对建筑结构设计中的概念设计探讨

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  随着社会经济的发展和人们生活水平的提高,对建筑结构设计也提出了更高的要求。安全、适用、可靠、经济是建筑结构设计当务之急。这则需要工程界和教育界的共同努力,而推广概念设计思想是一种有效的办法。本文就建筑结构设计的概念设计定义、应用研究及发展进行了分析。
  一概念设计的定义
  结构设计分为理论设计和概念设计。理论设计是结构工程师在对结构进行计算模型的假设及受力状态假定的前提下,根据计算理论和规范对结构进行计算分析和设计;概念设计是指不经数值计算,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。
  二概念设计的应用与研究
  ⑴概念设计来完善计算理论的局限性。现在结构计算理论存在一些缺陷或不可计算性,按照现行的设计理论得到的结果只存在控制解,不存在精确的解。我们非常清楚知道结构计算分析一般分三步来进行的:①按照结构布置确定荷载;②选择合理的结构体系,确定计算模型,进行构件内力计算与组合;③选择控制截面,进行截面设计,验算构件、结构的强度、刚度、稳定性。
  ⑵辅助设计软件的应用。许多设计人员完全依赖计算程序的分析,而把结构设计的基本理论与概念设计的相关内容全部抛在一边。主要的原因是我国的大规模的基本建设和大量高层建筑的起步始于上个世纪八十年代中后期,当时,计算机技术已步入成熟期,我国的结构设计工程师还未亲身体验到结构分析尤其是对高层结构计算分析的极其繁重性,就不知不觉的从一次技术革新中解放出来,使我国的结构工程师们缺少必要的警觉,对采用人工计算和运用概念处理复杂的结构问题未给予足够的重视,就把计算分析的“控制解”当成了“精确解”。
  ⑶结构方案设计阶段要更注重概念设计。凡是概念设计做得好的工程师,才能创造出富有创新及功能合理、造价低的优秀作品。在这个设计阶段是不能依靠计算机来完成的,只能依靠结构工程师掌握的概念理论去加以灵活运用来实现的。
  三结构概念设计的方法研究
  ⑴实际全面的方法。在结构设计前,要对当地的实际情况进行全面的了解和分析,对所取用的设计条件必须符合当地实情,设计方案充分满足未来使用的实际需要。例如:认真考虑当地的气象条件、水文条件、地质条件;认真考察当地的民风、民俗、文化背景、已建的典型建筑;认真调查当地的资源、环保情况,体现就地取材,设备供应充足,施工技术可能等。更为重要的是在结构设计时,应掌握全面构思的原则。首先,把考虑到建筑、结构、施工三个方面统一起来,把建筑的功能、技术、经济统一起来考虑,处理好整体与局部的关系。一般应先从整体人手,确定建筑物场地条件,提出主体结构系和基础选型等,进而考虑一些主要构件类型和连接關系。再将主要构件整合起来,从结构的使用性、安全性、耐久性、整体稳定性来加以修正。在上述三维构思的基础上进行二维构思阶段,主要处理好竖向体系和水平体系的选择及它们间的双边关系。在二维的基础上来构思一维的施工图。这里要解决的问题既有各自的相对的独立性,又有它们之间的关联互相照应性。在概念设计时,更加注重各方面功能的协调,主要解决好建筑、结构、设备选用、环境的协阋。建筑与结构功能的协调就必须考虑到建筑的使用与结构的布置相结合,建筑的分区与结构的分段相一致;结构与设备相协调方面,必须考虑到设备系统的布置和结构的布局相对应,设备线路和结构构件相通,设备构造和结构构造相配等;结构与施工相互协调,结构构件及局部的构造应与施工的可能性及便利性结合,考虑构件受力元素和受力状态与施工过程中的做法相一致。
