建筑结构设计中概念设计应用分析

摘要：随着人们生活水平的提高，人们对建筑结构的品味也有了更高的要求，这也就给建筑结构的设计带来了更大的压力。为了提高建筑结构的设计水平，概念设计的思想被越来越多的设计者和设计单位所采纳。文章阐述了概念设计在建筑结构设计中的重要性，并重点探讨了建筑结构设计中概念设计的应用。
关键词：建筑；结构设计；概念设计
概念设计是结构设计的核心和灵魂，它贯穿于结构设计的全过程。概念设计运用得好，能使结构满足建筑要求并以最快的方式将荷载传递到基础、地基中，创造更为安全、舒适的工作和生活环境，并节约材料和资金。概念设计是设计工作者进行创新设计的基础。

1 概念设计的概念

所谓的概念设计一般指不经数值计算，尤其在一些难以做出精确理性分析或在规范中难以规定的问题中，依据整体结构体系与分体系之间的力学关系，结构破坏机理，震害，试验现象和工程经验所获得的基本设计原则和设计思想，从整体的角度来确定建筑结构的总体布置和抗震细部措施的宏观控制。运用概念性近似估算方法，可以在建筑设计的方案阶段迅速，有效地运载结构体系进行构思。比较与选择，易于手算。所得方案往往概念清晰，定性正确，易于手算，所得方案往往概念清晰，定性正确，避免后期设计阶段一些不必要的繁琐运算，具有较好的经济可靠性能。同时，也是判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。

2 概念设计的重要性

概念设计是展现先进设计思想的关键，一个结构工程师的主要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。一般认为，概念设计做得好的结构工程师，随着他的不懈追求，其结构概念将随他的年龄与实践的增长而越来越丰富，设计成果也越来越创新、完善。
强调概念设计的重要，主要还因为现行的结构设计理论与计算理论存在许多缺陷或不可计算性，比如对混凝土结构设计，内力计算是基于弹性理论的计算方法，而截面计算却是基于塑性理论的极限状态设计方法，这一矛盾使计算结果与结构的实际受力状态差之甚远，为了弥补这类计算理论的缺陷，或者实现对实际存在的大量地乐趣计算的结构构件的设计，都需要优秀的概念设计与结构措施来满足结构设计的目的。概念设计之所以重要，还在于方案设计阶段，初步设计过程是不能借助于计算机来实现的，这就需要结构工程师综合运用其掌握的结构概念，选择效果最好，造价最低的结构方案。

3 建筑结构中运用概念设计时应注意的问题

3.1建筑设计应重视建筑结构的规则性

在高层建筑中，结构的对称性主要指的是抗侧力主体结构的对称。对称的建筑如平面对称的简体框架结构，剪力墙结构，框架结构等，一般比较容易实现结构的对称性。不对称的建设如平面形状复杂的L型、T型、S型，楼电梯间偏于平面一侧或一角的度层建筑等，内含结构的基本对称仍是有可能实现的。这主要取决于结构工程师结合建筑平面的功能和需要进行合理的结构布置，如简体，剪力墙的合理布置，可以设法调整结构的刚心与建筑物质心、平面的形心尽量接近，从而实现结构的基本对称。结构的较大不对称，将引起结构在水平侧力作用下产生较大的扭转变形，不利于结构抗侧力，不利于非结构构件如填充墙、幕墙的正常工作，同时造成结构耗材，成本

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的较大增加。

3.2合理的建筑结构体系选择

3.2.1结构体系应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径。1）楼屋盖梁系的布置，应尽量使垂直重力荷载以最短的路径传递到竖向构件墙，柱上去。2）竖向构件的布置，应尽量使竖向构件在垂直重力荷载作用下的压应力水平按近均匀，以避免竖向构件之间压实力的二次转移。3）转换结构的布置，应尽量做到使上部结构竖向构件传来的垂直重力荷载通过转换层一次至多二次转换，即能传递到下部的竖向构件上去。4）整体抗侧力结构必须体系明确，传力直接，抗侧力结构一般由框架，剪力墙等组成，它们宜尽量贯通连续，若它们沿竖向要有变化，则变化要缓慢均匀。
3.2.2结构体系应避免因部分结构或构件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。
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2.3结构体系应具备必要的承载能力，良好的变形能力和消耗地震能量的能力。

