探究概念设计在建筑结构设计中的应用

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　　摘要：所谓概念设计就是在设计建筑总体结构之前，运用人们对建筑结构已形成的正确知识来处理建筑结构设计中可能会遇到的各种问题，例如抗震、房屋体形、结构体系以及刚度分布等。本文基于概念设计的含义和概念设计在结构设计上应注意的几点事项，略谈了概念设计在建筑结构设计中的实际应用。
　　关键词：概念设计；建筑结构；应用
　　
　　我国结构计算理论从最早的经验估算发展到今天的概率极限状态理论，使得建筑结构的设计更加地经济适用、更加的科学合理以及符合先进的技术。但是该方法在运算的过程中只能视作近似概率法，因为它很难在实际中来正确估算建筑物的真正承载力。现在，人们在探究具体的空间结构体系上还存在着一定程度的局限性，在设计过程中大量采用的是假设和简化。作为一个优秀的结构工程师，不能毫无目的地把规范进行照搬照套，而应该是把它作为一种为实际项目设计中作出正确选择的参考。那么这就要求结构工程师把建筑物整体结构体系和各基本分体系之间的力学关系进行充分的认知，在实际项目设计中更好地运用概念设计的基本原理。
　　
　　一、简述概念设计的含义
　　对于概念设计的定义，不同的人有不同的定义。劳毅（2008）认为概念设计主要是指不需要通过复杂的数据计算，运用简练清晰的文字建立一个结构模型，结合力学、结构破坏的原理、地震灾害等方面的知识，依据一些实验中经常出现的现象和工程实施中所获得的基本设计原则和思想，认真分析结构模型及计算结果，同时应该把结构实际能承受的受力状况和最初假设间的差异，设计模型的具体构造，从而使建筑物受力比较安全，均匀。然而郭志奇对于概念设计却有自己的独特理解，他认为概念设计就是先要从结构的总体方案出发，以人们对建筑结构的抗震能力方面的知识为依据，去解决在结构设计中可能会遇到建筑体型、结构体系和刚度分布等问题。为了达到抗震设计合理化的目的，我们应该从整体上进行评价、挑选等处理，通过一些必要的构造和计算措施来强化建筑物在抗震方面的薄弱环节。换而言之，概念设计需要在特定的空间和地理条件下，用全局的观点去看结构的总体方案，依据结构总体系和分体系的关系、结构破坏机制、地震等方面的知识，依据一些实验中经常出现的现象和工程实施中所获得的基本设计原则和思想，从而对建筑结构的总体布置和具体构造进行宏观控制。
　　
　　二、概念设计在结构设计上应注意的几点事项
　　1. 把握好建筑物的刚度在建筑结构设计过程中起着至关重要的作用。在设计建筑结构时要合理的确定建筑物的刚度。如果建筑物的刚度太大，就会导致刚结构自振周期缩短，在遇到地震时建筑物所受的破坏后果就比较严重，同时也浪费了大量的材料。相反地，如果建筑物的刚度太柔的话，建筑物在遭受地震时会很容易发生扭曲变形，从而影响建筑物的正常使用周期。
　　2. 实现合理建筑结构的整体破坏机制。建筑结构的破坏主要表现为楼层破坏和整体破坏。因此，工作人员在设计中应该尽量去避免结构楼层发生破坏，因为这说明结构不够完善，还存在一定的薄弱环节。也就是说整个结构在其他构件还没来得及发挥他们的承载能力之前就已经被破坏。为了实现理想的建筑结构的设计，这就要求工作人员必须正确掌握塑性铰出现的顺序和位置。
　　3. 在抗震结构总体设计的过程中，必须要严格遵循等强度与耗能设计的原则。等强度和耗能设计原则是抗震结构设计要认真考虑的设计原则。在工作中一定要避免出现那些由于设计不全面或施工问题而造成在水平受力时主要承重结构被破坏的局面。在规划整体结构设计方案时，要尽量强化薄弱地方，尽量做到等强度。同时还要注意等强度设计的同时保证建筑结构具有一个良好的耗能系统。结构构造时应该多选择那些屈服应力具有局部性的，有较好延性的构件，这对于建筑物的抗震能力有很大的促进作用，不能选用主要承受竖向荷载的构件。
　　
　　三、例谈概念设计在建筑结构设计中的实际应用
　　武汉市江夏区要完成这样一项项目：地上30层共105米，地下共2层，其中第2层为4级人防。该结构设计为超高层结构，框架―剪力墙结构体系。其中地上第二层有局部框架转换。结构的框架轴线尺寸有建筑本身确定，竖向荷载及粗估的水平地震作用效果确定梁柱截面尺寸，关键问题是剪力墙的数量和布置方法。这不仅是结构安全和技术经济合理性的重要指标，还体现出体系优越性的重要环节。因此，在设计方案阶段，结构工程师会以合适的刚度计算出剪力墙的面积，依据建筑本身要求在经济允许范围内设计出合理的方案。
　　1. 剪力墙的布置原则。通常情况下，在布置剪力墙的时候要保证自振周期比较接近的纵向和横向同时布置。在非抗震设计时，可以只设计一个方向的剪力墙。一般遵循“分散、均匀、周边、对称”的剪力墙布置原则。均匀、分散要求布置很多短片的剪力墙，楼层平面不要集中在某一局部区域要均匀分开；对称布置尽量减少和避免建筑物受到的扭矩，周边布置因可以加大抗扭转的内力臂而得到大家的一致认同。
　　2. 正确认识和判断剪力墙的平面位置。剪力墙一般宜布置在竖向荷载较大处，这样由于较大重力荷载引起的较大地震作用可以直接传到剪力墙上，也可以避免使用要承担较大竖向荷载的有较大截面梁、柱框架，剪力墙承受很大的弯矩和剪力，用较大轴向压力来平衡，这样，墙体的拉应力减小，受剪力承载力提高，还可以布置在平面形状变化或楼盖水平刚度变化最大处或楼梯间、电梯间以及楼板洞口较大的两侧。依据本工程特点，应把竖向荷载较大处作为剪力墙的平面位置布置。
　　总而言之，建筑结构设计师要善于在建筑结构设计中运用概念设计的基本原理，把整体设计的构思、减轻结构自重的理念、恰当运用刚度理论以及变形协调的原则运用到实际中，不断总结经验，设计出更多的概念新颖、清晰、定性精确、定量准确的建筑作品。

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