浅谈建筑结构设计中的概念设计

　　[内容提要]在建筑结构设计中，概念设计与结构措施至关重要。一定程度上它反映了一个结构工程师的设计水平，下面就这两个问题谈一下本人的一点看法。
　　[关键词]建筑结构设计，概念设计
　　
　　错误的认为结构设计只是被动的配合
　　真正的结构设计不仅是一门专业技术,更是一门艺术。而且,结构设计没有唯一解,只有通过不断地探索去寻求相对的最优解,创造力和创新是结构工程师对设计的贡献。所以,我们不能认为结构设计总是被动的配合。一个结构工程师的首要任务就是在每一项工程设计的建筑方案开始，就能凭借自身拥有的结构体系功能及其受力、变形特性的整体概念和判断力，用概念设计帮助建筑师开拓或实现该建筑业主所想要的。
　　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理性分析或在规范中难以规定的问题中，依据整体结构体系与分体系之间的力学关系、结构破坏机理、震害、试验现象和工程经验，所获得的基本设计原理和设计思想，从整体的角度来确定建筑结构的总体布置好抗震细部措施的宏观控制。运用概念性近似估算方法，可以在建筑设计的方案阶段，迅速、有效地对结构体系进行构思、比较与选择，易于手算。所得方案往往概念清晰、定性正确，避免后期设计阶段一些不必要的繁琐运算，具有较好的经济可靠性能。同时，也是判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。
　　概念设计的重要性 
　　建筑的概念设计，在整个设计过程了起着举足轻重的作用，一幢建筑物的设计，如果没有事先经过全盘正确的概念设计，以后的计算模式再准确、计算再精确、配筋再合理，也不可能是一个经济、合理的优秀设计工程。所以结构设计人员应该及早介入建筑的概念设计。住宅设计无论是多层砖混或和框架剪力墙结构，都不同于以往的静力设计，必须从抗震的角度，采用二阶段设计来实现三个水准的设防要求。为此，结构设计人员必须及早介入建筑结构的概念设计，否则，将会导致建筑结构设计的不合理，给以后的结构设计带来难度。为在建筑物的方案设计阶段正确把握建筑结构的概念设计，应对不同形式的住宅建筑，掌握各自概念设计中容易疏忽的要点。因此，结构的概念设计主要是重视规范及规程中有关结构概念设计的各条规定，不至于陷入只凭计算的误区。若结构严重不规则，整体性差，则仅按目前的结构设计计算水平，难以保证结构的安全，而且十分不经济。
　　概念设计的原则：1、结构的简单性：指结构在地震及其他荷载作用下具有明确的和直接的传力途径，便于建立完整、准确的结构计算模型。2)、结构的规则性和均匀性：建筑平面规则、平面内结构布置宜规则、对称、均匀、减少偏心，使建筑物分布质量产生的地震惯性力能以比较短和直接的途径传递，并使质量分布与结构刚度分布协调，限制质量与刚度之间的偏心。沿建筑物竖向的结构布置宜规则、均匀，避免有过大的外挑和内收，避免刚度、承载能力和传力途径的突变，以限制结构在竖向第一楼层或少数几个楼层出现薄弱层，以致在这些部位因产生应力集中和过大的变形而使结构不安全。3、结构的刚度和抗震能力：结构布置应使结构平面在两个主轴方向均具有足够的刚度和抗震能力，同时还应具有抗扭转刚度和抵抗扭转振动的能力。框架结构应在纵横两个方向布置成双向刚接框架。4、结构的整体性：由于设计内力计算模型是建立在楼盖平面内刚度无限大的假定的基础上，设计应使楼盖系统有足够的平面内刚度和抗力，并与竖向结构有效连接，从而保证梁、板、柱、墙能共同协同工作。5、抗震房屋应尽可能设置多道抗震防线，并考虑第一防线被突破后，引起内力重分布的影响不至于使结构出现倒塌。6、结构构件应具有必要的承载力、刚度、稳定性、延性及耗能等方面的性能。主要耗能构件应具有较高的延性和适当的刚度，承受竖向荷载的主要构件不宜作为主要耗能构件。7、合理控制结构的非弹性部位(塑性铰区)，掌握结构的屈服过程，实现合理的屈服机制。多高层钢筋混凝土房屋可以归纳为两类屈服机制：一种为总体机制，另一种为楼层机制，其他机制均可由这两种机制组合而成。典型的楼层机制表现为在水平力作用下仅竖向构件屈服，而横向构件处于弹性。总体机制则表现为所有横向构件屈服而竖向构件除根部外均处于弹性状态。
　　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。
　　概念设计的意义
　　运用概念设计的思想，也使得结构设计的思想得到了拓宽。传统的结构计算理论的研究和结构设计似乎只关注如何提高结构抗力R，以至混凝土的等级越用越高，配筋量越来越大，造价越来越高。结构工程师往往只注意到不超过最大配筋率，结果肥梁、胖柱、深基础处处可见。以抗震设计为例，一般是根据初定的尺寸、混凝土等级算出结构的刚度，再由结构的刚度算出地震力，然后算配筋。但是大家知道，结构结构刚度越大，地震作用效应越大，配筋越多，刚度越大，地震力就越强。这样为抵御地震而配的钢筋，增加了结构的刚度，反而使地震作用效应增强。其实，为什么不考虑降低作用效应S呢?目前在抗震设计中，隔震消能的研究就是一个很好的例子。隔震消能的一般做法是在基础与主体设柔性隔震层；加设消能支撑（类似于阻尼器的装置）；有的在建筑物顶部装一个“反摆”，地震时它的位移方向与建筑物顶部的位移相反，从对建筑物的震动加大阻尼作用，降低加速度，减少建筑物的位移，来降低地震作用效应。合理设计可降低地震作用效应达60%，并提高屋内物品的安全性。这一研究在国内外正广泛地深入展开。在日本，研究成果已经广泛应用于实际工程中，取得良好的经济、适用效果。而我国由于经济、技术和人们认识的限制，在工程界还未被广泛地应用。
　　结构工程设计是一项非常繁琐的工作，由于各地建设速度非常迅猛，设计院往往结构工程的设计安排非常紧凑，很难会让我们将所有细节研究清楚。结构概念设计作为结构设计的核心，很多基本原则只要也并不难掌握，良好的概念设计是保证结构更安全，更经济，更适用的保证。
　　
　　参考文献：建筑结构可靠度设计统一标准（GB5068-2001）
　　建筑结构荷载规范（GB50009-2001）
　　建筑抗震设计规范（GB50011-2001）
　　建筑抗震设防分类标准（GB50223-2008）
　　混凝土结构设计规范（GB50010-2002）
　　砌体结构设计规范（GB50003-2001）