我所理解的结构概念设计

摘要：针对目前建筑结构设计当中墨守成规的现象，提倡采用概念设计思想来促进结构工程师的创造性，推动结构设计的发展。所谓的概念设计一般指不经数值计算，尤其在一些难以作出精确力学分析或在规范中难以规定的问题中，从整体的角度来确定建筑结构的总体布置和抗震细部措施的宏观控制。

关键词：高层建筑；结构设计；概念设计

一、前言

在不断的结构设计研究与实践中，人们积累了大量有益的经验，并体现在设计规范、设计手册、标准图集等等。随着计算机技术和计算方法的发展，计算机及其结构程序在结构工程中得到大量地应用，每个设计单位都在为彻底甩掉图板而做努力。结果给部分结构工程师造成一种错觉，觉得结构设计很简单，只需遵循规范、手册、图集，等待建筑师给出一个空间形成的方案（非结构的），使用计算机，然后设法去完成它，自己只不过是一个东拼西凑的计算机画图匠而已。这不仅不能有效地运用他们的知识、精力和时间，而且还会与建筑师的交流中产生分歧与矛盾。

二、概念设计的重要性

概念设计是展现先进设计思想的关键 ,一个结构工程师的主要任务就是在特定的建筑空间中用整体的概念来完成结构总体方案的设计 ,并能有意识地处理构件与结构、结构与结构的关系。一般认为概念设计做得好的结构工程师 ,随着他的不懈追求 , 其结构概念将随他的年龄与实践的增长而越来越丰富 ,设计成果也越来越创新、完善。遗憾的是 ,随着社会分工的细化 ,大部分结构工程师只会依赖规范、设计手册、计算机程序做习惯性传统设计 ,缺乏创新 ,更不愿 (不敢 )创新 ,有的甚至拒绝对新技术、新工艺的采纳 (害怕承担创新的责任 )。大部分工程师在一体化计算机结构程序设计全面应用的今天 ,对计算机结果明显不合理、甚至错误而不能及时发现。随着年龄的增长 ,导致他们在大学学的那些孤立的概念都被逐渐忘却 ,更谈不上设计成果的不断创新。强调概念

设计的重要 ,主要还因为现行的结构设计理论与计算理论存在许多缺陷或不可计算性 ,比如对混凝土结构设计 ,内力计算是基于弹性理论的计算方法 ,而截面设计却是基于塑性理论的极限状态设计方法 ,这一矛盾使计算结果与结构的实际受力状态差之甚远 ,为了弥补这类计算理论的缺陷 ,或者实现对实际存在的大量无法计算的结构构件的设计 ,都需要优秀的概念设计与结构措施来满足结构设计的目的。同时计算机结果的高精度特点 ,往往给结构设计人员带来对结构工作性能的误解 ,结构工程师只有加强结构概念的培养 ,才能比较客观、真实地理解结构的工作性能。概念设计之所以重要 ,还在于在方案设计阶段 ,初步设计过程是不能借助于计算机来实现的。这就需要结构工程师综合运用其掌握的结构概念 ,选择效果最好、造价最低的结构方案 ,为此 ,需要工程师不断地丰富自己的结构概念 ,深入、深刻了解各类结构的性能 ,并能有意识地、灵活地运用它们

三、概念设计的主要内容

为了保证结构具有足够的抗震可靠性而对建筑工程结构做的概念设计主要考虑了以下因素 :场地条件和场地土的稳定性 ;建筑物的平、立面布置及其外形尺寸 ;抗震结构体系的选取、抗侧力构件的布置以及结构质量的分布;非结构构件与主体结构的关系及其两者之间的锚拉;材料与施工质量等。

下面按照新抗震规范的精髓归纳为以下几点 :

