探析建筑结构设计中的概念设计

　　摘 要：本文从概念设计角度出发探讨了在建筑结构设计过程中，需要注意的一些基本结构概念知识，从而保证建筑的经济性和可靠性。

　　关键词：建筑结构设计;概念设计

　　Abstract: This article discusses the basic structural concept knowledge which needs attention from the perspective of conceptual design in structural design process, so as to ensure to make the building economy and reliability.

　　Key words: structural design; conceptual design

　　中图分类号：TU2文献标识码：A 文章编号：2095-2104(2012)

　　1 概念设计的含义

　　建筑结构的概念设计通常是指不经数值计算，特别是在一些难以作出精确理性分析或在建筑结构规范没有或者难以规定的问题中，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则和设计思想，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。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。

　　概念设计的取得要依据个人经验的积累，在实际中结合建筑功能要求、结构安全等级、抗震设防等级、地质资料、当地材料、当地自然环境等来进行定性设计的过程，它的内容可以包括：确定三缝设置、结构体系、基础形式和埋深、主要构件的几何尺寸等。比如，有的设计人员用多、高层结构三维空间分析程序来计算底层框架，还人为的布置一些抗震墙，即不能满足楼层间的合理刚度比，也不能正确地反映底层框架在地震时受力状态。问题还是在于结构概念不明确，没考虑这两种结构体系的差异。软件的选择和使用不当.造成的危害是不容忽视的。美国一些著名学者和专家曾警告工业界：“误用计算机造成结构破坏而引起灾难只是一个时间的问题。”然而避免这种情况，概念设计的思想不妨是个好方法。

　　2 概念设计的重要性

　　概念设计是展现先进设计思想的关键。一般认为，概念设计做的好的结构工程师，随着他不懈追求尽善尽美的设计思想，其结构概念将随他年龄的增长与实践的积累越来越丰富，设计成果也越来越创新、完善。遗憾的是，随着社会分工的越来越细，很大一部分结构工程师还停留在只会依赖规范、设计手册、计算机程序做习惯性传统设计的阶段，缺乏创新，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。这种状况在—体化计算机结构程序设计全面应用的今天，已经远远不能适应设计工作的要求，亟待发展和改变。

　　强调概念设计的重要，主要还是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，都需要良好的概念设计与结构措施来满足结构设计的要求。结构工程师加强结构概念的培养，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。

　　3 结构体系设计

　　3.1 结构平面设计原则

　　众所周知，在水平荷载作用下结构侧移已成为高层建筑设计中的关键控制因素，如何在满足相关要求的前提下选择更好的抗侧力体系成了结构工程师追求的重大目标。建筑平面的形状宜选用风压较小的形式，并应考虑邻近高层建筑对其风压分布的影响，还必须考虑有利于抵抗水平和竖向荷载。在地震作用下，建筑平面要力求简单规则，风荷载作用下则可适当放宽。因为结构整体弯曲变形所引起的侧移与结构体系抵抗倾覆力矩的有效宽度的三次方成反比例关系，所以不宜建造宽度很小的建筑物。一般应将结构的高宽比I-WB控制在5—6以下，当设防烈度在8度以上时，H/B限制应更严格一些。另外，建筑平面的长宽比也不宜过大，一般宜小于6，以避免两端相距太远，振动不同步，产生扭转等复杂的振动，而使结构受到损害。在规则平面中，如果结构平面刚度不对称，仍然会产生扭转。所以，对任何平面形式的高层建筑来说，其抗侧力结构的布置原则都是尽量使平面的质量中心接近于抗侧力结构的刚度中心。因此，简洁、规整、均匀对称的平面设计，对于合理布置抗侧力结构是有利的。由于质量分布很难做到均匀对称，在结构布置时，除要求各向对称外，还最好能具有较大的抗扭刚度，在满足建筑功能的条件下，把抗侧力构件从中心布置和分散布置，改为沿建筑周边或四个角上布置，就大大提高结构的抗扭能力。

　　3.2 结构形式与特点

　　高层建筑对内部空间的要求，因其使用性质和功能不同，建筑平面布置也就随之变化。小空间平面布置方案仅适用于住宅及旅馆;办公室要求大小空间兼有;餐厅、商场、展览厅等，则要求有能灵活分隔的大空间;舞厅，宴会厅和报告厅等，又要求内部为无柱大空间。随着结构技术的发展，一些较新颖结构体系的运用，如悬挂、巨型、悬挑等结构，为满足各种使用功能要求创造了有利的条件。

　　悬挂结构：是指采用吊杆将高楼各层楼盖分段悬挂在主构架上所构成的结构体系。主框架与矩形框架相类似，承担全部侧向和竖向荷载，并将它直接传至基础。除主框架落地外，其余部分均从上面吊挂，可以不落地。

　　矩型结构：一般有矩形框架结构和矩形桁架结构。矩形框架结构由楼、电梯井组成大尺寸箱形截面矩形柱，有时也可以是大截面实体柱，每隔若干层设置一道1层～2层楼高的矩形梁。它们组成刚度极大的矩形框架，是承受主要的水平力和竖向荷载的一级结构;上下层矩形框架梁之间的楼层梁柱组成二级结构，其荷载直接传递到一级结构上，其自身承受的荷载较小，构件截面较小，增加了建筑结构布置的灵活性和有效使用面积。紧靠上层矩形梁的楼层，甚至可以不设柱，形成较大空间，以满足建筑需要。矩形桁架结构以大截面的竖杆和斜杆组成悬臂桁架，主要承受水平和竖向荷载。楼层竖向荷载通过楼盖、梁和柱传递到桁架的主要杆件上。因此，矩形结构亦被称为“超级框架结构”。

