概念设计

浅议建筑结构概念设计及相关问题

摘要：本文对建筑结构概念设计以及在概念设计中常见的一些问题、例如重要性、原则、应用进行了叙述。

关键词：建筑结构 概念设计 抗震 高层

随着经济社会的快速发展，科学技术的突飞猛进，土木工程进入了一个新的发展时期。人们对生活质量的要求不断提高，对建筑结构设计也提出了更高更新的要求。发展先进的建筑结构设计和计算理论，加强新技术新工艺在建筑结构设计施工中的应用，加快轻质高强等新型材料的研究与应用，使建筑结构具有更高的安全性，适用性，耐久性，来满足人们日益提高的物质与文化需要，是当今工程师们的重中之重。这就促使工程师们充分发挥其创造性与创新能力，突破传统设计中的狭隘思想。因此，提倡推广概念设计思想来提高工程师们的创造性，对建筑业的发展又十分重要的意义。

一 概念设计含义

结构设计分为理论和概念设计。理论设计是结构工程师根据计算理论和规范，在对结构进行计算模型的假设及受力状态的假定的前提下，对结构进行计算分析，得出数据式的结果，然后利用结果进行设计。所谓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、实验现象和工程经验获得的基本设计原则，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。概念设计的主要内容包括：确定三缝设置、结构体系选择、基础形式和埋深、主要构件的几何尺寸等。而结构设计则是概念设计的逆向过程，其设 计是依据概念设计的总体要求、力学和数学原理由定量(内力、配筋、稳定

1

和变形)过渡到定性的一个过程。设计师要依据基础理论知识和不同工况下的一般规律，不断吸取他人先进的设计思想，既重视有关结构概念设计的相关规范与规定，又结合实践经验，综合考虑诸方面因素，深入了解各类结构的性能，有意识地、灵活地综合运用结构慨念。

二 概念设计的重要性

现如今概念设汁的应用非常广泛，基本上应用在所有的建筑结构设计中，在受力状况变化较大的抗震设计、高层建筑设计中，概念设计的应用更加重要。强调概念没计的重要性，主要还是因为以下几个方面的原因：1 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。2在方案设计阶段，初步设计过程是不能借助于计算机来完成的。这就需要工程师综合运用其掌握的结构概念，选择效果最好、造价最低的方案。概念设计在设计人员中提得比较多，但总是被人们狭隘地理解，认为概念设计一般是用于一些大的原则，例如确定结构方案、结构布置等。其实，在设计中的任何方面都离不开合理的概念作指导。从这一点看，谁能在法律和规范允许的范围内，在不断积累经验的基础上，能够合理地运用概念设计和采取各种相关措施，设计出安全、经济、适用的建筑，谁才能在激烈的竞争中生存下去。3 虽然计算机计算的结果高度精确，但是容易增加结构设计人员对结构工作性能的误解，使他们过分地依赖于计算机和软件，进行习惯性、传统的结构设计，而对计算结果明显不合理、甚至严重出错的地方不能及时发现，这就对很多建筑结构埋下了安全隐患。经验告诉我们，完全依赖计算程序的无概念设计是危险的，计算程序应用不能以牺牲结构概念设计为代价。结构方案与初步设计用计算机近似计算来完成虽然有一定误差，但是概念清楚、定性准确、手算简单快

2

捷，能很快选择出最佳方案和估算构件所需的基本尺寸。同时，这也是施工图阶段判断计算机软件分析输出数据可靠与否的主要依据，这是绝对重要和必要的。因此，概念设计在结构设计中具有重要的地位。

三 概念设计的一般原则

作为一名设计者，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，又不宜盲目、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。在概念设计中，应坚持以下几点原则：1 合理选择结构方案，形成良好结构体系。—个成功的设计必须选择一个经济合理的方案，即要选择一个切实可行的结构形式和体系。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，并与建筑、水、电等专业充分比商，在此基础上进行结构选型，确定结构方案，必要时还应进行多方案比较，择优选用。要形成良好的结构体系，要求结构构件在承载能力极限状态下能共同受力、共同交形、协同工作，有相同的耐久性，同时达到极限状态。还要正确处理基础与上部结构之间的关系，必须把基础与上部结构视为一个有机的整体，不能把二者割裂开来。2 合理选用计算简图，正确分析计算结果。结构计算是在计算简图的基础上进行的，计算简图选用不当会导致结构安全事的发生，因此选择冶当的计算简图是确保结构安全的重要条件。计算简图应有相应的构造措施来保证。在目前的结构分析计算软件中存在着一定的局限性、适应性和近似性。为了实现对实际存在的大量难以计算的结构设计，或对计算机结果的明显不合理、甚至错误及时发现与校正，应从明确的结构概念出发去分析和处理，力求获得更为安全、经济、合理的结构设计方案。

3

四 概念设计的应用

（一） 结构抗震的概念设计

地震是一种随机振动，有难于把握的复杂性和不确定性，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。在结构分析方面，由于未能充分考虑结构的空间作用、结构材料的非弹性性质、材料时效、阻尼变化等多种因素，同时也存在着不准确性。因此，工程抗震问题不能完全依赖“计算设计”解决，只有辅以准确的概念设计，在宏观上对抗震结构进行控制，正确分析计算结果，合理地对薄弱环节采取构造加强措施，才能在经济合理的前提下，设计出抗震性能优良的建筑。

