建筑结构设计中的概念设计与结构措施

结构工程师的任务就是在特定的建筑空间中用整体的概念来完成结构总体方案的设计, 并能有意识地处理构件与结构、结构与结构的关系。强调概念设计的重要, 主要因为现行的结构设计理论存在许多不可计算性,为了实现对实际存在的大量无法计算的结构构件的设计,需要概念设计与结构措施来满足结构设计的目的。只有加强结构概念的培养, 才能比较客观、真实地理解结构的工作性能。

一、概念设计的重要性

在传统的建筑结构设计中，结构工程师依据以前的设计施工经验，经过不断的总结和追求完善，设计经验与理念也在实际工作中得到进步和创新随着时间的推移，经验不断丰富，设计理念不断完善，设计的作品逐渐成熟。但是，由于很多工程在创新方面的努力不够，习惯于依据规范和设计手册等传统书籍，只是借鉴以前的设计风格和设计手法。不仅对于国外、国内的先进技术和理念没有给予足够的重视，在设计中进行改进和运用，过分依赖设计程序，忠于传统设计，因为害怕创新和手工的设计作品不符合设计的要求造成不好的后果。还有的工程师在设计的过程中，因为依赖设计程序的运用，对于程序给出的运算数据不质疑，大胆用，没有足够的认真和质疑的精神来对待设计结果，造成没有发现程序设计中的错误。而且，结构设计需要运用的知识涵盖建筑学的很多方面，很多知识是在工作经验中总结的，或者是自己的想法和领悟，并不是在学校学习的系统知识，相对的分散，不容易记忆，因此在设计中也不容易进行运用。概念设计的重要性不仅在于概念设计在传统设计理念的优点结合，并在传统设计的不足之处进行改进，将计算理论的漏洞从整体的角度来进行解决例如，混凝土的结构设计，虽然内力计算的理论支持是弹性理论，但实际上，界面设计的计算支持却是塑性理论，这个不同就会造成计算得到的结论与实际的情况相距甚远。为了避免出现这样的情况，就需要进行良好的概念设计的把握计算机的特点在于计算精度高，计算速度快但工程师又会因此对结构性能产生不明白的地方。因此，工程师有良好的概念设计技能，才能正确的理解结构工作性能设计的初期，所有的准备工作是计算机不能胜任的，需要手工进行，概念设计在这个阶段就显得非常重要。结构工程是良好地运用概念设计在结构设计中，能够让设计的方案更加的合理，性价比低，更加符合实际情况。因此，工程师需要在工作中不断地完善概念，尽自己的能力去了解结构设计内容和理念，争取良好地进行运用。

二、协同工作与结构体系

协同工作的概念广泛存在于工业产品的设计和制造中，对于任一个工业产品，我们均不希望其在远未达到其设计寿命 (负荷、功能) 时，它的某些部件 (或零件 ) 即出现破坏。对于建筑结构，协同工作的概念即是要求结构内部的各个

构件相互配合，共同工作。这不仅要求结构构件在承载能力极限状态能共同受力，协同工作，同时达到极限状态，还要求他们能有共同的耐久寿命。结构的协同工作表现在基础与上部结构的关系上，必须视基础与上部结构为一个有机的整体，不能把两者割裂开来处理。举例而言，对砖混结构，必须依靠圈梁和构造柱将上部结构与基础连接成一个整体，而不能单纯依靠基础自身的刚度来抵御不均匀沉降，所有圈梁和构造柱的设置，都必须围绕这个中心。目前，部分已建建筑在其四角设置巨型钢管柱，从而极大地增强了角柱的强度和抗变形能力。在高层建筑结构设计中，柱轴压比的限值已成为困扰结构工程师的实际问题，随着建筑高度的增加，结构下部柱截面也越来越大，而柱的纵向钢筋却为构造配筋，即使采用高强混凝土，柱截面也不会明显降低。实际上，柱的轴压比大小，直接反映了柱的塑性变形能力，而构件的变形能力会极大地影响结构的延性。混凝土基本理论指出：混凝土构件的曲率延性，即弯曲变形能力主要取决于截面的相对受压区高度和受压区边缘混凝土的极限变形能力。相对受压区高度主要取决于轴压比、配筋等，混凝土的极限变形能力主要取决于箍筋的约束程度，即箍筋的形式和配箍特征值。因此，为了增大柱在地震作用下的变形能力，控制柱的轴压比和改善配箍具有同样的意义，因而采用密排螺旋箍筋柱或钢管混凝土均可以提高柱轴压比的限值。

