概念设计与结构措施在建筑结构设计中的应用分析

孟展

四川环球金叶集团有限公司 四川 成都 610000

引言

对于建筑最初施工方案设计的合理调整，称作概念设计。一般情况下，概念设计拥有特定的设计要求，并不需要精准的设计推理过程，仅需对于建筑结构进行力学性能分析，以保证建筑结构与构件性能的达标性，是国内建筑设计领域的关键性技术。设计人员，结合工程整体设计需求，进行方案调整，保障设计的优化性。

1 概念设计应用的重要价值

设计者在开展概念设计工作时，会考量多重设计细节因素。如果结构措施无法获取理想设计方案，将会给工程质量带来影响。而概念设计在建筑结构设计体系中，具有基础设计功能。因此，概念设计对于建筑结构整体设计效果，具有重要影响作用。如果概念设计存在偏差，在建筑完工几年后，工程整体承重能力将会逐级减小，此时极易发生建筑结构失稳现象，甚至会发生建筑倒塌问题，对于业主生命财产形成威胁。因此，概念设计工作尤为关键，对于建筑结构性能、建筑环境安全，均具有一定影响[1]。

2 结构措施的工程应用意义

在确定了建筑结构的施工方式后，对建筑结构抗震能力、承重能力进行设计，以保障工程质量。抗震与承重，依赖于工程所在地区的气象条件。比如在平原区域的建筑抗震性，并未给予较高要求；对于地震极易发生区域，要求工程具有较高的抗震性能。抗震性的建筑结构设计，能够保障人们住房安全。在建筑结构抗震性设计时，需结合承重墙的实际情况，判断建筑承重能力的标准性。设计结构在工程各环节中占据关键位置，作为工程施工的关键依据。如果设计结构存在问题，对于后续施工安全性会产生影响。因此，在建筑领域内，加强工程安全、质量保证，较为关键。

3 概念设计与结构设计融合的具体表现

3.1 设计方案选择

在建筑工程结构设计时，设计单位可借助历史资料的使用，分析建筑数据，获得适合工程的地基设计方案。在地基结构设计时，需采取精细设计方法，对于特殊地势的地基结构，应选用实地考察方式，经地勘单位进行补充勘察，获取真实数据，以此判断工程情况，完成地基设计。在结构设计时，需保障设计方案的客观性与合理性，可采取多种设计方案选择形式，从中甄选成本最优的设计方案。

3.2 建筑结构分析

结构设计理念，在信息技术辅助下，能够保障设计报告内容全面、环节完整。工程设计方案各项参数，依靠结构设计多软件分析对比，得出结构合理的整体分析，降低结构设计问题。设计人员借助信息技术，从中选择较为适宜的施工方案，以此缓解设计工作压力，降低了参数计算的失误可能性，切实保证工程规划效果。依靠BIM仿真施工分析，提升设计结构理念的应用效果，将对工程质量起到决定性作用。

3.3 结构材料甄选

建筑结构中可使用的建材种类较多，使用次数较高的是混凝土与钢筋，材料质量是保证建筑效果的关键因素。在建筑结构设计期间，加强建筑强度设计，选择适宜的建材。剪力墙结构混凝土材料强度在符合墙肢轴压比条件下，极力采用 靠近轴压比限值的混凝土强度，并且墙肢配筋为构造配筋。地下室顶板梁钢筋采取高强度钢筋，降低梁高及地下室层高，控制减少基坑支护造价。同时在材料挑选工作中，需全面考量建筑结构的整体性能和整个项目的目标成本，以实现达到项目的总体需求。

3.4 合理设计建筑基础

房屋基础设计应按照工程地质和水文地质条件、建筑体型与功能要求、荷载大小和分布情况、相邻建筑基础情况、施工条件和材料供应以及地区抗震烈度等。

综合考虑采取经济合理的基础形式。高层建筑基础承担着将高层建筑上部结构的荷载传递给地基的决定性作用，在设计时，需将高层建筑上部结构、基础与地基共同考虑。在地震区，如地基基础好，建筑结构所受到的破坏则轻，危害就小，否则就破坏严重。在工程质量事故中，若是基础工程发生质量问题，补救过程也非常麻烦，同时对工程造价及工期将带来巨大的影响。因此，在安排地基基础设计时，确保基础本身应具备足够的强度和刚度以外，必须考虑地基的强度、稳定性及变形的要求，为达到基础设计更合理，应整体考虑上部结构、基础和地基的共同作用。