1.选择对建筑抗震有利的场地 ,宜避开对建筑抗震不利的地段 ,不应在危险地段

建造甲、乙、丙类建筑。对于不利地段 ,结构工程师应提出避开要求 ,当无法

避开时 ,应采取有效措施 ,这就考虑了地震因场地条件间接引起结构破坏的原

因 ,诸如地基土的不均匀沉陷、地震引起的地表错动与地裂。

2.建筑的平立面布置应符合概念设计的要求 ,不应采用严重不规则的方案。不规

则的建筑 ,在结构设计时要进行水平地震作用计算和内力调整 ,并应对薄弱部

位采取有效的抗震构造措施。借鉴国际的通行做法 ,参考外国规范 ,使我们的设计更加完善合理。

3.结构材料选择与结构体系的确定应符合抗震结构的要求。采用哪一种结构材料 ,

什么样的结构体系 ,经技术经济条件比较综合确定。同时力求结构的延性好、强度与重力比值大、匀质性好、正交各向同性 ,尽量降低房屋重心 ,充分发挥材料的强度 ,并提出了结构两个主轴方向的动力特性 (周期和振型 )相近的抗震概念。

4.尽可能设置多道抗震防线。地震有一定的持续时间 ,而且可能多次往复作用 ,

根据地震后倒塌的建筑物的分析 ,我们知道地震的往复作用使结构遭到严重破坏 ,而最后倒塌则是结构因破坏而丧失了承受重力荷载的能力。适当处理构件的强弱关系 ,使其形成多道防线 ,是增加结构抗震能力的重要措施。例如单一的框架结构 ,框架就成为唯一的抗侧力构件 ,那么采用“强柱弱梁”型延性框架 ,在水平地震作用下 ,梁的屈服先于柱的屈服 ,就可以做到利用梁的变形消耗地震能量 ,使框架柱退居到第二道防线的位置。

5.具有合理的刚度和承载力分布以及与之匹配的延性。提高结构的抗侧移刚度 ,

往往是以提高工程造价及降低结构延性指标为代价的。要使建筑物在遭受强烈地震时 ,具有很强的抗倒塌能力 ,最理想的是使结构中的所有构件及构件中的所有杆件都具有较高的延性 ,然而实际工程中很难做到。有选择地提高结构中的重要构件以及关键杆作的延性是比较经济有效的办法。例如上刚下柔的框支墙结构 ,应重点提高转换层以下的各层的构件延性。对于框架和框架筒体 ,应优先提高柱的延性。在工程设计中另一种提高结构延性的办法是结构承载力无明显降低的前提下 ,控制构件的破坏形态 ,减小受压构件的轴压比 (同时还应注意适当降低剪压比 ),提高柱的延性。

6.确保结构的整体性。各构件之间的连接必须可靠 ,符合下列要求 :1 )构件节点

的承载力不应低于其连接构件的承载力 ,当构件屈服、刚度退化时 ,节点应保

持承载力和刚度不变。 2 )予埋件的锚固承载力不应低于连接件的承载力。 3 )

装配式的连接应保证结构的整体性 ,各抗侧力构件必须有可靠的措施以确保空

间协同工作。 4)结构应具有连续性 ,注重施工质量 ,避免施工不当使结构的连

续性遭到削弱甚至破坏。

四、规范与设计

新抗震规范已将设计中常出现的问题做出了具体规定。 1 .体形复杂的建筑不一概提倡设防震缝。 2 .对规则结构与不规则结构做出了定量的划分。并用强制性条文对建筑师的建筑设计方案提出了限制。如规定,“建筑设计应符合抗震概念设计的要求 ,不应采用严重不规则的方案”。 3 .预应力混凝土的抗侧力构件 ,应配有足够的非预应力钢筋。4.非结构构件与其结构主体的连接 ,应进行抗震设计 ,如幕墙、附属机械、电气设备系统支座和连接等需符合地震时对使用功能的要求。 5.投资方愿意通过增加投资来提高安全要求的抗震建筑 ,采用隔震和消能减震设计。 6.结构材料的选用应减少材料的脆性 ,优先采用延性、韧性和可焊性较好的钢筋和规定强度等级范围内的混凝土。通过执行新抗震规范中的各项规定 ,来保证抗震概念设计的完成 ;通过遵循抗震概念设计的原则 ,使建筑物具有可靠的抗震性能。概念设计决定建筑物的抗震性能 ,如果概念设计不适宜于抗震 ,那么不管多“精密”的计算也无济于事。当然 ,在做好概念设计的基础上也要认真计算做好定量分忻。新抗震规范对于各构件在抗震计算中的作用及各项参数的选取作了详尽的规定 ,并且提出了在建筑物内设置地震反应观测系统的要求 ,这标志我国建筑工程抗震科学的发展进步。

五、反思