概念设计与结构措施在建筑结构设计中的应用

2024-01-31贾晋

建筑与装饰 2023年24期

贾晋

北京石大东方工程设计有限公司北京 102200

引言

市场经济为建筑行业带来了更大的发展可能性。在各种类型及规模的建筑项目中，有关人员需注重结构设计工作，这是决定工程结构整体安全性的重要因素。目前在建筑结构设计中陆续出现了很多新理念、新方法与新技术，但为达到预期的设计效果，有关人员需合理应用概念设计思想，采取多样化结构措施，保障结构整体与局部的合理性。结构设计是影响建筑功能效益、质量安全的关键方面，在未来的各个建筑结构设计中需大力推广概念设计，建立科学的结构设计路径。

1 概念设计的基本概念

1.1 概念设计的内涵

目前的建筑市场上，许多建筑结构设计中都采用了概念设计的相关理论。具体的设计工作中设计人员需依据设计概念来评估建筑设计计划的合理性、规范性与可行性，与此同时还需结合自身的设计经验，从宏观角度确定建筑结构形状，参考行业规范与标准确定结构细节，适当使用隔振装置，达到建筑结构安全、稳定的设计目标[1]。依据建筑结构设计经验，概念设计对建筑设计有直接影响，不仅关乎建筑的整体安全性，也与施工周期、项目投资等有关。如能在设计中合理应用概念设计方法，在一定程度上可减少估算、计算错误的现象，使有关人员从经济性、技术性、安全性等角度优化建筑结构。

1.2 概念设计的实施步骤

目前，建筑行业内的工程设计中越发注重概念设计，此设计工作一般涉及分析、综合、评估与完成几个阶段，每一阶段都有其特定的工作目标，只有顺利完成了每一阶段的设计任务，方可进入下一环节的设计阶段。如某一阶段的设计工作达不到预期，应重新进行相应的工作，直到符合要求。概念设计的流程如下：①分析阶段。此阶段需获取与建筑有关的各种信息，整合这些信息并进行相应的计算与分析，作为后续设计的参考。②综合阶段。此阶段的工作中设计人员需依据自身的设计经验，并利用行业现有的设计规范与标准，考虑建筑现场的具体情况及设计要求，制定总体的设计计划，将该计划以图纸方式来呈现。③评估阶段。此阶段有关人员需从综合性角度评估前期所制定的设计计划，重点要分析该计划是否可行、是否与行业规范相一致。与其他环节的设计工作相比，评估阶段的工作呈现周期性特征，当设计工作符合标准后进入下一环节的工作，具体的评估过程中应创建完善的功能模型，在该模型中输入各种公式，后续评估中可直接在该模型中进行自动对比、分析，从综合性角度优选方案。④完成阶段。依据已定义的建筑结构设计计划执行相应操作。

2 结构设计的主要措施

2.1 科学选取建筑场地

建筑结构设计要达到预期目标，前期的选址工作尤为重要。许多建筑都有抗震性、安全性规定，前期选址时应优先选择高抗震性区域。同一栋建筑物的不同建筑工地，其抗震特性有大有小，在结构设计与施工中需重点关注这一部分。地震作用力影响下不仅需关注基础结构的稳固性，还需分析上部结构的承载力，在此条件下选定基础、上部结构及其他局部位置的结构形式，将建筑建在合适位置。

2.2 科学合理的选择结构材料

任何类型的建筑工程建设中都涉及了多种材料，材料类型及特性也是影响工程结构性能的重要因素。在利用结构措施优化建筑设计时，相关人员需优选材料，主要需做好以下工作：①钢材与混凝土，这类型材料为建筑结构中的普遍性材料，但因为市场上的这些材料种类繁多，为有效确保这些材料的性能与工程结构要求相一致，应加强对比。对于一般性建筑工程项目，应使用强度等级在C25以上的混凝土。为纵向加固各结构元件，施工作业中应采用高强度钢筋[2]。②根据需求选用新型材料。建筑行业稳步发展的过程中，在行业内陆续出现了各种新型材料，通过应用新材料与旧材料，可有效发挥新材料的优势，提高建筑的结构性能。

