睢宁县建筑规划设计室 江苏睢宁 221200
摘要：随着经济的快速发展和人民生活水平的逐渐提高，人们对建筑结构设计也提出了更高的要求，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师和设计单位所采纳。本文主要就建筑结构设计中概念设计的应用进行了简要的阐述，希望有助于今后概念设计在建筑结构设计中应用效果的提升。
关键词：建筑；结构设计；概念设计
概念设计基本贯穿整个结构设计，起着举足轻重的作用。在建筑结构设计过程中, 充分的正确掌握设计概念, 运用概念把控设计、计算过程, 运用设计概念检验计算结果的可靠性, 并能够运用概念对不可靠结构进行调整, 是现代建筑结构设计的精髓, 是做出完美建筑工程的前提。
1 概念设计的特点
建筑结构概念设计与精确规范的理论设计不同，它是一种带有经验总结性、非规范性的设计。概念设计不需要通过计算机或其他计算工具来进行严密精确的数据运算，而是以地震参数、试验结果、结构体系中的整体或个体之间的力学联系、结构的破坏机理、以及工程经验等为依据的一种概念性的设计思想和设计原则，它主要是对建筑结构进行总体规划布置和宏观调控。
建筑结构概念设计，绝非毫无逻辑性的混乱主义，而是当精确规范的理论设计不能正确解决建筑结构过程中出现的问题时，采取的一种补充的手段和思路，它是建筑结构设计过程中的重要组成部分。由于现行的结构设计理论和计算理论还存在许多缺陷甚至不可计算性，因此要求设计人员必须要有优秀的概念设计素养，才能弥补现行理论的缺陷，从而满足建筑结构设计的要求。另外，过度的精密运算结果往往并不能正确反应建筑结构的实际状态，由于理论设计的习惯性、机械性，有时极容易进入误区，从而导致隐患和错误的产生，而拥有人性化思维方式的概念设计，由于通过了对现实环境的饱满性探讨，在建筑结构设计初期起着无可取代的作用。同时，由于计算机的计算结果具有高精度的特点，往往会使设计人员对结构的工作性能产生误解，设计人员只有积极培养概念设计的能力，才能更加真实、客观地理解结构的工作性能。
综合运用掌握的结构概念，深刻了解各类结构的性能，想方设法地找寻并选择造价最低、效果最好的建筑结构设计方案，正是建筑结构概念设计优化的核心灵魂所在。
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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3.2.3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。
4.3基础设计概念
4.3.1基础与上部结构协同作用。基础除了与地基相互作用外，与上部结构作用的关系也很复杂，除非在建筑的边缘部位荷载很大的情况以外，一般建筑基础的变形总是成锅底开肿部沉降多，外级沉降小，在建造下部几层时，基础钢筋应力不断增长，建筑到四五层时钢筋应力达到最高值，以后随层数和荷载的增加应力又逐渐减小，这种现象是基础和上部结构协同作用的结果，当上部结构高低层数差别很大，但地下室有直通要求时，应做成整体基础，高低层不分开是有条件的，首先地基地质要好，或采用桩基。要求地基沉降量不能过大，重要的是控制高低层的沉降差，天然地基的建筑，高层部分一般采用满堂红基础，低层部分采用双向条形或单独基础，高层建筑常设有通往地下车库的通道，通道紧贴高层的外壁，并平行于外壁，作为车道的底板，便于铺防水层，也保证了高层建筑的整体连接。
4.3.2基础选型及特点。根据不同建筑的地理位置结构形式可选择桩基础，箱形基础和筏形基础。桩基础，当地基土质较软弱，建筑物层数较多，荷载较大的情况下，天然地基不能满足地基承载力的要求可以采用桩基将上部结构荷载直接传到下部坚实的持力层，高层建筑的桩基础可采用预制钢筋混凝土桩，混凝土灌注桩和钢管桩。箱形基础，箱开基础在高层建筑中广泛应用，它整体刚度好，能将上部结构的荷载均匀地传给基础，对上部结构能良好地嵌固，箱基有效地抵抗不均匀沉降，并与周围土体协同工作，提高建筑物的抗震和抗风能力。筏形基础，筏形基础适用于上部结构荷载较大，地基承载力较低的工程，筏形基础整体较好，刚度大，能有效地分散上部结构的荷载，调整基底的压力和不均匀沉降。
5 结语
总之，在建筑结构的设计中，概念设计内容纷繁复杂，综合性强，应用灵活广泛，需要结构设计人员发挥主观能动性，在应用规范及工程力学知识和原理的基础上，根据个人对结构及其受力状态的理解，通过对自己积累的设计经验的完美运用，做出经济、合理、安全的结构设计。
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[2]冯恩涛.浅谈建筑结构中的概念设计[J].中国科技信息,2010.
[3]苗寅,赵伯霖.有关概念设计在建筑结构设计中的具体应用初探[J].河南科技,2015.
论文作者:邹莉,魏丽
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第11期
论文发表时间:2017/10/10
标签：结构论文; 概念论文; 荷载论文; 建筑论文; 结构设计论文; 建筑结构论文; 刚度论文; 《建筑学研究前沿》2017年第11期论文;