阐述建筑结构设计中概念设计的应用

　　随着科学技术的迅速发展以及计算机结构程序的全面应用，给建筑结构工程师们带来了极大方便，大大提高了设计的效率和质量。但同时也养成了很多设计人员一味地依赖计算机，认为结构设计很简单，只需要按照规范、图集，通过电脑软件计算就可以完成，设计人员成了不过是东拼西凑的计算机画匠而已，对计算的结果也无法判断正误，规范与软件之间的差异更是不了解;对如何加强结构的整体性、合理性、经济性更是没有概念。发展先进计算理论，加强计算机的应用，加快新型高强、轻质、环保建材的研究与应用，使建筑结构设计更加安全、适用、可靠、经济是当务之急。打破建筑结构设计中的墨守成规，充分发挥结构工程师的创新能力，是相当必要的。这就要求结构工程师对整体结构体系与各基本分体系之间的力学关系有透彻的认识，把概念设计应用到实际工作中去

　　1概念设计

　　1.1概念设计就是运用清晰的结构概念， 不经数值计算，而依据整个结构体系与分体系之间的力学关系、 结构破坏机理、震害、实验现象和工程经验等对结构及计算结果进行正确的分析，并考虑到结构实际受力状况与计算假设之间的差异，对结构及构造进行设计，使建筑物受力更合理、安全、协调。概念设计主要从以下两个方面对结构设计进行宏观控制。(1)是在方案设计满足建筑要求的情况下，从宏观的角度考虑结构的整体性及主要分体系的相互关系，来确定建筑结构的总体布置方案。 (2)是在理论设计过程中综合考虑各方面因素对结果的影响，以判断理论设计的准确性，并对一些工程中难以作出精确分析或在规范中未精确规定的问题，根据实际经验采用一些结构构造措施进行处理。 概念设计的目的是力求使设计方案安全、可靠、经济、合理，是一个优化的过程。

　　1.2运用概念设计的思想，能让结构设计的思路得到了拓宽。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，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、砼等级算出结构的刚度，再由结构刚度算出地震力，然后算配筋。但是大家知道，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。

　　1.3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之间设柔性隔震层;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，从对建筑物的振动加大阻尼作用，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。

　　1.4在建筑抗震设计中，更应注重概念设计。这是因为建筑结构的复杂性，发生地震时，地震力的不确定性，人们对地震时结构效应认识的局限性与模糊性，结构抗震分析计算的精确度，材料性能与施工安装时的变异性以及其他不可预测的因素，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。因此由于存在上述诸多不确定因素，建筑结构设计计算无法涵盖可能的所有不确定因素。因此，必须重视整体的概念设计，从某种意义上讲，概念设计甚至比分析计算更为重要。

　　2结构设计中的概念设计的体现

　　2.1概念设计在结构设计流程中的体现

　　结构设计的流程一般分为三个部分： 前期的方案选择、中期的结构计算阶段及后期的施工图绘制阶段。 这三个阶段都发挥着重要的作用。

　　(1)合理选择结构方案。一个成功的设计必须选择一个经济合理的结构方案，即选择一个切实可靠的结构形式和结构体系。必须对工程的设计要求、地理环境、材料供应、施工条件等情况进行综合分析，在此基础上进行结构选型，确定最优结构方案。概念设计在工程设计一开始就应把握好场地选择、能量输入、房屋体型、结构体系、刚度分布、构件延性等几个方面，从根本上消除建筑中的抗震薄弱环节。

　　(2)选用恰当的计算简图。结构计算是在计算简图的基础上进行的，即对作用的荷载与构件的约束状态进行一定的简化，使其接近实际状态。现在的建筑物功能复杂多样，以前的手算已经无法满足要求，结构计算只能通过计算机来完成。所以，要将实际工程的结构形式转变成可以用于计算机计算的模型，并保证有足够的精确度就成为结构设计的关键问题。 而要达到这一目的就需要设计人员在结构计算的过程中利用概念设计进行判断与控制。

　　(3)正确分析计算结果。现在结构设计中有许多软件可以供结构设计人员选择，但不同软件往往会导致不同的计算结果。所以，设计人员在进行结构计算前，先要全面了解该程序软件的适用范围和技术条件，使用时要避免操作失误，且对电算的结果再用概念设计进行科学分析，以做出正确的合理判断。

