概念设计及结构措施在建筑结构设计中的应用策略

李树昌

【摘要】当今结构计算有其局限性，结构工程师在实际的结构设计中，不应完全依赖于软件计算结果，而忽視了对结构整体以及细部的加强。应用概念设计作为常规建筑工程的设计方法，轻计算精度、重结构概念，从方案阶段开始到施工图阶段，均采用概念设计的理念来指导设计，是决定结构抗震性能的重要因素。

【关键词】结构设计;概念设计;结构布置

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

现代的结构工程师，都听说过概念设计这个词。概念设计，理应是结构设计的精髓。然而很多同行并不清楚什么是概念设计、并未对概念设计予以应有的重视，以及不清楚怎么将概念设计应用到日常的结构设计工作中，导致结构设计过于按部就班、死扣规范，严格按结构模型计算结果进行配筋而未从概念上对结构整体、细部进行把控、加强，导致设计出来的结构反而容易存在安全性不足的问题。故在此浅谈结构概念设计及从概念设计的理念出发可以采取的一些结构措施。

1、什么是概念设计

应当认识到，当今工程界并未对概念设计提出一个特别明确、单一的定义。一般而言，概念设计是指结构工程师应用自己的专业知识、对规范的理解、过往的工程经验等能力，从宏观上解决结构设计中的基本问题、决定结构设计中的基本措施的过程。

事实上，概念设计的内容很广泛，结构工程师一般最为重视的、最能影响结构安全以及体现结构工程师功力的，是建筑抗震概念设计。关于抗震概念设计，我国现行规范GB50011-2010《建筑抗震设计规范》第2.1.9条有明确定义：抗震概念设计，是根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想，进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程。而细部构造，往往指的是抗震构造措施，即根据抗震概念设计原则，一般不需计算而对结构和非结构各部分必须采取的各种细部要求。结构设计采取的各种抗震构造措施，其实是抗震概念设计的精华之一。通过抗震概念设计，目的是实现抗震设防的三个水准目标，即“小震不坏、中震可修、大震不倒”的某种具体化。

概念设计，不仅有涉及到抗震设计的基本概念，也有涉及其他设计的概念，如主楼与裙楼的抗沉降差异设计、超长结构的抗温度应力设计等，均属于概念设计的范畴。其共同的核心关键，都是要有相关“概念”，建立了概念，才能有概念设计能力的形成。而概念设计的对象，也不单只针对工程整体，如结构平面布置、结构体系的选择等，也包括细部结构构件与节点，如强剪弱弯的调整、二道防线的基本构造要求等。

概念设计的范围如此广泛，包罗万有，要掌握概念设计的方法并将其熟练应用于各工程的实际设计工作，绝非易事。故需要从主观上重视概念设计。

2、为什么要进行概念设计

为什么要进行抗震概念设计？事实上，虽然当今科技水平日益发达，但对于地震的预测尚难以实现。实际的地震作用具有其不可预知性，震源深度、工程与震中的距离、地震作用的方向、传播地震波的地质条件、震级大小等，都会影响到建筑结构的地震响应，这些因素本身的不同加上因素之间的各种组合，所产生的地震作用是无法简单通过几条地震波、各种简化或“精确”的地震作用方法所能计算清楚的，因而，采用抗震概念设计方法，对结构进行整体以及关键构件、关键节点的加强，对于确保结构在地震中的安全，实现抗震设防的三个水准目标，是十分必要的。对于个别复杂的结构，则需要通过性能化设计，来实现抗震设防的目标。国内外历次大地震的震害经验已经充分说明，抗震概念设计是决定结构抗震性能的重要因素。

与地震作用类似，温度应力也是难以通过计算得到准确计算结果的外部作用。除了通过计算公式进行抗温度应力计算，对超强结构进行整体配筋加强外，还应重视概念设计，注意把握结构受温度作用影响较大的关键部位，如平面的远端、有效楼板宽度较小的部位等，以及温度作用下受力关键构件，如框架柱、剪力墙等竖向构件，正确采取加强结构构造措施，与计算结果结合进行结构的抗温度应力设计，方能确保温度应力带来的结构开裂等问题处于可控及可以接受的范围，确保结构的正常使用不受影响。