2.3 合理选择建筑结构体系

在概念设计下设计建筑结构时，有关人员应确保结构体系有明确的地震作用传递途径。第一，在布置楼屋盖梁系时，应尽量使垂直重力荷载以最短的路径传递到竖向构件墙、柱上；第二，布置竖向构件时，应使此类构件在垂直重力荷载作用下的压应力水平接近均匀，以防止竖向构件之间压应力的二次转移现象；第三，布置转换结构时，应尽可能使上部结构竖向构件传来的垂直重力荷载通过转换层一次或者多次转换，也就是能正常传递到竖向构件中；第四，整体抗侧力结构应明确，传力应直接，抗侧力结构体系主要为框架、剪力墙形成，这些之间应贯通连续，如这些沿竖向有变化，变化应缓慢且均匀。

2.4 抗震设计

建筑结构设计中的抗震概念设计，就是要保障建筑整体结构可耗散地震能量，防止地震过程中建筑中有薄弱敏感区域。一旦地震能量仅集中在个别薄弱区域，将破坏整体结构。现代建筑中抗震设计十分重要，相关人员需基于对整个结构在耗散地震能量方面的作用，以小地震作用为前提计算结构受力情况，确定构件截面，并选定构造措施，具体可通过弹性时程分析来实现补充计算。为提高建筑抗震概念设计水平，主要需关注以下方面：应选择利于抗震的场地与地基，并采用相应的措施维护地基稳固性，以应对地基变形现象；基础设计应遵循合理性规定，属于同一结构的单元部分不应设置于不同性质的地基上，也不得选择不同的基础形式；在选择建筑物体型时，应遵循对称、规则、简单性原则，确保质量、刚度的变化具有均匀性，以应对地震导致的结构变形、应力集中现象。

3 概念设计与结构措施在建筑结构设计中的具体应用

3.1 项目概况

某大型建筑，总共25层，地上、地下分别23层、2层，总建筑面积29000万m2。综合本项目建设情况，安排专人进入现场展开了一系列调研，项目所在地属于Ⅲ类土质，结构主体选择剪力墙。由于本项目所在地特征，在结构设计中应确保具有8度的抗震设防烈度级别。

3.2 实践应用

3.2.1 合理选择施工场地。针对本建筑项目，在利用概念设计与结构措施进行结构设计时，关键应做好前期的选址工作，在恰当的场地上建设项目，当确定场地位置后再依据场地内的地基类型，做好基础处理。本项目中当相关人员完成了立项任务后，为保障设计工作的高效开展，有关人员需按照要求开展设计准备工作。首先，本项目有严格的基础建设规定，最初设计中企业需安排专人进入现场展开一系列调研，分析建设场地内的土壤、水文等基本情况，获得完整且准确的地质勘察结果，将此结果作为设计依据。有关人员进入现场开展了一系列调研后，发现场地、四周均无断裂现象，也未存在明显的不利地质条件。工程企业邀请多个专家进行了评估与分析后，所选择场地稳定性较好，基本能满足工程施工要求。其次，在确定工程场地时，有关人员还需要从多个角度做好地基基础的选型工作，由专人根据地质勘察结果，考虑工程建设的结构要求，进行受力分析与计算[3]。统计地质勘察、受力结算结果，发现本项目拟建设场地在海平面以下7m的区域，施工作业中面临湿陷性黄土条件。最后，根据上述的分析结果，为达到结构标准，施工企业需为结构施工配备专业化设备。另外，在地下一层的层高为3.3m，地下2层的层高为3m。综上，本项目中选择的是筏形基础，厚度为1.4m。施工建设期间遇到湿陷性土层时，为与结构稳定性要求相一致，需将湿陷性土层全部挖除。