　　2.2抗震设计中应注意的概念设计问题

　　抗震设计是结构设计的重要组成部分。 地震是一种随机振动，要准确预测建筑物所遭遇地震的特性和参数，目前尚难做到。 现在所采用的地震参数只是概率意义上的估计值，而结构在地震作用下的性能有许多不确定性，因此，抗震设计不能过分依赖理论计算，概念设计在抗震设计中显得尤其重要。

　　(1)选择合适的场地 。 地震造成建筑物的破坏情况是各不相同的。 一是由于地震时地面强烈运动，使建筑物在震动过程中，因丧失整体性或强度不足、变形过大而破坏：二是由于水坝倒塌、海啸、火灾、爆炸等次生灾害而造成;三是由于断层错动、山崖崩塌、河岸滑坡、地层陷落等地面严重变形直接造成。 前两种可以通过工程措施加以防治，而后一种情况，单靠工程措施很难达到预防的目的。 因此，选择工程场址时，应进行详细勘察。 搞清地形、地质情况，挑选对建筑抗震有利、尽可能避开对建筑抗震不利的地段。 任何情况下均不得在抗震危险地段建造可能引起人员伤亡或较大经济损失的建筑物。

　　(2)选择合适的基础方案 。 基础设计应根据工程地质条件、上部结构类型及荷载分布、相邻建筑物影响及施工条件等多种因素，选择经济合理的基础方案。 基础设计应有详尽的地质勘察报告，一般情况下同一结构单元不宜采用两种不同的类型。

　　(3)采取相应的构造措施。 遵循“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点强锚固”的设计原则，注意构件的延性性能，加强薄弱部位，注意钢筋的锚固长度，尤其是钢筋的直线段锚固长度，考虑温度应力的影响。除此之外还应注意按均匀、对称、规整原则考虑平面和立面的布置。 设置多道抗震防线应尽量避免出现薄弱层。

　　3概念设计的意义

　　3.1展现先进设计思想的关键。概念设计的根本宗旨，是在特定的建筑空间及地理条件下，用整体概念来考虑建筑结构的总体方案，且能有意识地发挥和利用结构总体系与分体系之间的力学特性与关系。运用概念设计从整体上把握结构的各项性能，方能对计算分析的结果进行科学判断和合理取舍。在概念设计之初的方案阶段，能迅速、有效地对结构体系进行构思、比较、分析与选择，可采用概念性设计到工程中去。

　　3.2体现结构设计的原则与灵活。建筑物是一个完整的空间结构，各构件都在以相当复杂的受力方式共同工作，而并非是独立于总体结构体系之外的单独构件。当前在建筑结构设计界，对具体空间结构体系的整体研究上还存在着局限性，以至于在设计过程中采用了许多假定与简化方法。作为结构工程师，一方面在设计过程中既要做到严格遵守和执行相关的强制性规范和要求，坚持结构设计的原则不能改变，另一方面，又不应盲目、教条、机械地照搬照抄，尤其是对推荐性规范和要求，应把它作为一种结构设计中的指导和参考意见，从而可在实际的设计项目中作出更为正确的选择。这就对结构设计工程师提出了要求，要对整体结构体系与各基本分体系之间的力学关系有更为透彻的认识和深入的了解，把建筑结构概念设计应用到实际工作中去。

　　3.3弥补设计、计算理论的不足。目前的结构设计计算水平难以有效地保证结构设计的抗震、抗风性能，尤其是抗震设计。以“5·12 汶川大地震”为代表的近几年国内外几次震害的经验教训充分说明，从某种意义上讲，概念设计确实比分析计算更为重要。目前，现行的结构设计理论和计算理论仍然存在着一些缺陷：如对混凝土结构设计，内力计算采用基于弹性理论的计算方法，而截面设计则采用是基于塑性理论的极限状态设计方法，两者的矛盾使计算结果与结构的实际受力状态存在较大差距。为了弥补设计、计算理论的缺陷，或实现对实际存在的大量难以计算的结构构件的设计，也需要概念设计与结构措施来共同满足结构设计的需要。

　　4结语

　　概念设计内容纷繁复杂，综合性强，应用灵活广泛，需要结构设计人员发挥主观能动性，在应用规范及工程力学知识和原理的基础上， 根据个人对结构及其受力状态的理解，通过对自己积累的设计经验的完美运用，做出经济、合理、安全的结构设计。随着科学技术和经济社会的发展，人们对建筑物质量的要求越来越高，而通过概念设计的不断创新，受力合理、性能良好、造价低廉的建筑结构总体方案无疑会受到人们的青睐。因此，概念设计是设计思想发展的必然产物，也会成为今后时期结构设计的主流思想。

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