关于概念设计在建筑结构设计中的应用

摘要：为保证建筑结构设计质量，使概念设计的应用发挥出理想效果，文章在介绍建筑概念设计内容、特点和适用范围的基础上，明确建筑结构概念设计具有的重要性，最后对建筑结构概念设计方法进行深入分析，以期为相关人员提供参考。

关键词：建筑结构设计；建筑概念设计；结构概念设计

计算机结构分析软件的普及和高精度结果可能导致结构设计人员误解结构性能，过分依赖计算而忽视概念设计。设计人员往往过于理论化，忽略结构概念。美国学者警告，误用计算机可能导致结构灾难。概念设计能有效控制这些问题，提醒设计者重视概念设计的重要性，而不仅仅是计算结果。

1建筑概念设计概述

1.1概念设计内容

概念设计涉及建筑结构选型、总体布置和抗震措施，基于对建筑地震、风、温度作用及场地土特征的深刻理解，无需数值计算。概念设计分为建筑、结构和计算软件三个方面。建筑概念设计关注总体方案，协调平面和立面形式，考虑细部构造，消除薄弱环节。结构概念设计强调在特定条件下选择结构体系，利用力学特性和设计原则解决结构设计问题。计算软件概念设计要求对软件假定、力学模型和适用范围有充分了解，分析计算结果的正确性。

1.2概念设计特点

概念设计是建筑工程设计的核心，具有全面解决设计问题、关注总体与细节、提高结构可靠度、节约材料和成本等特点。

1.3概念设计适用范围

概念设计贯穿建筑方案确定、结构布置、计算简图和结果处理。分为建筑方案、结构计算和施工图绘制三个阶段，涉及结构形式确定、承重体系布置、荷载计算、构件试算、内力计算及最终构件布置和配筋合理性判断。

2建筑结构概念设计的重要性

建筑结构概念设计的关键在于能有效弥补理论方法与计算方法存在的不足，比如在内力计算过程中通常以弹性理论为基础，而截面设计基于塑性理论，这样会使计算结果和结构真实受力状况完全不符。为解决这一问题，有必要做好概念设计，采取适当的结构措施。在结构抗震设计过程中，要求结构可以吸收地震产生的能量，而抗横向力设计要求结构具有足够的刚度以控制位移。由于结构分析中无法充分考虑多种因素，会对结构体系自身抗横向力以及整体抗震水平造成影响。通过概念设计，结合数值计算和实践经验，可良好适应建筑结构方面的要求。基于此，在工程设计中不可完全依赖单一的计算设计，而需要良好的概念设计。对结构工程师而言，应扩充自身设计理念储备，综合运用结构概念，深入了解结构性能，充分考虑工程经验提出新的设计原则与方法，以此设计出经济合理、稳定可靠的建筑结构。

3建筑结构概念设计方法

3.1基础设计

3.1.1基础设计原则

基础结构单元应避免建立在不同性质的地基上，或采用不同基础形式。若土质地基分布不均匀，则要充分考虑地震因素的影响，采取必要措施提高基础刚度，保证整体性，进而确保承载力和稳定性。

3.1.2基础选型及特点

根据建筑位置和结构形式，可选用桩基础、箱形基础或筏形基础。桩基础适用于土质软弱、荷载大的情况，将荷载传至坚实持力层。箱形基础：主要应用于高层建筑，具有良好的整体刚度，能均匀传递荷载，有效抵抗不均匀沉降，提高抗横向荷载能力。筏形基础适用于荷载大、地基承载力低的工程，具有较好的整体性和刚度，能分散荷载，调整基底压力和沉降。以某建筑为例，其地质条件通常表现为上部土层承载力低，有较厚淤泥层，地形起伏大，土层均匀性差。因此，该建筑基础主要采用桩基础，以满足工艺要求和施工的可靠性及经济性。

3.2建筑结构形式的选择

现代建筑功能多样，设备复杂，对结构形式要求高。选择时需与工艺要求协调。主要结构形式有钢筋混凝土和钢结构，各有优缺点。

3.2.1钢筋混凝土结构

优点包括：取材容易、造价低；合理用材，降低维护成本；耐久性好；耐火性佳；可塑性强；整体性好，有利于抗震。缺点是自重较大，抗震不利；抗裂性较差，需提高造价以满足特定要求。可采用轻质高强混凝土减轻自重，预应力混凝土改善抗裂性。

3.2.2钢结构

优点：工期短，拆卸方便，外观美观，后期处理简单，空间大，抗震性能好。缺点：抗腐蚀差，抗火差，维护成本高，易产生共振。选择结构形式应考虑结构体系和材料特性，避免共振，减轻震害。

3.3结构抗横向荷载的设计

3.3.1结构体系设计基本原则

选择结构体系时需考虑技术与经济合理性，基本原则包括：绘制计算简图，确保地震作用顺利传递；设置抗震防线，防止结构破坏；提高抗震承载力、变形能力和耗能能力；确保刚度以及承载力分布情况的合理性，避免应力集中，提高薄弱部位的抗震能力；非结构构件需进行抗震设计。横向荷载对平面形状的影响如图1所示。

