概念设计在建筑结构设计中的应用探讨

摘 要：通过历年来国内外无数震害事故分析，模拟实验的定量定性分析和国内外长期的设计和使用经验，进行分析、归纳、总结，最后得出的概念设计。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

中图分类号：TU3 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）11（a）-0041-01

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。

1 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。

2 结构概念设计的原则

2.1 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。它要考虑两个方面，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。

2.2 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。

2.3 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。

2.4 减轻自重原则

在使用道路的过程中，荷载车辆反复对道路作用，促使路面发生压缩弯曲，而且沥青混凝土路面，因为自身材料的粘弹特性不仅容易发生弹性形变，并且根据荷载作用时间长短发生滞后弹性变形以及不可塑性变形。在反复增加和减少荷载过程中，在不超过限定压力情况下，减小不可恢复变形，增加弹性变形，通过加强路面密实度而强化路面，如果单位压力过大，超过限度时就会产生不可恢复的巨大塑性变形，反复荷载作用下，路面的纵向形变积累，进而渐渐发生竖向带状凹槽，就是车辙。车辙会极大的影响车辆运行，使道路的破坏程度加快，并且会使道路的使用质量和服务水平受严重影响。所以要通过使用的措施进行维修，来确保车辆在道路上的正常运行。

3 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。

3.1 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。

3.2 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。

3.3 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。

4 结语

结构设计是随着经济发展及人们对建筑物功能要求改变，又随着科技的进步而得以实现和解决。以上所提到的几个问题是设计人员在工程设计中较易出差的地方，对设计者来说要把提高设计质量作为终身奋斗的目标，为祖国贡献自己的力量。

参考文献

[1]郭海燕，戴素娟，王子辉.建筑结构抗震[M].机械工业出版社，2010.