基于建筑与结构融合度提升的建筑结构设计创新分析

2022-10-12毕正超

城市建筑空间 2022年9期

王淼，毕正超

（1.中国建筑标准设计研究院有限公司，北京 100037；2.中核能源科技有限公司，北京 100080）

0 引言

如何将结构设计融入建筑设计一直是建筑设计人员追求的设计目标，结构设计不仅需满足建筑设计要求，而且需注重对建筑结构的优化，加大创新力度。结构设计创新过程也是结构与建筑融合的过程，设计人员需充分考虑结构体系，积极与建筑造型融合，有效降低施工成本，提高建筑综合效益，延长其使用寿命。对设计进行创新过程中，需采取有效措施对建筑结构进行优化，使建筑呈现多元化特点，在保证其实用性的前提下，使其具备丰富的功能。

1 建筑结构设计创新的意义

近年来随着我国城市化步伐加快，人们对住房的需求也在不断提高，由此高层建筑数量逐年增加，同时导致建筑结构重量不断增加，建筑整体及墙壁的承载力明显提高，为满足其使用功能需求，必然会增加建造成本。结构设计创新便是在满足建筑要求的基础上，制定科学合理的设计方案，最大化提高其空间利用率，优化建筑物土地使用比例，有效提高土地利用率，进而提高经济效益。科学合理的设计方案不但能提高整体经济效益，而且有助于降低施工成本，避免不必要的资源浪费。因此建筑结构设计创新过程也是设计水平不断提高的过程，对于优化与完善结构设计体系具有重要作用。

2 建筑设计与结构设计融合存在的问题

对建筑整体设计来说，不仅需重视其美观性，而且需加强对结构设计的重视，因此需实现建筑和结构的深度融合。建筑设计与建筑结构密切相关，二者互为补充，互相制约，确保建筑结构设计效果是重要基础，只有保证结构设计合理，才能进一步提高造型的美观性和稳定性。随着人们对生活环境的重视，设计人员需坚持可持续理念，对结构进行优化设计，提高资源利用率。

建筑设计与结构设计是建筑结构设计的重要组成部分，但在实际设计过程中，二者的融合深度存在不足，无法协调发展。部分设计人员过于注重创新设计，而忽视了结构的可行性。如德国某地区教堂结构设计如图1所示，平面形状为卵形，屋顶结构为马鞍形，落地拱的拱身悬空斜交在地面的拱支座上，结构稳定性较差，因此又设计了环梁，建立索网结构。环梁外采用短索锚稳定斜拱。但斜拱仅具备挑檐的作用，并无其他结构上的作用，整个索网的构件是外墙的环梁，这一设计理念十分新颖，整个建筑的美观性较强，但在结构设计方面存在诸多不足，因此使用20多年后受大风影响，建筑一侧坍塌。因此如果未实现建筑设计与结构设计的有效融合，必然难以保证建筑的稳定性和安全性。

3 结构设计创新在建筑设计中的应用

3.1 概念化设计

概念化设计是建筑设计的主要内容，同时是结构设计创新的重要体现。通过概念化设计能够合理选择结构系统，结合建筑功能和需求等情况明确建筑地点，从多个层面分析建筑布局情况，保证设计的合理性。概念化设计创新过程中，需采用合理的系统。对基础设置来说，需根据建筑物的功能需求明确合理的基础类型，降低建筑故障发生风险。同时，在结构概念化设计过程中，需避免建筑出现大开洞、大悬挑等情况，提高结构的抗震性能和稳定性。在安全性方面，建筑结构概念化设计的应用效果理想是结构设计创新的重要体现。某商场空间的结构概念化设计如图2所示。

图2 某商场空间概念化设计

3.2 构件与细节设计

构件与细节设计也是建筑结构设计的关键。构件设计主要包括对建筑材料的合理选择，保证结构配置的合理性，对构件尺寸进行合理选择等，均为结构设计中构件优化的主要内容。在设计阶段，设计人员需认真考虑构件的配筋情况，确保在施工过程中全部构件配筋均处于配筋范围内。如果设计人员缺乏对构件设计的重视，必然会对建筑结构设计的创新造成影响，同时在一定程度上导致安全隐患发生风险增加。因此需做好构件设计工作。细节设计主要指在整体建筑构件设计的基础上，对细节问题进行分析，具体包括圈梁、压顶、立面线脚等设计工作。该类设计工作极易被忽视，因此设计人员需加以重视，对细节进行优化，从细节到整体层面实现对结构的有效控制。