3.3.2建筑物结构横向荷载设计

建筑设计中抗横向荷载是关键，对于钢筋混凝土结构，具体可以分成框架与框剪两种，具有不同的受力特点和抗震性能。其中，框架主要包括梁、柱两部分，能承受垂直和水平荷载，提供灵活的室内空间。层数较少时，框架结构合理；侧向荷载大时，框架结构侧向刚度小，易产生较大侧移，在强震下易发生弹塑性变形。设计时应避免短柱剪切破坏，使柱延性破坏。框架的主要优点为平面布置较为灵活，可提供较大空间，立面处理方便；缺点是侧向刚度小，层数多时侧移大，易影响非结构构件。框架-剪力墙体系通过设置剪力墙抵抗水平力，具有大侧向刚度和小位移，同时保持框架结构的优点。剪力墙用于承受水平方向荷载，而框架主要承受竖直方向荷载，两者变形协调，优势互补。建筑结构设计需考虑设备引起的横向荷载，横向荷载成为设计中的重要控制因素。需严格控制层间角位移以及底部总弯矩，并确保抗侧力构件设置确保质量中心与刚度中心尽可能接近，平面设计简洁、规整、均匀对称，抗侧力构件的不同布置形式如图2所示。如果质量分布不均匀，则会造成扭转效应，对此必须做好抗侧力构件设置，以增强抗扭转性能。立柱均匀分布或集中布置在内部，比仅在四侧布置抗扭能力弱。结构抗侧力刚度随高度变化，层间可能出现薄弱层，设计中应避免。尽管无法完全避免薄弱层，但应采取措施减少层间刚度偏心距变化，使结构侧向刚度平稳过渡。

3.3.3其它结构设置

（1）混凝土强度等级

现代建筑施工中，一般采用商品砼进行泵送施工。基于此，为确保高空泵送保持顺畅，混凝土流动性需满足一定要求。采用泵送方法时，混凝土强度等级应达到C25及以上，但要注意强度过高对梁板结构不适宜。

（2）框架梁取值

民用建筑框架梁截面高度通常取跨度的1/10至1/15。大部分建筑因承受较大水平荷载，框架梁的截面宽度不能过小，主梁截面宽度应达到400mm及以上，截面高宽比通常取2至4。框架梁的截面高度可取跨度的1/8至1/10，甚至可适当保守取1/6。

（3）楼板厚度取值

民用建筑楼板厚度通常取跨度的1/40至1/30。由于框架与剪力墙均属抗侧力构件，所以楼板厚度需增厚。楼板厚度取值过程中要综合考虑各方面因素，包括跨距、荷载情况以及结构受力情况等，以保证楼板发挥出应有的作用。

（4）剪力墙尺寸取值

当结构抗侧向荷载刚度不足时，可布置剪力墙。标准层剪力墙的厚度一般为200mm，以适应稳定性与轴压比方面的要求。此外，剪力墙的数量必须适宜，以适应侧向变形限制方面的要求。

3.4结构的延性设计

3.4.1结构延性设计原则

结构延性设计原则强调工程师需全面考虑构件与结构延性。对此，结构工程师要与建筑工程师密切配合，保证结构体系设计合理性。概念设计中，延性设计是关键内容，需采取构造措施保证结构的整体性和延性。框架结构中，梁柱节点是关键，需避免剪切脆性破坏。柱的变形能力通常低于梁，基于此在框架设计过程中应防止节点遭到破坏，发挥出结构自身抗震能力。

3.4.2结构延性设计方法

为了使结构在受到地震作用后发挥出良好延性与承载力，应严格遵循以下各项基本原则：“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、“强节点、强锚固”，合理选择柱截面尺寸，控制轴压比，加强节点构造措施。具体措施包括：设计形状简单，结构规则，竖向均匀，整体合理，设置多道抗震防线，选择合适的结构材料，以及合理调节结构刚度和延性。

3.4.3其他保证结构延性的措施

在整体设计上加强薄弱环节，使结构等强度。结构延性用延性系数表示，提高钢筋混凝土梁柱延性的措施包括选择合适的梁截面尺寸，控制柱的轴压比，加密柱箍筋，提高混凝土强度等级，采用中低级钢筋等。

3.4.4结构延性设计应注意的问题

在结构计算中，应以概念设计为导向，体现“强柱弱梁”和“强剪弱弯”。但实际工程中，一些设计者因担忧结构体系，配置的钢筋量往往超过计算值，导致梁柱构件由“强柱弱梁”、“强剪弱弯”朝反向改变，进入抗震设计误区。

3.5非结构构件细部设计

3.5.1非结构构件的重要性

非结构部件，如填充墙、内隔墙等，虽不承受重力荷载，但在地震作用下会参与工作，改变结构刚度和承载力，可能导致未预料的局部损害。因此，非结构构件应与主体结构可靠连接，避免地震时倒塌伤人或损坏设备。

3.5.2非结构构件加固措施

加固非结构构件包括加强连接部位的预埋件和锚固件设计，以承受附加地震作用；选用轻质材料作非承重墙体，并合理布置；填充墙体应与主体结构有效拉结，减少不利影响；通过设置连系梁、圈梁、构造柱等增强稳定性。

3.5.3非结构构件问题

水电管道、除尘设备留孔等布置需注意结构柱、梁偏位问题，确保尺寸准确；梁开洞大小应小于等于梁高的1/3，且位于剪力较小的部位；洞口应上下对齐，避免影响主要受力构件；楼梯净高应满足规范要求，必要时调整梯梁位置或设计；屋顶女儿墙高度不应超过3m，宜采用钢筋混凝土结构。

4结语

综上所述，概念设计的历史与计算机技术的发展紧密相连，但过度依赖计算机技术导致设计偏离本质。概念设计连接建筑与结构专业，促进建筑师和结构师的交流。它对计算结果进行辩证判断，不仅弥补了传统计算分析的不足，还推动了计算分析的进步。设计中应避免仅依赖计算结果的误区。在建筑结构设计中，合理应用概念设计可实现结构刚度、承载力、延性与经济性的完美匹配。

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作者简介：王梦妮（1989.12-），女，本科，工程师，湖南常德，汉族，从事工作：结构设计