高层建筑基础在工程中尤为重要，呈现在基础工程的高层建筑工程造价中占据很大的比重。基础工程所花费的钢材、水泥用量多，施工难度大。一般情况下，基础工程造价占土建工程总造价的20%左右，工期占土建工程的20%～30%，当地质条件复杂时，其造价和工期所占的比重会持续增加。因此，选择合理的基础形式与计算方法，是确保建筑结构安全，降低工程造价的关键有效措施。

高层建筑基础设计比一般建筑基础尤为复杂，由此看来，它具有荷载大、埋置深及要求严的特点，在选择基础形式时与建筑物的使用性质、上部结构类型、地质情况、抗震性能、对周围建筑物的影响及施工条件等有密切的关系。总体上，在基础选型与设计时应考虑以下因素：①当上部结构为框架结构、无地下室、地基较好、荷载较小、柱网分布较均匀时，可选取柱下独立基础。在抗震设防区，其纵横方向应设连系梁，连系梁可按柱垂直荷载的10%引起的拉力和压力分别验算；②当上部结构为框架或剪力墙结构、无地下室、地基较差、荷载较大时，为了增加基础的整体性，减少不均匀沉降，可采用十字交叉钢筋砼条形基础或桩基，如依然无法达到要求，又不采用桩基或其他人工地基时，则能选取筏基；③当上部结构为框架或剪力墙结构、有地下室、上部结构对不均匀沉降限制较严、防水要求较高时，可选取箱基；④当上部结构为框一剪结构、无地下室、地基条件较好时，可采取十字交叉钢筋砼条形基础或筏基；⑤当上部结构为框一剪结构、有地下室、无特殊防水要求、柱网、荷载及开间分布比较均匀、地基较好时，可采取十字交叉刚性墙基础；⑥筏基上柱荷载较小或中等、柱距较小且等距的情况下，宜采取无梁筏板基础，当柱荷载相差大且柱距又较大时，宜采用梁板式筏基；⑦当地基较差或很差时，采取上述各类型基础仍不能满足设计时，可选取桩基或其他有效的人工地基；⑧高层建筑如遇下列情况，与深基础或其他人工地基相比较经济，且施工条件又可能时，可采用桩基。

3.5 增强建筑体系抗震性

在工程选址时，尽量不接触抗震不利区域，有效排查工程区域的不利因素。结合地震区域的各项情况，分析对建筑构成威胁的因素，建立设计合理、成本经济的体系，便于增强建筑结构的承重均衡性。与此同时，在地震灾害来临时，地震现象具有发生的周期性。因此，在结构设计时，设计人员可采取多道抗震防线的方法，以保障结构设计质量，显著增强建筑结构整体的抗震性能[2]。

3.6 结构体系的选用

3.6.1 多高层混凝土结构及混合结构房屋设计，应根据建筑形体、使用要求、场地地质和外部荷载及作用情况，通过结构方案比选和优化设计（包括结构类型选择、结构平面和竖向布置、构件的连接及构造设计等），满足建筑使用功能和造型要求，结构承载力和刚度要求，及建筑整体稳固性、耐久性、耐火性和经济性要求。

3.6.2 常用钢筋混凝土结构体系有：框架结构、剪力墙结构、框架－剪力墙结构、板柱－剪力墙结构、筒体结构（包括框架－核心筒结构、框筒结构、筒中筒结构、束筒结构）、巨型结构、悬挂结构等。

3.6.3 多高层混凝土结构及混合结构房屋设计，应正确确定结构的安全等级、抗震设防烈度、抗震设防类别、抗震等级。安全等级为一级的高层建筑结构应满足抗连续倒塌概念设计要求。对抗震设防类别为甲、乙类的结构，宜将抗震重要构件和部位的安全等级定为一级，这有利于提高低烈度地区和风、地震作用效应双控这类结构的抗震性能，可仅将抗震重要构件如竖向构件、抗侧力构件、大跨、大悬挑构件、转换构件和关键节点等的安全等级定为一级，其他梁板构件类可不予提高。

3.6.4 多高层混凝土结构及混合结构房屋的适用高度宜满足现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB50011和现行行业标准《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3的有关要求。平面和竖向均不规则的高层建筑结构，其最大适用高度宜降低10%左右。