　　悬挑结构：体型独特，外观新颖，在建筑艺术上有特色，加之外柱截面很小、四周开敞，很受建筑师的欢迎。其特点是围绕核心筒在各个方面作出悬挑，由核心承受所有的荷载，围绕核心筒可以创造出没有任何垂直支撑的平面形式，这使室内空间的使用更加方便、灵活。但这种结构类型建筑体型上大下小，形成了上层质量大、刚度大，而下层质量小、刚度小的不合理分布，因而上部楼层产生很大的水平作用使底部中央筒体受力很大，使用时要慎重对待。

　　3.3 选择合理结构布置，协调建筑与结构的关系

　　高层建筑结构体系确定之后，结构布置的合理与否很大程度影响着建筑的使用，结构的经济性和施工的合理性，特别是地震区会影响结构的抗震性能，结构布置不当，常常造成薄弱环节，引起震害。在高层建筑的设计中，结构布置一般应考虑以下几点：

　　3.3.1应满足建筑功能要求，做到经济合理，便于施工。建筑物的开间、进深、层高、层数等平面关系和体型除满足使用要求外，还应尽量减少类型，尽可能统一柱网布置和层高，重复使用标准层。

　　3.3.2高层建筑控制位移是主要矛盾，除应从平面体型和立面变化等方面考虑提高结构的总体刚度以减少结构的位移。在结构布置时，应加强结构的整体性及刚度，加强构件的连接，使结构各部分以最有效的方式共同作用;加强基础的整体性，以减少由于基础平移或扭转对结构的侧移影响，同时应注意加强结构的薄弱部位和应力复杂部位的强度。此外增强结构整体宽度也可减少侧向位移，在其它条件不变时，变形与宽度的三次方成正比。因此宜对建筑物的高宽比加以限制，体型扁而重的建筑是不合适的，宜采用刚度较大的平面形状，如方形、接近方形的矩形、圆形、Y形和蝴乡等塔式建筑，即把使用要求及建筑体型多样化和结构的要求有机地结合起来，又可形成侧向稳定的体系。

　　3.3.3在地震区为了减少地震作用对建筑结构的整体和局部的不利影响，如扭转和应力集中效应，建筑平面形状宜规正，避免过大的外伸或内收，沿高度的层间刚度和层间屈服强度的分布要均匀，主要抗侧力竖向构件，其截面尺寸、砼强度等级和配筋量的改变不宜集中在同一楼层内，应纠正“增加构件强度总是有利无害” 的非抗震设计概念，在设计和施工中不宜盲目改变砼强度等级和钢筋等级以及配筋量。简单地说就是使结构各部分刚度对称均匀，各结构单元的平面形状应力求简单规则，立面体型应避免伸出和收进，避免结构垂直方向刚度突变等。平面的长宽比不宜过大。以避免两端相距太远，振动不同步，应使荷载合力作用线通过结构刚度中心，以减少扭转的影响。尤其是布置楼电梯间时不宜设在平面凹角部位或端部角区，它对结构刚度的对称性有显著的影响。

　　4 提高结构的抗震性能

　　由于高层建筑的受力特点不同于低层建筑，因此在地震区进行高层建筑结构设计时，除应保证结构具有足够的强度和刚度外，还应具有良好的抗震性能。通过合理的抗震设计，使建筑物达到小震不坏，中震可修，大震不倒。为了达到这一要求，结构必须具有一定的塑性变形能力来吸收地震所产生的能量，减弱地震破坏的影响。

　　对于框架结构，梁柱节点是保证框架有效地抗御地震作用的关键部件，它的破坏是剪切脆性破坏，变形能力差，且同时使交于节点的梁、柱失效，所以应保证其不发生太重的剪切裂缝。弯压剪作用的柱变形能力一般远比弯剪作用的梁差，且柱的破坏直接导致本层结构的失效。因此框架结构设计应使节点基本不破坏，梁比柱的屈服易早发生，同一层中各柱两端的屈服历程越长越好，底层柱底的塑性铰宜晚形成，应使梁、柱端的塑性铰出现得尽可能分散，充分发挥整体结构的抗震能力。为了保证钢筋砼结构在地震作用下具有足够的延性和承载力，应按照“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、“强节点弱构件” 的原则进行设计，合理地选择柱截面尺寸，控制柱的轴压比，注意构造配筋要求，

　　特别是要加强节点的构造措施。

　　对于框架一剪力墙结构和剪力墙结构中各段剪力墙(包括小开洞墙和联肢墙)高宽比不宜小于2，使其在地震作用下呈弯剪破坏，且塑性屈服尽量产生在墙的底部。连梁宜在梁端塑性屈服，且有足够的变形能力，在墙段充分发挥抗震作用前不失效，按照“强墙弱梁” 的原则加强墙肢的承载力，避免墙肢的剪切破坏，提高其抗震能力。

　　参考文献：

　　[1]戴国莹，李德虎.建筑结构设计若干问题.建筑结构.2005年(4)

　　[2]林同炎.结构概念和体系.中国建筑工业出版社.2005.

　　[3]李明.建筑结构设计的思考.建筑结构.2004(5).

期刊VIP网，您身边的高端学术顾问

文章名称： 探析建筑结构设计中的概念设计

文章地址： http://www.qikanvip.com/jianzhusheji/3953.html