談建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的概念設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)措施范文

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摘要：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的概念設(shè)計(jì)是一種思維的基本形式，結(jié)合設(shè)計(jì)者的宏觀思維進(jìn)行判斷總結(jié)得出，其設(shè)計(jì)效果直接影響到建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)措施的選擇及應(yīng)用同樣是影響建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量的關(guān)鍵內(nèi)容。文章以建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的概念設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)措施分析為主，以高層建筑結(jié)構(gòu)為例，主要分析了概念設(shè)計(jì)對建筑設(shè)計(jì)的能動作用、概念設(shè)計(jì)的原則及重要性進(jìn)行詳細(xì)闡述，同時分析了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要措施，以期為相關(guān)領(lǐng)域研究者提供參考。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；概念設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)措施

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅需要技術(shù)符合規(guī)范要求，而且要以美學(xué)特征為主，將建筑藝術(shù)與專業(yè)技術(shù)相結(jié)合，形成一個穩(wěn)定的、創(chuàng)新性構(gòu)思建筑體系。從美學(xué)角度上考慮，由于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式及類型越來越多，因此必須結(jié)合當(dāng)前美學(xué)元素在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中進(jìn)行應(yīng)用，這樣才能夠保證建筑結(jié)構(gòu)形態(tài)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效性。概念設(shè)計(jì)是基于建筑美學(xué)元素，從建筑結(jié)構(gòu)的空間形態(tài)和結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計(jì)上分析，來還原建筑設(shè)計(jì)師與結(jié)構(gòu)工程師之間的互動關(guān)系。

1建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)理論

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的“概念設(shè)計(jì)”是基于設(shè)計(jì)者的思維形式，對客觀的建筑結(jié)構(gòu)的本質(zhì)特征進(jìn)行的宏觀設(shè)計(jì)的判斷，以規(guī)范化的設(shè)計(jì)為原則，確定設(shè)計(jì)方案和理念。例如在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對于地震作用、風(fēng)效應(yīng)、建筑結(jié)構(gòu)的真實(shí)效應(yīng)等不做具體的數(shù)值計(jì)算，而是結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)中的總體布置，依據(jù)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)要求，從建筑結(jié)構(gòu)總體布置看，確定有效的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施是最關(guān)鍵的。從理論的角度進(jìn)行分析，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，概念設(shè)計(jì)的要求與實(shí)施比一般的數(shù)值模擬設(shè)計(jì)等更有實(shí)際意義。從工程實(shí)踐角度分析，如何維護(hù)好建筑師與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師之間的合作關(guān)系，比較選擇建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系，成為概念設(shè)計(jì)的重要工作。

2概念設(shè)計(jì)的原則

概念設(shè)計(jì)的主要原則包括：簡化結(jié)構(gòu)傳力途徑、結(jié)構(gòu)整體性原則、結(jié)構(gòu)的規(guī)律性和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選型的優(yōu)化原則。其中，簡化結(jié)構(gòu)傳力途徑是通過結(jié)構(gòu)簡單性的作用，提升整體建筑結(jié)構(gòu)的承載力，并通過規(guī)范化的承載力計(jì)算，將結(jié)構(gòu)整體受力體系進(jìn)行受力分析，劃定受力分析范圍，并針對建筑結(jié)構(gòu)體系受力圖，對受力數(shù)值進(jìn)行精確化的計(jì)算，通過對結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)力及產(chǎn)生位移量進(jìn)行詳細(xì)分析，確定最不利位置，從而有效避免結(jié)構(gòu)受力最薄弱位置的出現(xiàn)。

3建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)中的互動效應(yīng)

建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)中的互動效應(yīng)主要指的是建筑師與結(jié)構(gòu)工程師之間工作的互動關(guān)系，兩者在工作的交流和溝通過程中難免會發(fā)生沖突，但是這種沖突會隨著建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的推進(jìn)而逐步消失，從而加強(qiáng)合作與溝通，將兩者之間的工作配合方式完整的展現(xiàn)出來，并將建筑結(jié)構(gòu)空間形態(tài)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完美結(jié)合起來。按照建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的流程，一方面，需要根據(jù)建筑空間結(jié)構(gòu)的功能、空間及造型的設(shè)計(jì)等，針對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)范性、合理性和抗震抗風(fēng)等結(jié)構(gòu)承載力特征，將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性放在第一位，綜合考慮概念設(shè)計(jì)的基本原則，對整體的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容進(jìn)行合理化調(diào)整與分析。另一方面，建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)主要由結(jié)構(gòu)工程師按照自身的宏觀思維執(zhí)行完成，理性的判斷能力和感性的思維方式的融合，能夠解決建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基本問題。基于此，在進(jìn)行概念設(shè)計(jì)的過程中，要將建筑結(jié)構(gòu)體系的選擇與建筑物的使用功能進(jìn)行綜合分析、綜合判斷。