3、当今概念设计应用所存在的问题

3.1 概念设计并未引起应有的重视，流于表面

建筑结构设计行业的发展速度不断加快，与之相匹配的是结构设计软件的普及以及推陈出新、迅速迭代，大到SAP2000、Midas、盈建科、PKPM等有限元软件及整体计算软件，小到理正结构工具箱等局部构件的计算工具，为当代结构工程师的工作减轻了负担，也提高了工作效率。然而随之带来的是越来越多的结构工程师存在结构概念的缺失、过度依赖软件计算结果、缺乏手算能力等问题，这与当前强调概念设计的方向是相悖的。一方面，结构计算软件存在其局限性，无法准确模拟实际工程，尤其对于不规则的结构，其计算结果的可信程度并非绝对。另一方面，软件的计算模型所依赖的程序假定与结构的实际受力情况不一定完全相符，如果将软件计算结果作为判断结构设计方案是否合理、结构是否安全的唯一标准。结构的计算结果，应当是作为对结构概念设计的量化与验证的一个指标，利用概念设计对计算结果进行分析判断是保证结构设计合理、安全的必要手段。

3.2 不知从何入手进行概念设计

有些结构工程师对于概念设计的重要性有一定的了解，但是由于自身未掌握相关工程概念，专业知识不够扎实，或者设计经验较少、实际处理工程问题较少，未能真正应用概念设计来指导自身的设计工作，心有余而力不足，久而久之，也就落入了唯计算结果为准的圈子，概念设计也就无从谈起。

4、概念设计的重点问题

以结构工程师最为关注的抗震概念设计而言，应重点把握的问题主要有：

4.1 结构体系的选择

结构体系，是决定结构安全的最重要因素，应注意结构体系的合理性问题，优先选用抗震能力强、延性好、耗能能力强、便于施工的、具有多道防线的结构体系，如采用设置耗能连梁的抗震墙结构、框架-抗震墙、框架-筒体结构等。避免采用抗震能力较低的板柱-抗震墙结构、单跨框架结构等。

4.2 结构布置的合理性

结构设计应重视结构的平面布置，结构的平面、竖向规则性问题。概念清晰、传力路径明确的结构布置，应使质量分布、结构刚度均匀，减少质量与刚度之间的偏心，有利于防止个别薄弱位置在地震中过早破坏与倒塌，视地震作用能在各子结构之间重分布，整个结构能很好地协同工作，发挥结构的耗能作用，避免结构的连续倒塌。

4.3 把握结构的关键构件、关键节点

应对结构在地震作用中的薄弱位置、关键构件、重要节点等做到概念清晰，并对于其加强设计的方法灵活应用。如对于长悬臂梁，应重视竖向地震作用的计算，并考虑其未有多余约束，应对计算结果进行一定程度的放大。为实现“强剪弱弯、强柱弱梁、强节点弱杆件及强柱根”的设计理念，抗震规范中的各种内力系数调整均能有所体现。

5、概念设计及结构措施在建筑结构设计中的应用策略

对于概念设计有了一定认识、并了解其重点问题后，如何将其落到实处，应用到工程中具体的方方面面？对此，笔者根据自身的设计经验，对于实际工程中应用概念设计来具体处理问题的方法、采取的结构措施进行举例说明，也作为多年设计工作的个别总结。

5.1 变形缝的设置

对于常规的建筑平面，为满足建筑使用要求、减少分缝处理难度等，通常建议不设置变形缝。此外，对一些建筑进行设缝，則能让结构变得更加合理。

如对于一些L形平面的建筑，边角部位的扭转位移比、层间位移角可能较大，结构计算指标的调整困难时，可通过设置变形缝，将之分成两个矩形部分，从而降低结构设计的难度，同时减少一项平面不规则（凹凸不规则项），使结构更加规则、合理。

而对于一些超长建筑，在合理的间距设置伸缩缝，将建筑物分为若干尺度较小的结构单元，使建筑物或构筑物可在长度方向上做水平伸缩，可以减小由于温差（早期水化热或使用期季节温差）和体积变化（施工期或使用早期的混凝土收缩）等间接作用效应积累的影响，从而避免引起较大的约束应力和开裂。由于基础部分一般埋在地表以下，受温度变化引起的间接效应影响较小，伸缩缝在基础部分可不分开，也是抗温度应力概念设计的一种体现。

