浅谈概念设计在建筑结构设计中的应用

摘要：概念设计是通过无数的事故分析，历年来国内外震害分析，模拟试验的定量定性分析以及长期以来国内外的设计与使用经验分析、归纳、总结出来的。而这些原则、规定与方法往往是基础性、整体性、全局性和关键性的。本文主要探讨概念设计在建筑结构设计中的应用。

关键词：概念设计；建筑结构；安全

建筑抗震设计一般包括三个层次的内容与要求：（1）概念设计是根据人们在学习和实践中所建立的正确概念，运用人的思维和判断力，正确和全面地把握结构的整体性能，即根据对结构品性（承载能力、变形能力、耗能能力等）的正确把握，合理地确定结构的总体布置与细部构造。（2）抗震计算是对地震作用进行定量分析，确定工程结构及构件的地震效应，再将地震效应与其他荷载组合验算结构及构件的强度与变形。（3）抗震构造措施是指采用满足计算以外的措施，以保证结构整体性、加强局部薄弱环节等，保证抗震计算结果的有效性。要使建筑物具有较好的抗震性能，首先应从大的方面入手，做好抗震概念设计。

一、结构概念设计的意义

强调结构概念设计的重要性，旨在要求建筑师和结构工程师在建筑设计中应特别重视规范、规程中有关结构概念设计的各条规定，设计中不能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，难以保证结构的抗震、抗风性能，尤其是抗震性能。高层建筑设计尤其是在高层建筑抗震设计中，应当非常重视概念设计。这是由于高层建筑结构的复杂性，发生地震时地震动的不确定性，人们对地震时结构响应认识的局限性与模糊性，高层结构计算尤其是抗震分析计算的精确性，材料性能与施工安装时的变异性以及其它不可预测的因素，致使设计计算结果（尤其是经过实用简化后的计算结果）可能和实际相差较大，甚至有些作用效应至今尚无法定量计算出来。因此在设计中，虽然分析计算是必须的，也是设计的重要依据，但仅此往往不能满足结构安全性、可靠性的要求，不能达到预期的设计目标。还必须非常重视概念设计。从某种意义上讲，概念设计甚至比分析计算更为重要。有些概念设计的要求，为整个设计设置了二道防线，保证了建筑物的安全、可靠。合理的结构方案是安全可靠优秀设计的基本保证。

二、结构概念设计的原则

1.优化选型原则

结构概念设计归根到底是确定主体结构体系及其联系。它要考虑3个方面，用比较方法进行优化选择：（1）优化结构体系。前提是掌握各类基本构件的特征（如与受力相关的几何特征，与变形相关的刚性特征等），根据环境、使用、建筑和荷载实况优化选择合用的基本构件，确定它们间的联系，形成基本结构单元和它的支承做法（如框架结构，筒体结构等）；再将基本结构单元通过线型、平面、叠合、交叉等集合形式构成主要结构体系。（2）优化结构布置。在满足使用要求和建筑意向前提下优化布置楼屋盖水平系统、柱墙竖向支承系统和基础系统。这时除比较各种布置的承载能力、竖向和侧向变形、支承做法、地质条件等结构问题的合理性、优越性外，重要的原则是平立面宜规则、对称，具有良好的整体性，竖向剖面除规整外侧向刚度宜均匀变化，自下而上逐渐减小，避免突变。（3）合理构造做法。重点是结构构造做法和建筑构造要求相一致，结构的理论构造要求和施工的实际构造做法相一致。

2.空间作用原则

建筑物本来是一个空间结构。在结构概念设计时，考虑建筑物内各部分结构的空间作用，实际上是还原到它本来的结构面貌。当然，如果这时更能有意识地利用构成构件间的空间关系，往往还会给所设计的建筑结构带来更大刚度、减小内力、受力效能好等方面的优点。