三、提高材料的利用率。

从某种程度看，提高材料的利用率也是协同工作设计的另一个目的，材料利用率越高(即应力水平越高)，该结构的协同工作程度也就越高。尤其对我国这样一个发展中国家，结构设计的目的，即是花最少的钱，做最好的建筑，这就更要求设计时对结构材料的充分利用。例如：对钢筋混凝土矩形截面梁。由于靠近截面中和轴的材料应力水平低，且梁受到的弯矩沿梁长度方向一般是变化的，使等截面梁大部分区段应力水平较低，从而导致材料的利用率较低;针对这种受力特性，如果将梁中多余材料去除，会出现工字型梁、箱型梁空间网架等多种结构形式.从而大大增加了材料的利用率，提高了结构构件的经济性能和相互协同性。

四、结构设计措施

概念设计应该贯穿整个结构设计的始终, 从方案制定,初步设计, 到结构计算和施工图绘制, 甚至包括现场的工地服务。所以,平时的设计工作中应注意:

1、选择对建筑抗震有利的场地, 对于不利地段, 结构工程师应提出避开要求;当无法避开时,应采取有效措施, 这就考虑了地震因场地条件间接引起结构破坏的因素。

2、建筑的平立面布置应符合概念设计的要求,不应采用严重不规则的方案。

3、结构体系的确定应符合抗震结构的要求。采用什么样的结构体系,经技术经济比较综合确定。同时力求结构的延性好、匀质性好, 尽量降低房屋重心。

4、尽可能设置多道抗震防线。地震有一定的持续时间, 而且可能多次往复作用。适当处理构件的强弱关系, 使其形成多道防线,是增加结构抗震能力的重要措施。

5、具有合理的刚度和承载力分布以及与之匹配的延性。提高结构的抗侧移刚度,往往是以提高工程造价及降低结构延性指标为代价的。有选择地提高结构中的重要构件以及关键杆件的延性是比较经济有效的办法。

6、用概念来判断计算的合理性。这其实是对概念设计的一种延伸。现在的计算绝大多数都是靠计算机完成的,如何科学、理性地运用设计经验, 结合施工中有可能遇到的问题去综合分析计算结果,并在画图中进行合理调整, 是非常重要的。

7、结构材料的选用应减少材料的脆性,优先采用延性、韧性和可焊性较好的钢筋和规定强度等级范围内的混凝土。材料的选用应能满足抗震设计的要求,并最大限度地发挥材料的强度。

8、确保结构的整体性。其中既包括满足抗震的构造连接,又包括经过计算的节点连接。节点连接应满足“强节点,弱杆件”的基本设计理念, 但构造连接应在规范允许的情况下,注意度的把握,那种认为构造连接越刚越好的观点是不正确的。

9、施工中实际问题的现场处理。由于施工现场有诸多不确定因素,因而实际施工中经常有无法操作或者出现施工误差等各种情况,这些问题往往不是计算就能得出答案的, 所以要求设计人员不但要有丰富的设计经验, 更应该利用自己掌握的设计技术,同施工、监理、甲方协商, 对这些问题做出准确、合理的解决。

在概念设计日益重要的今天, 要求结构工程师应有扎实的基本理论基础,并能不断吸取他人先进的设计思想, 对自己的作品、设计, 经常进行深刻的反思,对每项设计都精益求精。