对于建筑可能存在沉降差过大的位置，设置沉降缝，将建筑分为沉降均匀的单元，可以避免由于沉降差异带来的结构开裂、倾斜等影响结构安全的问题。沉降缝应设置在怎样的位置？此处对于建筑可能存在较大沉降差异的部位需有相关概念，方能进行抗沉降差异的概念设计。通常，设置沉降缝的位置可考虑于建筑物的结构类型不同处、基础类型不同处、高度差异或荷载差异明显不同处、地基土压缩性有显著差异处等。

5.2 二道防线的设计要求

布置有抗震剪力墙的结构的抗震性能要好于纯框架结构，当结构高度接近规范中框架结构的适用高度限值时，如有条件设置部分剪力墙，应选用框架-剪力墙结构;框架-剪力墙结构是框架和剪力墙共同承担竖向和水平作用的结构体系，布置适量的剪力墙是其基本特点，应使剪力墙承担大部分水平作用产生的剪力。若剪力墙设置过多，使结构刚度过大，从而加大地震效应，对于结构而言也是不合理的。可按在规定的水平力作用下结构底层框架部分承受的地震倾覆力矩与结构总地震倾覆力矩的比值介于10%～80%来控制剪力墙的数量。为了发挥框架-剪力墙结构的优势，应设计成双向抗侧力体系，且结构在两个主轴方向的刚度和承载力不宜相差过大;抗震设计时，框架-剪力墙结构在结构两个主轴方向均应布置剪力墙，以体现多道防线的要求。在水平地震作用下，由于剪力墙的刚度远远大于框架柱的刚度，由力矩分配法的力学概念可得，刚度越大所受到的力越大，所以剪力墙承担更多的力，框架部分计算所得的剪力一般都较小。按多道防线的概念设计要求，墙体是第一道防线，在设防地震、罕遇地震下先于框架破坏，由于塑性内力重分布，框架部分按侧向刚度分配的剪力会比多遇地震下加大，为保证作为第二道防线的框架具有一定的抗侧力能力，规范对框架所能承担的总剪力提出了最小要求，当计算得到的总剪力小于对应地震作用标准值的结构底层总剪力的0.2倍时，需要对框架承担的剪力予以适当的调整，使框架部分满足受力要求，以确保第二道防线能在中、大震时能起到预期的作用。

5.3 错层构件的加强措施

公建设计时，时常会存在楼层标高变化导致错层的情况。当错层的楼层数较少时，可不按错层结构考虑，但从概念设计的角度而言，错层构件仍应按要求进行加强设计。

错层附近的抗侧力构件受力复杂，往往形成众多应力集中的部位。错层柱存在的主要问题，一是往往形成短柱，剪跨比过小，延性较差;而是柱高减小，其刚度较大，在水平作用下承受的剪力较大。纯框架结构错层更为不利，容易形成许多短柱与长柱混合的不规则体系，故错层结构宜采用剪力墙或框架-剪力墙结构。错层柱的加强措施，除对于其截面、混凝土等级、箍筋间距提出要求外，还应提高其抗震等级。在设防烈度地震作用下按性能设计时，错层柱的截面承载力应能满足第2性能水准的要求。

错层处的剪力墙，应优先采用墙长与错层水平传力路径同方向的剪力墙，避免将错层处平面外受力的剪力墙作为主要水平受力构件。对于剪力墙的加强措施，主要是对其最小厚度提出较高要求，按不小于250mm控制;提高其抗震等级、降低其轴压比限值，对于边缘构件均按约束边缘构件考虑，并对竖向及水平方向的分布筋配筋率进行加强，按不小于0.5%考虑。

总结：

概念设计，尤其是抗震概念设计，依托结构设计的基本理论、清晰的力学概念而存在，要求结构设计人员在学习和实践中建立起正确的概念，运用正确的思考和判断力，正确和全面地把握结构的整体性能，并依据对结构特性的正确把握，合理确定结构的总体布置与细部构造，确保结构具有良好的抗震性能。最后，结构工程师应当认识到，虽然我们重视抗震概念设计，但并不意味着要拒绝进行复杂结构设计，而是要求在处理复杂结构设计时思考：什么是结构设计的最佳选择？为实现最佳选择，还需要采取怎样的措施？这样，就能明确和展开概念设计实实在在的丰富内涵。

参考文献：

[1]中华人民共和国国家标准.建筑抗震设计规范GB50011-2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[2]中华人民共和国国家标准.高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[3]中国建筑设计院有限公司编.结构设计统一技术措施[S].北京：中国建筑工业出版社，2018.