3.1平面設(shè)計(jì)

（1）平面布置原則。平面布置原則可分為結(jié)構(gòu)平面布置和建筑平面布置。以高層建筑結(jié)構(gòu)為例，如何有效選擇抗側(cè)力體系成為建筑結(jié)構(gòu)工程的重要問題。由建筑工程設(shè)計(jì)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)分析，建筑平面形狀宜選用風(fēng)壓較小的形式，且在分析風(fēng)壓分布影響的過程中應(yīng)考慮建筑結(jié)構(gòu)體系抵抗水平風(fēng)壓和豎向荷載的能力。一般情況下，在建筑結(jié)構(gòu)高跨比H/B應(yīng)控制在5～6，建筑平面的整體長寬比也應(yīng)小于6，防止因比值過大，使得長寬比距離大，造成振動不同步，扭矩現(xiàn)象的發(fā)生。（2）建筑結(jié)構(gòu)形式與特點(diǎn)。第一，懸掛結(jié)構(gòu)。在高層建筑中，各層的樓蓋由吊桿分段懸掛支撐，并與主框架結(jié)構(gòu)有效的連接，在整個結(jié)構(gòu)體系中主框架承擔(dān)所有的荷載，其余部分的構(gòu)件可懸掛不落地。第二，巨型結(jié)構(gòu)。一般分為框架結(jié)構(gòu)和桁架結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)一般含有大截面實(shí)體柱或者箱型截面巨型柱等結(jié)構(gòu)，其剛度巨大，在最高層巨型梁位置可以不設(shè)置承載力柱，進(jìn)而釋放結(jié)構(gòu)空間。巨型桁架結(jié)構(gòu)主要組成懸臂桁架，承受水平和豎向荷載，主要由各構(gòu)件的荷載傳遞到桁架單元上，如香港的匯豐銀行建筑結(jié)構(gòu)體系。第三，懸挑結(jié)構(gòu)。懸挑建筑結(jié)構(gòu)四周敞開，且建筑外觀獨(dú)特，由多個核心筒作為懸挑的主要結(jié)構(gòu)，并承擔(dān)相應(yīng)的荷載，使得建筑結(jié)構(gòu)的空間更加靈活有效。

3.2剖面設(shè)計(jì)

（1）豎向傳力體系設(shè)計(jì)。傳力體系一般在剖面形式中體現(xiàn)，直接反映了豎向荷載的傳遞路徑。豎向傳力體系應(yīng)注意高寬比、抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的剛度及剛度變化大等因素的影響。在整體建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行錨固深度的測量時，應(yīng)按照地下停車場和相應(yīng)的設(shè)備用房，實(shí)現(xiàn)對建筑重心的結(jié)構(gòu)承載力的進(jìn)一步研究和分析，提高建筑結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。（2）豎向形體設(shè)計(jì)。結(jié)合幾何形態(tài)美和力學(xué)的基本結(jié)構(gòu)特征，采用對側(cè)向力要求較低的建筑形式，實(shí)現(xiàn)造價(jià)更低但是樓房建筑層數(shù)更高的建筑設(shè)計(jì)理念。（3）扭轉(zhuǎn)形體設(shè)計(jì)。在高層建筑中，為了保證整體結(jié)構(gòu)承載力變化能夠順應(yīng)樓體重心，樓身自下而上應(yīng)逐漸收縮、變窄。為加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，逐漸變窄的樓身可以加強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，也能夠減輕風(fēng)荷載的影響。此外，扭轉(zhuǎn)形體也是通過建筑設(shè)計(jì)，將整體的水平向力利用建筑設(shè)計(jì)的方式，相對建筑平面扭轉(zhuǎn)一定的角度，使得整體結(jié)構(gòu)形成一種斜柱體，進(jìn)而抵消了部分的水平力，形成高效的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系。如美國某大樓（見圖1）。（4）新月形設(shè)計(jì)。即建筑的豎向由懸臂的殼體組成，能夠結(jié)合自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，有效平衡抗側(cè)力的剛度，并結(jié)合波形屋面結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)屋面殼體結(jié)構(gòu)抵擋重力荷載的作用。該形式的建筑，因樓面結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度變化而得以加強(qiáng)，如多倫多的市政府大廳樓面結(jié)構(gòu)，新月形殼體結(jié)構(gòu)能夠有效地根據(jù)對稱作用，抵擋對稱性作用和其側(cè)向力，從而約束扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，防止荷載不對稱引起的時效能較差現(xiàn)象發(fā)生。（5）雙曲線圓筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。此結(jié)構(gòu)外型挺拔秀美，外表與鉛垂線之間形成一定的傾角，能夠同時抵消和承擔(dān)豎向荷載和橫向荷載。承載柱內(nèi)沒有彎矩和剪力，整體的柱截面較小，最大限度地放大了結(jié)構(gòu)整體空間。在建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)中，受力和美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)是一體化呈現(xiàn)的，應(yīng)結(jié)合兩方面考慮概念設(shè)計(jì)的整體性。