3.2.4结构体系宜有多道抗震防线。框架—剪力墙结构是具有良好性能的多道防线的抗震结构，其中剪力墙既是主要抗侧力构件又是第一道抗震防线。因此，剪力墙应有相当数量，其承受的结构底部地震倾覆力矩不应小于底部总地震倾覆力矩的50%。
3.2.5结构体系宜具有合理的刚度。主体抗侧力结构的刚度合理是高层建筑结构设计的重要指标之一。1）主体抗侧力结构刚度过大，结构的基本自振周期短短，地震作用加大，结构承受的水平力，倾覆弯矩加大，地基基础的负担加大，此时结构的截面和相应的构造配筋增加较大，不经济。2）主体抗侧力结构刚度过大，势必造成结构所占的面积，空间加大，影响建筑作用，降低建筑平面利用系数，不合理。

3.3建筑结构的简化计算

3.3.1结构安全度的人为控制。高层建筑结构的设计计算，目前结构工程师都已广泛采用各类结构软件电算程序进行。在这种情况下，高层结构的简化计算还要不要？如果要，深度应该达到什么程度？结构工程师根据实际工程设计的经验，一致认为答案是明确的，要简化计算，而且要达到一定的深度，但也不必过于繁琐，要力求快速，简捷，明了，并能把握结构的主要受力特征。
3.3.2结构设计的经济合理。结构工程师通过高层建筑结构的简化设算，可以在正式电算前得到主体抗侧力结构及其楼盖结构的合理布置和截面的合理确定，下一步的电算实际上成为简化计算的辅证和深化，这样一方面，可以不必在上机后来回调整，节省电算时间，使电算更快捷有效，电算结果也容易比较放心，另一方面结构的布置，断面的确定比较快的得到经济合理的实现，从而使结构设计更加经济合理。

4 建筑结构设计中概念设计的应用分析

4.1平面设计

在水平荷载作用下结构侧移已成为高层建筑设计中的关键控制因素，如何在满足相关要求的前提下选择更好的抗侧力体系成了结构工程师追求的重大目标。建筑平面的形状宜选用风压较小的形式，并应考虑邻近高层建筑对其风压分布的影响，还必须考虑有利于抵抗能力和竖向荷载，在地震作用下，建筑平面要力求简单规则。风荷载作用下则可适当放宽，因为结构整体弯曲变形所引起的侧移与结构体系抵抗倾覆力矩的有效宽度的三次方成反比例关系，所以不宜建筑宽度很小的建筑物。

4.2剖面设计

4.2.1竖向传力体系设计。1）应注意控制建筑的高度比。2）高层建筑的抗侧力结构刚度，应注意由基础向顶层逐渐过渡，要尽量避免出现在竖向上刚度发生突变的现象，以免由于刚度的较大突变而削弱其抵抗水平荷载的能力。3）由于使用上的要求造成刚度变化特别大，或结构布置发生变化时必须设置结构转换层。4）高层建筑必须有相应的锚固深度，此锚固深度可结合布置设备用房和地下停车库的需要，作为一层或多层地下空间，这对降低高层建筑的重心有利，可提高建筑抗震能力及抗倾覆能力。
4.2.2竖向形体设计。1）截锥形。采用由下而上分段逐渐减小楼层面积阶梯状体型，能使房屋刚度大大增加，由于房屋顶部的楼面尺寸比底部小，除了在建筑使用功能方面存在优点外，在抗风和抗震方面也具有一定的优越性。2）上窄下宽形。高层建筑随着高度的增加在符合竖向结构的要求下，楼身向上不断收进与变细，这样可减轻承受的风力，降低楼体的重心，加强结构的稳定性，这种形体主要包括上削楔形体和退缩体，上削楔形体利于抗风，抗震，并呈现稳固坚韧的特性，退缩体的形式比较多样，有收进式，截切式，台阶式。3）新月形。新月形房屋就像一个竖向的悬臂壳体一样，能有效地增加它低抗侧向力的刚度，它的作用就像波形的屋面壳体能有效地抵抗重力荷载一样，重力荷载由柱—壳—框架承受，侧向荷载由竖向的壳体抵抗，该壳体由于楼面结构的加劲作用而得以加强，新月形的壳体形式能有效地抵抗对称作用与它的侧向力。