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摘要:概念设计是一种实现结构设计的多样化要求的手段,是建筑设计师基于设计经验、设计理论以及将要建设的项目工程的特点,对建筑结构的抗震结构以及总体布局进行规划,并在建筑工程结构设计的初期对设计方案进行概念性的分析估算与比对。这种设计方法具有定性准确、概念明确、便捷的优势,从而可以在实际应用中取得良好的经济效益。
关键词:概念设计;建筑结构设计;应用
1 概念设计的重要性
随着计算机技术和计算方法的发展,计算机及其结构程序在结构工程中得到大量的应用,结构设计人员过分依赖设计软件的现象日益普遍,在设计中常常陷入只凭计算的误区,而没有认识到高质量的工程只能是渊博的工程理论,大量经验以及艰辛脑力劳动相结合的产物。概念设计是一种设计的思路,是定性的设计,一般不经数值计算,尤其在一些难以作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。
强调概念设计的重要,主要原因有:首先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,而截面设计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无法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,因此,结构工程师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。其次还在于在建筑方案设计阶段,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,选择效果好、造价低的结构方案,为此,需要工程师不断地丰富自己的结构概念,深入、深刻了解各类结构的性能,并能有意识地、灵活地运用它们。
2 建筑结构概念设计的原则
概念设计可充分体现结构工程师的设计思想,在进行结构概念设计时,工程师应遵循以下几个原则。
2.1优化选型原则结构
概念设计的关键在于确定主体结构体系及其联系,主要需考虑两点,通过比较优化选择结构体系和结构布置。
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对于结构体系,应掌握各类基本构件的特征,结合实际环境条件、使用、建筑和荷载情况,选择适用的基本构件,确定构间间的联系,形成基本结构单元,确定各自支承做法,然后采取线型、平面、叠合、交叉等集合形式,集合基本结构单元,形成主要结构体系。
对于结构布置,应在满足功能要求和建筑意向的基础上,选择最优的楼屋盖水平系统、柱墙竖向支承系统以及基础系统。应充分考虑各种布置的承载能力、竖向和侧向变形、支承做法、地质条件等,比较各自结构问题的合理性和优越性,确保平立面的规则和对称,实现良好的整体性,竖向剖面应在规整的基础上,保证侧向刚度的均匀变化,适宜自下而上递减,应避免突变。
2.2空间作用原则
应结合各建筑部分结构的空间作用,还原本来的结构面貌。建议有意识地利用构件间的空间关系,实现建筑结构的更大刚度,同时减小内力,实现良好的受力效能好。
2.3合理受力原则
结构概念设计中应充分利用力学原理处理结构构件的一般受力分析问题。对于受力和变形,均匀受力比集中受力好,空间作用比平面作用好,多跨连续比单跨简支好,刚性连接比铰接好,传力简捷比传力曲折好,超静定的受力体系比静定的受力体系好,应尽量避免不明确的受力状态,应充分利用结构的对称性、刚度的相对性、变形的连续性和协调性,综合分析各部分构件的直接受力状态和整体结构的宏观受力状态,关注主要的受力状况及其变形,忽略次要的受力状况及其变形。
3 建筑结构设计中概念设计的应用
3.1基础概念设计
基础设计中的概念设计应在对建筑物基础的地质环境进行充分调研的基础上,根据建筑物的位置和结构形式对建筑物基础的类型进行合理选择,主要有桩基础、箱式基础和筏形基础等类型。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,则尽量采用桩基础。箱形基础因为其拥有很好的整体刚度,能将上部结构的荷载均匀地传递到建筑基础上,在对建筑上部结构进行有效嵌固的同时,能够与周围土体协同工作有效抑制地基的不规则沉降,所以在高层建筑中的应用比较广泛。
3.2结构的平面布置
在目前的建筑概念设计中,尤其是高层建筑,需重点考虑在水平荷载作用下产生的结构侧移,构建完善的抗侧力结构体系,如何在满足相关要求的前提下选择更好的抗侧力体系已经成为一个优秀建筑结构设计人员的必备素质。为降低风压等因素的影响,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。对于任何平面形式的高层建筑来说,其抗侧力结构的布置原则都是尽量使平面的质量中心接近于抗侧力结构的刚度中心,没有好的流体外形,就会对建筑产生长时间的水平应力。在地震作用下,建筑平面要力求简单规则,简洁、规整、均匀对称的平面设计对于合理布置抗侧力结构是有利的。但是在实际中,质量的分布不可能做到绝对的均匀,不可避免地会产生扭转效应,因此设计人员除了考虑平面形状对称外,还要注意通过抗侧力构件的布置来提高结构的抗扭转能力。
3.3结构的竖向布置
良好的竖向布置不仅能够满足建筑使用功能的需求,更重要的还能满足结构的安全和传力直接、明确、合理的要求。在竖向传力体系设计设计中,首先要注意建筑不能超高,因为新的设计准则对建筑超高有了更严格的要求。其次,对高层建筑来说,必须保证相应的锚固深度,以更好的满足地下停车库和设备用房的建设需求,且能够在一定程度上降低建筑物的重心,可提高建筑抗震能力及抗倾覆能力。在竖向形体设计中,有以下几种形式可以选择:1)截锥形。该形体采用由下而上分段逐渐减小,呈现出阶梯状的体型。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。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,该形体主要包括退缩形体和削楔形体,前者具有截切式、收进式、台阶式等多种形式,后者则更有利于抗震与抗风,具有良好的稳定性和韧性。3)新月形。新月形房屋就像一个竖向的悬臂壳体一样,它的作用就像波形的屋面壳体能有效地抵抗重力荷载,重力荷载被科学的分布在柱、壳、框架等结构上,竖向的壳体合理的承受了建筑物的侧向荷载,能有效地抵抗对称作用与它的侧向力。
4 结语
传统建筑结构设计相对单调、缺乏活力,无法跟上全球经济发展的步伐,在信息化时代条件下设计人员又过度依赖计算机程序,概念设计的兴起恰好弥补了这两大问题。概念设计主张从整体到局部、局部到整体的视角来看待建筑结构设计,同时主张从用户角度出发,不仅能够帮助设计人员解决计算机程序操作的硬性错误,也能最大限度地满足用户需求。因此,愈来愈多的建筑结构设计人员对概念设计投以重视,概念设计也被引入到建筑结构设计的各个部分中去,包括结构设计的方案选择、设计的分析计算、抗震设计工作等方面,未来概念设计将建筑结构设计人员充分应用。
参考文献
[1] 宋立文.论述建筑结构设计中的概念设计[J].工程科技,2014
[2] 葛建英.当前建筑结构设计中概念设计的应用[J].价值工程,2014
论文作者:丁丽萍
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第24期
论文发表时间:2018/1/25
标签:结构论文; 概念论文; 建筑论文; 结构设计论文; 受力论文; 荷载论文; 体系论文; 《建筑学研究前沿》2017年第24期论文;