4建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要措施

4.1建筑場地的選取

抗震設(shè)計(jì)是建筑物場地選擇的重要依據(jù)，場地條件的影響是引起建筑結(jié)構(gòu)物破壞的主要原因，也是除了地震的影響以外的最為關(guān)鍵影響因素。場地的選擇過程中應(yīng)注意以下幾個因素：地震發(fā)生引起的地表裂動、土質(zhì)滑坡現(xiàn)象的發(fā)生、砂土液化現(xiàn)象的發(fā)生等。在實(shí)際應(yīng)用的過程中，減輕場地引起地震的影響是第一步，同時要合理化地選擇建筑場地，避免因?yàn)榈卣鸬仍驇淼慕ㄖ锏钠茐摹?/p>

4.2結(jié)構(gòu)材料的選擇

在符合抗震高強(qiáng)度要求的條件下，高強(qiáng)度的建筑材料結(jié)構(gòu)對于抗震影響十分有利，同時在保證對構(gòu)件的延性能力具有重要作用。高強(qiáng)度的混凝土在使用的過程中，能夠有效保持整體建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，可利用增加有效的建筑結(jié)構(gòu)截面面積的方式，滿足建筑結(jié)構(gòu)功能的需求。在高強(qiáng)度鋼筋使用的環(huán)境下，可以通過有效減少鋼筋的配筋量，提高整體建筑結(jié)構(gòu)的安全性。

4.3結(jié)構(gòu)布置

在建筑結(jié)構(gòu)整體布置的過程中，概念設(shè)計(jì)是一個重要的理論概念，在抗震性能較好的建筑結(jié)構(gòu)中，建筑師與結(jié)構(gòu)師的高效配合是避免造成整體結(jié)構(gòu)扭矩偏轉(zhuǎn)、傳力不精確等原因的重要措施。例如在我國唐山大地震的過程中，扭矩的偏轉(zhuǎn)造成的框架結(jié)構(gòu)的不規(guī)則變化，產(chǎn)生了不對稱形狀的扭轉(zhuǎn)破壞。在抗震設(shè)計(jì)中，合理地進(jìn)行受力的對稱設(shè)計(jì)，對平面和立面結(jié)構(gòu)保持對稱具有重要作用。

4.4結(jié)構(gòu)體系

影響建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定性的因素眾多，主要包括建筑設(shè)計(jì)技術(shù)、建筑材料、整體的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。在抗震體系的構(gòu)成中，應(yīng)結(jié)合多方構(gòu)件的整體性效果，通過合理搭配，實(shí)現(xiàn)對整體結(jié)構(gòu)抗震的目標(biāo)，在抗震構(gòu)件的選擇上，應(yīng)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)規(guī)范和技術(shù)規(guī)范為主，確保整體結(jié)構(gòu)的抗震穩(wěn)定性達(dá)到要求。此外，應(yīng)對隔震和消能減震設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，利用主動控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對整個建筑結(jié)構(gòu)的地震能量的穩(wěn)定性分析。在結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)的過程中，根據(jù)實(shí)際工程的應(yīng)用需求，合理化地確定整體結(jié)構(gòu)的抗震性能，從而針對地震影響度確定合理化的防護(hù)措施。

5結(jié)束語

綜上所述，在概念設(shè)計(jì)的過程中，要充分結(jié)合建筑項(xiàng)目本身的特點(diǎn)，對于復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行不斷優(yōu)化分析，明確整體建筑結(jié)構(gòu)中不合理因素帶來的影響，對整個建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施進(jìn)行有效評價(jià)，確保整體設(shè)計(jì)目標(biāo)能夠完整執(zhí)行，提高建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。

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作者：白云輝 單位：北京國科天創(chuàng)建筑設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司