工业建筑中的结构概念设计

隋翔宇

随着计算机和结构分析软件的广泛应用和普及，它使结构工程师摆脱了过去必须进行的大量的手工计算，工作效率得以大幅度的提高。与此同时，有些结构工程师对结构计算软件的依赖性也越来越大，有时甚至过分地相信计算软件，而忽略了概念设计的重要性。

在结构设计中，主要分为民用建筑设计和工业建筑设计，在民用建筑内，无论是居住建筑还是公共建筑，一般建筑体型比较规则，荷载情况比较简单;相反，在工业建筑中，随着工艺特点的不同，相应的结构布置及结构形式也不一样，往往建筑体型不规则，荷载情况也比较复杂;在设计中，由于工艺要求的特殊性，结构布置必须满足特定的工艺布置，如电缆夹层在框架结构中容易形成短柱;框架内的输送皮带形成的斜楼板，造成的错层布置;大型设备在室内布置，也容易造成框架柱在某一个方向的计算长度的取值问题;厂房的毗间、山墙、屋顶的局部框架问题;振动设备的减振构造措施等等。这些问题在采用结构计算软件进行分析时，往往在规范中缺少明确的规定，需要结构工程师依靠丰富的设计经验来处理。另外，工业建筑的复杂荷载工况也给计算带来了许多麻烦，这还需要结构工程师对主要工艺性能做进一步的了解，才能判断出什么样的荷载工况才是最不利的，有的时候甚至要自己根据工艺特点进行荷载组合。在遇到这些问题时，不能简单的按照常规设计要求进行，往往这些特殊因素才是真正的控制因素。现在国内通用的结构计算软件基本都是以民用建筑作为主要适用对象，民用建筑大部分结构布置都比较规范，荷载情况也比较单一，因此，国内通用的结构计算软件基本都能够适用，而且，在建模计算后计算结果也都比较正常。相反，在工业建筑的结构设计分析时，有时个别特殊部位在模型中无法体现，有时虽然勉强在模型中能够体现，但计算结果往往会显示异常，导致计算结果不可用。因此，在工业建筑的设计中，结构概念设计就显得尤为重要，恰当的简化模型、适当的荷载组合对最终的计算结果就显得尤为重要，只有这样，才能借助目前现有的结构计算分析软件，在结构设计中做到既保证结构的安全性，又能节约经济，避免肥梁胖柱的出现。

概念设计是展现一个结构工程师设计思想的关键，结构工程师的主要任务就是在一定的建筑功能和工艺要求下来完成结构总体的设计，并能妥善地处理建筑与结构、工艺与结构、构件与结构、结构与结构的关系，最终设计出合理的产品。强调概念设计的重要，也是因为计算软件的局限性并不能适应所有的结构问题，实际存在大量无法运用计算软件进行准确分析的结构构件，它们都需要采用概念设计与结构措施来满足最终的结构设计的目的。同时程序计算结果是根据不同工况提供不同的数据，究竟哪种工况下的计算结果才是真正需要的，有时甚至要结合不同工况的计算结果综合分析应用，结构工程师只有加强结构概念的锻炼，才能准确地判断计算结果的合理性及准确性，最终获得我们需要的结果。

概念设计之所以重要，还在于在初步设计阶段、方案设计阶段，这些过程是无法或完全借助于计算机和结构计算分析软件来实现的。在初步设计或方案阶段，往往需要结构工程师对结构体系，结构布置等根据工艺布置方案做出规划，有时候甚至还要进行一定的建模计算，以便最终确定方案的可行性和合理性。在这一阶段确定的方案，往往和工艺大的设备选型相辅相成，由于大型设备的生产制造周期较长，一旦通过相关部门的审查后，建设单位就会联系相关制造商，开始订货，相应的结构设计方案就会成为下一阶段施工图设计阶段的设计依据。如果结构工程师对方案考虑不周，会给下一阶段的工作带来相当大的麻烦，有时甚至会给整个项目带来不可估量的损失。这就需要结构工程师在初步设计阶段、方案设计阶段综合运用其掌握的结构概念，结合工艺特点，选择结构性能好、经济效益明显的结构方案，为此，需要结构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。结合一定的结构分析软件，合理的简化模型，充分利用结构分析软件的强大功能，最终提出经济合理的设计方案，为下一阶段的施工图设计工作做好准备。

随着社会的发展，大型、超大型的工业建筑越来越多，建筑体型也越来越复杂，另外，钢结构在工业建筑中的应用也越来越多，许多新的工业建筑都是前所未有的。有时为了工程进度及工艺要求，钢结构与钢筋混凝土结构往往组合使用，这样，既提高了施工进度，又便于后期的工艺安装。在这种情况下，就更加突显出结构概念设计的重要性，同时也对结构计算分析软件提出了更高的要求，而软件本身又存在一定的滞后性，往往是软件开发人员针对新出现的设计问题来不断完善软件的功能。在结构设计过程中，不可能等设计软件完善后再继续设计，只能利用现有的结构分析软件进行设计。正因为如此，结构工程师只能通过恰当的概念设计，经过一系列的简化和假定，尽量使工程设计和所采用的计算软件的基本假定、力学模型更加接近，使计算分析更加能够体现建筑本身的实际运行工况，保证计算结果的正确合理、有效。

抗震分析也是建筑结构计算分析的一个重要方面，尤其是一些重要的工业建筑，基于本身的特殊功能，关系到国家的经济发展和人民的基本生活保障，如大型核电厂、大型化工建筑、能源建筑，对地震作用有着严格的要求，一旦它们在地震时遭到损毁，会给救灾和灾后重建带来无法想象的困难。有时，这些工业建筑一旦遭到损毁，其自身带来的损失和灾害甚至要比地震造成的损害更加严重。由于地震作用的不确定因素太多，仅凭计算软件的分析是不能保证结构安全的，抗震概念设计就成为抗震设计的一个重要组成部分，它应该贯穿于结构计算分析和细部构造的全过程。就如砌体结构，无论纵墙承重、横墙承重还是纵横墙共同承重，在结构分析软件中都能顺利通过计算，但是这三种布置方式的地震作用传递途径不同，当然，在地震力作用下，抗震效果也截然不同。因此，在抗震分析时，概念设计主要体现在这几个方面:首先应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径，对可能出现的薄弱部位，应采取相应的构造措施提高抗震能力，应避免因部分结构或构件的局部破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力。其次结构应具备必要的抗震承载力，良好的变形能力和消耗地震能量的能力，宜具有合理的刚度和承载力分布，避免因局部削弱或突变形成薄弱部位，产生过大的应力集中或塑性变形集中。最后结构在两个主轴方向的动力特性宜接近，采用有效的措施防止过早的剪切和受压等脆性破坏。

综上所述，结构的概念设计在工业建筑设计中，是核心和灵魂，它影响着结构设计的全部过程，从方案到构造，从计算分析到抗震措施都贯穿着概念设计。结构计算软件是目前结构设计必不可少的工具，只有恰如其分的运用结构概念设计从整体上把握结构的各项性能，配合结构计算软件进行准确的计算分析，最后再对计算分析结果进行科学的判断、合理的采用。只有这样，才能面对复杂多变的工业建筑，从容的进行结构设计，才能确保结构的安全性、经济性;而作为设计人员，也只有不断地提高自身的概念设计能力，才会逐步成为一名优秀的结构工程师。

[1] GB 50010-2002，混凝土结构设计规范[S].

[2] GB 50011-2001，建筑抗震设计规范(2008年版)[S].

[3] 林凤钦.浅探房屋建筑的结构概念设计[J].山西建筑，2010，36(14):59-60.