浅议概念设计在建筑结构设计中的应用

浅议概念设计在建筑结构设计中的应用【摘要】针对传统建筑结构设计缺少创新，无法与建筑、设备、施工等完美整合的缺陷，本文探讨了概念设计的优点、方法以及在建筑结构设计中的应用，论述了概念设计适应目前建筑工程日趋复杂、不确定因素多的优势所在。

【关键词】概念设计；建筑结构；应用

传统上，建筑结构设计是从考虑结构方案开始，需要经历体系、布置、计算、构造到施工图这样一个过程，设计主要依据各种建筑结构设计规范，结合一些理论分析，基本上是按部就班、没有太多创新实践的流程性的活动，这样的方式难以实现建筑功能、结构、美观及建造的完美统一[1]。结构概念设计，在项目规划设计阶段就参与其中，通过宏观的把握，运用结构设计的理论和比较现有结构设计的实践成果，从建筑规划的意图、功能、材料、施工、造价等方面的综合理解出发，进行概念性的分析、估算、评价和选择，从而实现“多快好省”的设计目标。概念设计为建筑结构设计开创了新的设计空间，可以更好地适应当今建筑工程日趋复杂、不确定因素多的现实需求。因此，结构设计人员应当熟悉并用好概念设计方法，以达到更加合理、可靠、经济的设计目标。

1、建筑结构概念设计方法

1.1 概念设计过程

概念设计过程，是经过分析-综合-评价三个阶段的不断循环改进和提高而实现的，如图1所示。分析即通过对问题的剖析，加深

对问题的理解。由于信息不太清晰，数据也不够完整，可供设计人员使用的是一些相对准确的描述性的概念。综合过程就是产生方案的过程。在此过程中，通过运用结构设计理论和工程经验，将方案以图形表达出来，而实现这一过程需要创造性的思维方式，甚至是设计的灵感。评价即经过判断和比较选择最佳方案。设计人员通过分析模型，并进行数据计算等方式，对各种方案进行比较，从而选择经济合理、技术可行的方案。由于方案不会一次就令人满意，需要经过多次的循环改进，直至令各方满意为止[2]。

1.2 概念设计原则

（1）全面分析、注重协调

全面分析就是既要考虑整体要求，也要顾及局部需求。先从整体入手，在通盘考虑建筑、结构、施工三维关系的基础上，思考建筑功能、技术、经济之间的特点和关联。根据建筑场地条件，确定主要分体系的结构形式、基础选型，进而确定构件类型及其连接关系。再从结构的使用要求、安全性能、耐久性和整体稳定性上进行调整。解决了三维构思的问题，就要考虑竖向分体系（即基础、柱、墙）和水平分体系（板、梁）之间的二维关系。最后就是进行一维施工图设计[3]。

功能协调就是充分考虑建筑、结构、设备、施工之间的协调。建筑与结构之间要考虑建筑的使用与结构的配置、建筑的分区与结构的分段之间的功能协调；结构与设备之间应思考结构布局与设备布置、结构构造与设备安排之间的功能协调；结构与施工之间需设

想结构构件与施工可行性、局部构件与施工便利性、构件受力状态与施工做法之间的功能协调。

（2）因地制宜、精益求精

因地制宜就是设计方案要针对当地的实际情况，如了解气象、水文、地质等自然条件；考察民情、民俗、传统文化背景等社会环境；研究当地资源、设备供应、施工技术等施工所具备的能力。

精益求精就是设计方案要能够做到优中选优。不仅从“面”上考虑，还要顾及到“点”和“线”；既要思考纵向体系，也要分析水平体系；不仅能分析问题，还要会提出问题；采用方法上，既要有理论定性分析，也需做模拟试验来判断；评价上，除了评价能否的问题，还要知道可否、值否，更要会分析应否。

（3）减轻自重、合理受力

努力减轻建筑自重，应成为结构设计人员不懈追求的目标和进行概念设计的原则。减轻自重的好处包括降低荷载、减小地震作用效应、节省成本、提高施工速度、节约资源等。减轻自重的方法是积极采用高强材料、新型材料；结构布置上更加合理；采用有效减轻自重的结构体系和高效结构型式，如预应力结构、网架网壳体系、空间桁架等。

合理受力是要求结构构件受力均匀、传力简捷和清晰。因此，应利用结构的对称性、刚度的相对性以及变形的连续性和协同性，充分考虑受力的合理性。对于协调受力的构件，应将其作为整体来看待，如进行基础设计时要将地基、基础、上部结构视为整体，并

利用等带刚度法考虑上部结构对基础的影响。

（4）空间作用、优化选型。

在进行建筑结构计算时，出于分析和计算的方便，而将建筑分解成平面状态进行分析，而实际上建筑物是空间结构，因此进行概念设计时就应该考虑建筑空间作用，例如考虑板与梁的相互作用、剪力墙体系与框架体系的相互作用等。

优化选型主要是优化结构体系、优化结构布置及构造合理化等原则。优化结构体系，即根据建筑、使用、环境和荷载优化选用合适的构件，再构成体系；优化结构布置，是在满足使用要求前提下，合理布置纵向体系、水平体系和基础系统；构造合理化是构造的理论要求应与实际构造做法保持一致等。

2、概念设计在结构设计中的应用

2.1 在抗震设计中的应用

传统结构设计方法，主要关心提高结构抗力，以至于陷入混凝土强度等级越用越高，配筋量越用越多，结构自重越来越大，造价越来越高的误区。结果造成到处都是肥梁、胖柱、深基础的怪现象。具体到抗震设计方面，初定尺寸、混凝土强度等级结构强度地震力配筋率。为了抵御地震作用去配筋，必然增加结构刚度，整体刚度增加又必然导致地震作用效应增强[3]。

采用概念设计的思想，可以有效克服这种困境。譬如采用隔振消能的做法，在基础与主体结构之间加设柔性的隔震层、隔震器，或者在建筑顶部安装“反摆”装置等，通过增加阻尼，降低加速度，

减小地震作用效应，提高建筑的安全性，实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震目标。图2是减震器的例子。

2.2 在基础设计中的应用

基础将上层结构的荷载传给地基，建筑的结构和地基的承载力决定了基础的型式。常用的基础有独立基础、条形基础、桩基础、箱形基础和筏形基础等型式。在决定采用何种基础型式时，应根据建筑场地的地质勘察报告、地震设防烈度、荷载特点等综合之后选择。当地基较软、建筑层数较多、负荷较大而天然地基承载不足时，应考虑采用桩基础，将负荷传至下部的持力层。高层建筑常采用箱形基础，由于该型式基础可将上部荷载均匀传给地基，可有效改善基础的不均匀沉降问题。筏形基础整体性好、刚度大，适