为了使建筑具有良好的抗震性能和足够的抗震可靠度，通过概念设计从宏观上控制结构的抗震性能应充分考虑以下几点：1选择对建筑抗震有利的场地和地基基础。在抗震设计中应选择坚硬土或中硬土场地。当无法避开不利的或危险的场地时，应采取相应的措施。不选不利地段如软弱士、液化土、多状突出的山嘴、高耸孤立的山丘、非岩质的陡坡、河岸和边坡边缘、岩性、状态明显不均匀的土层等。不宜在危险地段建造甲、乙、丙类建筑，在进行地基和基础设计时，不宣设计在性质截然不同的地基上。不宣部分采用天然地基部分采用桩基。基础与上部结构的连接设计应保持整个建筑均匀地承受水平地震作用。在地震作用下，地震波通过地基传到建筑物上。根据实测可知，通常在较深处的地震波幅值较小，接近地面幅值增大。因此，建筑结构的基础埋深应大一些，以保持上部结构在地震作用下的整体稳定性，防止倾覆和滑移，尤其是高层建筑。2结构力求对称，质心与刚心应尽量重合，以减少地震作用产生的变形、应力集中及扭转反应。选择合理的结构体系，抗侧构件力求均匀对称，设置多道抗震防线，避免局部出现薄弱部位，要求结构布置受力明确，传力简捷。

4

【例1】1972年尼加拉瓜的马那瓜地震‘”，位于市中心的2幢相邻高层建筑的震害对比，有力地说明了结构偏心会带来很大危害。高15层的中央银行，有1层地下室，采用框架体系，2个钢筋混凝土电梯井和2个楼梯间集中布置在平面右端，同时右端山墙还砌有填充墙（见图），造成质量中心与刚度中心明显不重合，偏心很大。于是地震时的强烈扭转振动便造成较严重的破坏，五层周围柱子严重开裂，钢筋屈服，电梯井墙开裂，混凝土剥落，围护墙等非结构构件破坏严重，有的倒塌。

【例2】另一幢是18层的美洲银行(见图)，有2层地下室，采用对称布置的钢筋混凝土芯筒，地震后仅3一17层边梁上有细微裂缝，其余非结构部件则几乎没有损坏。

【例3】如1995年阪神大地震中，许多底层百货的商住多层房屋底层产生塑性变形

5

集中而形成薄弱底层，致使底层溃塌而以上各层整体坐下却没倒塌，另外神户市约1000栋5至8层的楼房上，由于柱断面的突然变化，以及中间层结构形式变化，引起沿高度方向的刚度不均匀，出现中间楼层被压胯或严重破坏而其它楼层震害较轻的震害现象。这些事例告诉我们，结构设计要注意结构的强度和刚度的连续变化，避免产生薄弱楼层的结构布置。同时，我们也要避免另一种情况即下部刚度大，到顶部刚度突然减小的结构，由于上部刚度较小的部位有“鞭梢”效应，使变形加大容易造成震害。

3 选择合理的结构体系，设置多道抗震防线，避免局部出现薄弱部位，要求结构布置受力明确，抗侧构件力求均匀对称，传力简捷。4构件之间要有可靠的连接，还要有一定的强度和变形能力，从而使整个结构有良好的抗震性能。5重视对非结构构件的处理，利用其对主体结构的有利影响，避免不合理设置导致对主体结构的不利影响。

（二）高层建筑结构概念设计

在高层建筑设计方案日益复杂的今天，设计者更需要通过主观判断能力去分析所设计的结构布置等是否合理、最经济的设计方案。由此可知，设计者更应该从概念设计出发去进行建筑结构设计。尤其是对于高层建筑来说。无论何种形式的高层建筑概念设计总的设计原则就是使结构布置力求简单。结构中的构件传力力求明确，从而得到经济而且受力合理的结构。因此在高层建筑结构概念设计中以下几点值得重视：1充分认识高层建筑的受力特点，选择合理的结构类型。高层建筑的受力特点不同于一般建筑。高层建筑从根本上讲是一个竖向悬臂结构，水平荷载的影响要远远大于垂直荷载的影响，水平荷载是结构设计的控制因素。结构抵抗水平荷载产生的弯矩、剪力以及拉应力和压应力应有足够的强度和刚度，使随着高度增加所引起的侧向变形限制在结构允许范围内。根据高层建筑的受力特点，选择切实可行的结构类型是非常必要的。2选择合理的结构布置。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。对高层建筑来说，要尽

6

量做到各楼层的屈服强度系数大致相等，实现沿建筑物全高的等强设计。避免出现柔弱底层，以及避免竖向刚度突变和结构的不连续，而且同一楼层各柱的刚度要相等。

【例4】1972年美国圣菲南多8度地震中，奥利弗医疗中心的破坏是一个典型的例子。奥利弗医疗中心是一组建筑群，它的主楼是6层的钢筋混凝土结构，一、二层全部是钢筋混凝土柱，上面四层布置有钢筋混凝土墙，房屋的刚度上部比下部约大lO倍。这种刚度的突然变化，造成了严重震害。地震时底层柱子严重酥裂，普通配箍柱碎裂，钢筋压屈，螺旋配箍柱保护层脱落，房屋未倒塌，但产生很大的非弹性破坏，震后量测柱子位移达60cm，上部结构平移。

五 结语

综上所述，建筑结构设计的从业人员必须有扎实的理论基础，并且要不断地丰富自己的结构慨念，加深对各种结构性能的了解，能够灵活地运用它们，综合运用所掌握的结构概念，选择效果最好、造价最低的结构方案。事实上，概念设计的应用十分广泛，只要在建筑结构设计中需要做出选择的地方，一般就存在概念设计。设计人员只有在不断提高自身专业设计理论和积累设计经验的基础上，最终才能实现概念设计的目标。

参考文献:

田立诺 概念设计在高层建筑设计中的应用研究 [期刊论文]-中华民居 2011(03)

张浦阳,丁红岩概念设计在结构抗震设计中的应用 [期刊论文]-结构工程师 2003

舒孝勇 浅谈建筑结构概念设计[期刊论文]-中国新技术新产品 2011(18)

7