4 建筑结构设计原则

1）建筑结构设计需遵循全面考量与减轻自重的原则。在考量方面，需根据结构设计情况，认真分析建筑的长期效益，在保证其功能正常应用的基础上，降低施工成本。结构设计的创新需积极利用先进技术、优秀经验，对设计工作进行全面分析，满足工程结构要求。对减轻自重来说，主要指减轻建筑物重量，设计阶段需要对各构件进行优化，确保建筑具有良好的抗震性能，实现对结构自重的优化。

2）结构设计需从实际情况出发，全面分析结构设计各环节存在的问题和情况。例如，认真考虑自然环境对建筑可能造成的影响。另外，需遵循合理受力原则，设计人员需对受力、对称性等层面认真分析建筑物的受力及变形影响因素，结合受力和变形情况，选择具有良好抗力性能的建筑材料，对建筑结构进行进一步优化。

5 基于建筑与结构融合度提升的建筑结构设计创新策略

5.1 建立完善的建筑结构设计优化模型与设计方案

为促进建筑和结构的深度融合，需建立建筑结构优化模型，完成模型创建后，明确设计方案。首先要明确整体参数，在结构设计中，设计参数对设计水平有直接影响，参数的选择需要考虑结构设计的重点，了解结构设计的整体工作量；其次，在明确整体参数的前提下，需要明确目标参数，对结构各项要求进行合理设计，优化设计方案。在选择设计方案的过程中，需结合实际情况，分析不同建筑设计、结构设计存在的差异性。在这一基础上，加强对专业设计软件的利用，通过精准计算获得最优模型。

5.2 保证建筑年限的基础上进行阶段性创新设计

建筑结构设计需要设计人员强化结构设计优化理念，这样才能降低建造成本，提高经济效益。同时对建筑结构设计体系进行全面优化，使建筑从整体层面得到优化，保证建筑的美观性和实用性能够满足人们的需求。为延长建筑使用寿命，需要设计人员在建筑可使用年限内，对各阶段的设计方案进行优化创新。因此需要设计人员充分掌握各阶段的工程情况，提高各阶段设计方案的创新水平，延长建筑寿命，提高其整体质量。建筑结构设计存在约束多、非线性等问题，对设计工作的顺利开展造成阻碍。设计人员需对各阶段进行优化创新，在整体层面上进行创新，解决相关问题，为设计人员提供更优的设计方案。

5.3 建筑主体上部结构设计创新

近年来我国建筑行业发展迅速，国家出台诸多支持政策，建筑行业具有良好的发展态势。但发展过程中的问题也在不断增加，对人们的生活造成不利影响。因此需要加强对建筑结构设计质量和安全性的重视。随着市场竞争加剧，结构设计的创新已成为建筑单位的重点内容。基于建筑和结构深度融合理念的指导，可对建筑上部结构进行优化创新，这也是建筑结构创新的重点。设计过程中需根据具体情况，做好剪力墙设计工作，保证剪力墙的设计，使其具备均匀性的特点（见图3），剪力墙的均匀分布能够确保建筑上部结构的稳定性。另外，在剪力墙设计时，尽量采用大开间的设计方法，减少混凝土的应用。同时需认真考虑剪力墙钢材铸造的构成情况，通过对上部结构设计的创新，有效降低施工成本，提高施工效率。

图3 剪力墙结构

5.4 建筑结构和平面设计创新

在设计阶段，需注重建筑整体结构与平面设计的融合，在这一基础上保证建筑美学和结构的统一性。通过建筑与结构的深度融合，能够进一步优化结构设计体系，避免墙面发生开裂、错位等不良情况。对于承重较多的转角位置，需注重结构设计，将高性能建材作为主要承重材料，在保证结构稳定的基础上满足人们的审美需求，同时对整个建筑结构设计体系进行优化和创新。