3.6.5 高层建筑的高宽比是对结构的宏观控制，在结构设计满足规定的承载力、稳定、抗倾覆、变形和舒适度等基本要求后，可适当放宽。对高宽比超过现行行业标准《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3较多（超过30%以上）的结构，宜按设防烈度、百年一遇风荷载验算其抗倾覆、稳定性，当剪力墙承受较大拉力，应采取相应措施。

3.6.6 多高层混凝土结构及混合结构房屋，应根据设防类别、设防烈度、场地类别、设计地震分组、结构类型和房屋高度选择相应的抗震等级，并应相符计算和抗震措施要求，必要时须按照罕遇地震下的弹塑性变形验算。

3.6.7 多高层混凝土结构及混合结构房屋，当地下室顶板作为上部结构的嵌固端时，主楼地下一层及相关范围（外延1~2跨）的抗震等级应按上部结构采用。地下二层始，其抗震等级可逐层降低一级，但不应低于四级。

3.6.8 与主楼连为整体的裙房的抗震等级，除应按裙房本身确定外，相关范围（外延3跨且不小于20m）不应低于主楼的抗震等级；主楼结构在裙房顶板上、下各一层应适当加强抗震构造措施。裙房与主楼分离时，应按主楼、裙房本身分别确定抗震等级。

3.6.9 甲、乙类建筑需规定提高一度确定抗震措施时，或Ⅲ、Ⅳ类场地且设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的丙类建筑按相关规定提高一度确定抗震构造措施时，如果房屋高度超过提高一度后对应的房屋最大适用高度，则应选择比对应抗震等级更有效的抗震构造措施。

3.6.10 结构体系应根据建筑的使用功能、建筑造型、自然环境条件（风、雪荷载、抗震设防烈度、场地、地基条件）、材料性能及施工等因素，经技术经济和适用条件综合比较确定。结构体系应安全可靠、经济合理。

3.6.11 结构体系应符合下列要求：①应具有直接、合理、稳定、可靠的竖向和水平向荷载（作用）传递路径，及明确的计算简图。宜设计具有双重抗力和多赘余度的多道防线结构体系。对钢筋混凝土房屋中设防类别为甲、乙类的建筑宜优先选择剪力墙结构或框架－剪力墙结构，或采用隔震、消能减震技术。结构的传力路径越短，其经济性越高。结构对竖向和水平向作用均宜具有多道防线，且各道防线设计均应满足结构整体屈服机制要求，避免第一道抗震防线刚度退化后，结构的抗倒塌能力受到影响。对钢筋混凝土结构而言，框架结构、框架－剪力墙结构、剪力墙结构的抗震安全性从前至后依次增加。采用隔震、消能减震技术能较好减轻震害。②应特别重视竖向承重构件的安全性，提高其承载能力和抗震能力，避免其破坏而导致整个结构倒塌。对倒塌后果严重的重要结构，宜进行抗连续倒塌设计。③结构体系应具有合理的平面和竖向的承载力分布及刚度分布、适宜的变形能力、合理的耗能机制和良好的耗能能力。结构在两个主轴方向的动力特性宜相似。竖向构件的安全储备宜大于水平构件的安全储备，节点的承载能力宜大于杆件的承载能力。结构平面布置中，应尽量使沿同一抗侧方向各抗侧构件的刚度分散、均匀，避免刚度集中到局部抗侧构件上；同一结构平面中，竖向构件的压应力水平尽量接近，避免压应力水平差通过梁板柱的竖向变形来协调传递。结构平面周边构件与核心区构件的结构刚度应协调均匀，以保证结构有较好的抗扭刚度，避免建筑物在地震或风荷载作用下产生过大的扭转变形。耗能构件应具有良好的耗能能力。剪力墙中的连梁先屈服，是较好的耗能机制。跨高比较小（不大于2.5）的连梁，应采用交叉斜筋或对角暗撑等具有良好耗能能力的配筋形式。基础应保持足够的安全储备，任何情况下不先于主体结构发生损坏，上部竖向构件按性能化设计时，基础应能满足上部构件的受力要求。结构在两个主轴方向的动力特性，主要指周期和振型等产生地震作用的特性。④结构的侧向刚度中心与建筑风力和地震作用中心宜尽量重合，承载力和刚度沿竖向应均匀连续变化，避免因局部削弱或突变产生过大的应力集中或塑性变形集中，形成薄弱部位或薄弱层。对可能的薄弱部位或薄弱层，应采取措施提高其承载能力和变形能力，减少扭转影响。竖向构件截面尺寸和材料强度不适合在同一层改变。⑤抗震设防烈度为9度时，不该采用带转换层的结构、带加强层的结构、错层结构和连体结构。