3.合理受力原则

结构概念设计时，要经常运用力学原理来处理结构构件的一般受力分析问题。以下几个方面往往应给予注意：（1）从受力和变形看，均匀受力比集中受力好，多跨连续比单跨简支好，空间作用比平面作用好，刚性连接比铰接好，超静定的受力体系比静定的受力体系好，另外，传力简捷比传力曲折好，要避免不明确的受力状态。（2）从受力和变形的分析看，要尽可能利用结构的对称性、刚度的相对性、变形的连续性和协调性；既要分析各部分构件的直接受力状态，也要分析整体结构的宏观受力状态；要抓住主要的受力状况和它所发生的变形，忽略次要的受力状况和它的相应变形。（3）从抗力和材料看，要尽可能选用以轴向应力为主的受力状态，尽可能增加构件和结构的截面惯性矩和抗弯刚度、抗剪切能力和抗剪刚度，并合理地选用材料和组织构件的截面，做到"因材施用，材尽其用"。

三、概念设计在建筑结构设计中的应用--建筑抗震的概念设计

概念设计要考虑以下因素：场地条件和场地土的稳定性；抗震结构体系的选取、抗侧力构件的布置；建筑平、立面布置及外形尺寸的确定；非结构构件与主体结构的连接等。

1.场地和地基的选择

历史震害资料表明，建筑场地的地质、地形、地貌对建筑物震害有显著影响。因此，在抗震设计中，首先要注意场地的选择。

地基和基础的设计宜符合下列要求：1）同一结构单元的基础不宜设置在性质截然不同的地基上。2）同一结构单元不宜部分采用天然地基部分采用桩基。3）地基为软弱粘性土、液化土、新近填土或严重不均匀土时，应估计地震时地基不均匀沉降或其他不利影响，并采取相应的措施。

2.选择合理的建筑体型

建筑设计及其抗侧力结构的平面布置宜规则、对称，尽量使结构刚度中心与质量中心相一致，并应具有良好的整体性，以利于减轻结构的地震扭转效应及应力集中现象。建筑的立面和竖向剖面宜规则，结构侧向刚度宜变化均匀，竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐递减，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变产生薄弱层，造成应力集中。按《建筑抗震设计规范》的要求进行水平地震作用计算和内力调整，并对薄弱部位采取有效的抗震措施。对体型复杂、平立面特别不规则的建筑结构，可按实际需要在适当部位设置防震缝，形成多个较规则的抗侧力结构单元。防震缝应根据抗震设防烈度、结构材料种类、结构类型、结构单元的高度和高差情况，留有足够的宽度，其两侧的上部结构应完全分开。当结构需要设置伸缩缝和沉降缝时，其宽度应符合防震缝的要求。

3.抗震结构体系的选择

基坑开挖后，就可以在基坑内进行基础的施工。我国改革开放后，国民经济持续高速增长，全国工程建设亦突飞猛进，高层建筑如雨后春笋般迅速发展，在高层建筑所受的荷载中，起控制作用的不是竖向荷载，而是水平荷载，也就是地震作用和风荷载，修建高层建筑必须保证其在水平荷载作用下的强度与稳定性，因此要求基础必须埋入地面一定深度，以满足嵌固要求。利用这一在地面以下的埋置深度，我们可建成地下室，用作蓄水池，配电房，车库等用途。建筑高度越高，其埋置深度也就越深，对基坑工程的要求也越高。在城市中心地带，建筑物稠密地区进行基坑开挖，往往不具备放坡开挖的条件，因為放坡开挖需要基坑平面以外有足够的空间供放坡之用，如果在此空间内存在邻近建筑物基础，地下管线，运输道路等，则不允许放坡，那么此时只能采用在支护结构保护下进行垂直开挖的施工方法。

参考文献

[1]郭海燕，戴素娟，王子辉等编著. 建筑结构抗震[M]. 机械工业出版社，2010.07.

[2]白雪枫. 科学理念在建筑结构设计中的应用[J]. 科技创新与应用，2014，04：216.

[3]段媛. 结构抗震概念设计在房屋建筑中的应用分析[J]. 山西建筑，2014，05：42-43.

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