概念设计的前提，而结构方案想要更加科学合理就需要满足和调节建筑要求，和水暖、供电等其他专业进行协商，然后确定结构选型和结构方案。结构体系选择时应考虑地震作用的大小，选择合适的结构形式。结构概念设计可以从平面和竖向分别考虑。

3.2 平面设计

为提高建筑的抗震能力，在平面设计时宜选择规则的结构布局形式，控制结构的扭转，避免薄弱连接，可设置抗震缝将结构划分成若干抗震单元。在高层建筑平面设计中，由于建筑需要承受更多的风压，所以必须保证建筑外形是流线型，如圆形建筑平面的风荷载较矩形平面的小。平面上两个正交方向的刚度宜尽量接近，抗侧力结构（柱、剪力墙）宜设置在四周，以增大整体的抗侧刚度及抗扭刚度，同时，应加大梁或楼层的刚度，使柱（或剪力墙）能承担较大的整体弯矩。

3.3 竖向设计

高层结构抗侧力结构的刚度应从下往上逐渐过渡，避免因为突变而减弱了对水平荷载力的抵抗能力。竖向设计时可以通过“刚柔并济”的方法加强某些构件，减弱某些构件，如美洲银行大厦，通过设置较大刚度的束筒和较弱的连梁，达到很好的消能减震的作用。另外结合建筑的要求，结构可以进行适当创新设计，如深圳万科中心设计采用斜拉索的结构形式，采用了类似于斜拉桥的设计方法，在首层形成了连续大空间。

3.4 建筑基础的设计

在进行基础结构设计时，首先要先做好对当地地质地形、自然环境等条件的考察，收集和分析相关数据，在此基础上制定科学合理的基础方案。一般建筑物基础埋深都有一定的要求，施工时都需要开挖基槽，建筑宜设置地下室，对建筑抗震也有利。基础选型主要考虑承载力和变形沉降，对于高层建筑带裙楼的工程，高层可采用桩基础，裙楼采用天然基础，可以很好地调节变形。基础设计宜与上部结构同时考虑。

4 结语

综上所述，本文对建筑结构概念设计的作用、重要性和具体设计措施进行了简单分析，重点剖析了概念设计的意义和重要性，并介绍了概念设计的方法。概念设计和工程师们的理论水平和经验有关，将概念设计应用到建筑结构设计中，要求结构设计师们从宏观整体的角度对总建筑体系和构件进行研究，并不断总结设计思想来提高概念设计的水平，采用创新的方案开展结构设计，不仅避免了建筑结构设计中采用计算软件带来的误差，而且也有利于提高结构设计的水平和效率，避免后期出现不必要的设计反复，推动建筑整体发展。概念设计，不单关乎丰富的经历与经验，更是来源于对基本的力学、材料等概念特性的掌握，同时要求结构师有开阔的视野，灵活运用设计方法，是具有创造性的设计。