3.6.12 结构布置应符合充分发挥构件效能的原则，尽量实现整体化、周边化、协调匹配及轻质化。

3.7 概念设计在高层混凝土结构中的应用实例

3.7.1 案例工程概述。乐山项目位于沙湾区沫若大道，是国有土地使用权，用于城镇居住规划、餐饮教研等，建筑面积有17102.45m2。在乐山项目0.5km半径范围内，生活配套设施完整，1.0km范围内教学配套相对完善。

3.7.2 建筑设计依据。乐山项目主要含有居住、商务、绿化、医疗等配套，以城镇居住项目为主，以医疗、娱乐等建筑功能为辅。居住区的建筑风格，遵循川西建筑特点，商业区各类基建设施的外饰材料，需保证材料与颜色的协调性，同时融合于周边建筑环境。在市政区沿线中，可设计添加商业区，以底层建筑为主要设计方法。中央公园作为乐山项目的关键性景观，为区域居民提供休息、娱乐活动的场所，可将其设计成城市景观，融合于沫若大道。中央公园的设计工作，需结合区域文化，进行整体规划。如图1所示，是设计人员结合项目设计要求，给出的设计效果图。

3.7.3 建筑规划方案。如表1所示，是乐山项目的具体规划情况。

表1 乐山项目建筑规划方案

3.7.4 概念设计应用。乐山工程中含钢量使用的关键性影响因素，设计分析如下：①乐山沙湾区工程所在地理位置的抗震情况为：7度0.15g。建筑钢筋用量的初步指标设计方案为：主楼区钢筋用量标准为[44～46]kg/m2，混凝土用料标准为[0.35～0.38]m³/m2；地下民用区钢筋用量标准为[105～110]kg/m2，混凝土用料标准为[0.9～1.0]m³/m2；地下人防区钢筋用量标准为[150～155]kg/m2，混凝土用料标准为[1.15～1.25]m³/m2。②由于建筑结构对居民给出了赠送面积，赠送区域的建筑空间，不能设置剪力墙，形成墙体结构开口情况，升高了剪力墙的使用数量。同时在开口位置，进行了加固处理，引起钢材料使用量增加。转角窗进行加固处理的具体方法为：其一，转角窗两边设立的墙体，提高抗震等级，适当使用配筋进行固定，依据全楼高度，合理添加约束边缘构件，保障墙体结构设计效果，尽量减少短肢剪力墙、一字墙结构设计；其二，转角窗位置，赋值梁扭矩折减系数为1.0，转角梁设计时，需结合建筑设计要求，保障设计规范性，同时将配筋设计成一根折梁规格，编号为KL，混凝土材料强度与剪力墙一致，转角窗顶层位置的梁结构，可采取顶层连梁方式，完成箍筋添加；其三，转角窗周边的建筑楼板需适当增加厚度[3]。③在建筑规划标准下，进行局部坡屋面设计时，二次建筑结构增加了钢材用量。④层高设计为2.9m，如果层高增加0.1m，将会引起钢材料用量增加1kg/m2。⑤如果使用空心砖、多孔砖等材料，相比混凝土砌块钢材料使用量，会增加1kg/m2；基础区域增加钢材料用量为0.5kg/m2；合计共增加1.5kg/m2。⑥乐山项目在规划地下人防区时，建筑区设计级别为甲类人防，荷载要求为75PKA。

由实践发现，在概念设计辅助下，能够结合工程需求，给出更为详细的设计方案，分析单项材料使用增加的原因，为后续建筑设计与规划提供参考依据。

4 结束语

综上所述，对于建筑结构进行的设计工作，具有技术复杂性，对于设计人员工作能力发起了挑战，要求设计者具备扎实的专业技能、较多的设计经验、熟练的操作技术，结合建筑结构的规划要领，给出设计内容完整、结构性能优异的设计方案，以促使建筑任务有序完成。