3.2.2 改善结构抗震性能。建筑行业在稳步发展的过程中，人们对结构设计提出了全新的要求，在任何一个建筑项目中，抗震设计都应作为重点部分。在建筑抗震设计中应以概念设计为基准，综合利用各种结构措施，使设计人员转变设计思路，采用多样化设计方法。在本建筑项目中，为增强结构抗震性，设计人员主要需注意以下方面：①全面统计与本项目有关的数据，由专人分析与结构抗震性能有关的数据，总结影响抗震性能的关键因素。在其他条件都符合要求的情况，建筑材料的性能对结构抗震性的影响较大，正式施工之前有关人员需对比多种原材料的性能。②按照本项目的结构设计要求，从已有的数据中获取各种结构参数、防震数据。本项目的结构设计中为选出符合要求的材料，企业安排专人市场展开了一系列调研，分析了可用材料的类型，以及每一种材料的生产厂家、性能参数、价格、优缺点等，从选出的几种可用材料中又进行了更为细化的对比。③确定与生产要素相一致的原材料验收基础、使用和生产指标，在建筑结构的各个部分合理应用原材料，发挥原材料的性能优势。与此同时，在结构设计的各个部分，都需结合每一部分的结构需求适当调整材料尺寸等参数，以剪力墙为例，设计中应通过指标化方式确定剪力墙材料使用部位，以及材料参数，以保障材料能在局部结构中发挥作用，增强结构性能。④设计人员需全面总结其概念设计的相关经验，完整列出施工阶段的全部作业要素、建设指标，生成清单，使设计人员规范应用各种原材料，优化建筑抗震性能[4]。

3.2.3 设好防震缝及后浇带。从建筑结构完整性角度，当达到了基本的设计规定后，应减少“设缝”。但是，从概念设计、结构措施的角度，在许多建筑中都必须合理“设缝”。因此，建筑结构设计中为凸显“设缝”在结构体系中的作用，设计人员需做好总体性的结构分析，选定“设缝”位置，并同步给该位置设计防水、保温方案。“设缝”具有较高的技术要求，结构施工中如“设缝”过多，不仅增大了施工难度和建设成本，也无法保障建筑的美观性。常规性建筑中比较常见的有防震缝、伸缩缝、沉降缝，为提高这些结构缝的施工水平，有关人员需从实际需求方面采取更有针对性的设计措施，不仅需确保结构缝数量、类型的合理性，也需将各类结构缝布设在恰当的位置[5]。为达到本建筑项目的结构稳定与安全标准，需给结构体系设置防震缝、后浇带，前者用于减震，后者可替代伸缩缝。综合本项目的各种参数，建筑体型为“十”字形连拼体型，建筑高度较大，在设置了防震缝与后浇带后，可改善结构扭转，控制温度应力。

3.2.4 灵活调整系数。任何类型及规模的建筑项目，为达到结构目标，都需保持概念设计与结构措施的协调性，以概念设计为基准，合理调整系数。首先，实际周期折减系数。建筑结构设计中这一系数为关键参数，以框架结构为例，其刚度与建筑总刚度成正比，与实际周期折减系数呈反比，在此关系下，如实际周期折减系数呈减小趋势，具体刚度将伴随着总刚度的增大而增大。常规条件下实际周期折减系数一般在0.8～1之间，以此为规范，本项目的结构情况符合标准。其次，振型数、高宽比。为检验这一参数是否符合结构标准，设计人员需按照结构的非规则特性，通过扭转耦联振型分解方式来展开详细分析。本建筑项目中有超过15个以上的振型数。一旦拟建设项目为多塔形式，需依据超过9倍塔数的标准来确定振型数。再次，竖向荷载。市场上许多建筑的竖向荷载对梁结构有一定的作用力，考虑到这一受力特性，设计人员在确定负弯梁端调幅系数时，必须参考荷载大小值，必要情况下设置跨中弯矩，以保障梁结构的稳定性与安全性符合相应的标准。