  ⑵空间工作的方法。进行结构设计应充分考虑建筑各结构部分的空问作用,实际建筑的各部分受力本身就是空间的作用,只是为了计算和分析的方便人为地把建筑物分成了平面来分析,在分析的时候作了一些假定和简化。这就要求在进行结构分析要有意识地利用一些空间的概念来考虑问题,就可以增大建筑结构的刚度,受力效能就会优越起来。在结构概念设计中一定要紧紧抓住刚度这条主线不放,就可以达到保证安全、经济可靠的理想境界。如:在砌体结构设计中,设置钢筋混凝土圈梁和构造柱,主要是加强结构构件的平面外的刚度;对一般的多高层建筑,随着建筑高度的不断地增加或抗风抗震级别的提高,结构体系由纯框架结构逐步演变为框架一剪力墙、剪力墙、筒体一框架、筒中简体系。这说明结构的整体刚度要求越来越高,结构的空间工作效能要求越来越高。“建筑抗震设计规范”、。高层建筑混凝土结构技术规程”规定了各种结构体系的适用范围和适宜高度充分体现结构的空间工作效能。结构设计必须考虑结构体系空间的相互作用增加建筑物的刚度,提高建筑物的整体工作效能。
  ⑶减轻结构自重的方法。减轻建筑物自重是结构设计人员永远追求的目标,也是结构概念设计的一条重要原则。减轻结构自重不仅是降低了竖向荷载,同时水平地震作用也成比例地减少,极大减轻了震害。对降低造价,加快施工速度,节约资源都有明显的改善。减轻结构自重应充分考虑采用高强材料、新型材料,如采用高强混凝土、高强钢筋、轻集料混凝土、合金材料等;考虑合理的结构布置,如选择合理柱网、减小外墙尺寸等;选择优越的结构体系和高效能的结构型式,如采用网架网壳体系、空间桁架、预应力结构等减少构件的截面。
  ⑷受力合理、协同工作、变形统一的方法。受力合理就是要求结构构件受力均匀、传力简捷、明确,避免不明确的受力状态。从变形的角度来看,可利用结构的对称性、刚度的相对性、变形连续和协同性。结构的协同工作主要表现在:基础与上部结构变形的协调性,将其视为整体来分析,如在基础设计时应实现上部结构、基础、地基共同工作,利用等带刚度法等考虑上部结构对基础的影响;在多高层尽可能避免短柱的形成,其主要目的是使同层各柱在相同的水平位移时,能同时达到最大承载力;高层角柱沿全高箍筋加密或采用巨型钢管柱等达到增强角柱的强度和变形能力,使结构中各构件协同工作,变形统一。
  四概念设计素养的形成
   ⑴在实践中养成精益求精的作风,从纵向思维转变为兼顾横向思维(建筑、结构、施工、设备等)。⑵重视规范,更应该重视实践。工程经验的积累,吸收他人的典型设计经验,多观察实际工程。不仅能够“解决问题”,还要善于“提出问题”,敢于否定已形成的初步设想,要多中选优。⑶追求“相对”,反对“绝对”。在比较中相对选择“好”、“快”、“省”的方案。⑷从注重理论分析向全面、整体构思转变。不仅要考虑结构本身,还要考虑影响建筑的各个方面。如:考虑人、财、物、地理环境;不仅要考虑空间问题,还要重视时间问题。⑸要善于创新,从标准、定型转变为改革、更新、创造。要理解结构规范的一些原始精神,要勇于探索,做到构思有新意,做法有创新,尽可能采用新技术,为新的实践提供新思路。
  五结构概念设计的发展
  概念设计的思想被越来越多的结构工程师所接受,并将在结构设计中发挥越来越大的作用。然而现在的高校教学中,往往只重视单独构件和孤立的分体系的力学概念讲解。尤其在专业课教学中,单项计算练习居多,综合练习偏少,并着重体现在考题中,使得相当部分学生养成只知套用公式解题的习惯。而且近年来强调计算机应用教育,比如,毕业设计用结构设计软件计算、出图。但由于计算机设计过程的屏蔽,手算过程训练程度的削弱,造成学生产生一定依赖性,结果综合运用能力下降,整体结构体系概念模糊。这些对于培养具有创造力、未来的工程师是相当不利的。
  六结语
  打破建筑结构设计中的墨守成规,充分发挥结构工程师的创新能力是相当必要的。结构工程师,要善于运用概念设计的基本原理,注重全面整体设计的构思、不断在实践中总结经验。在建筑结构设计中还应充分考虑地震的偶合作用,坚持“小震不坏,大震不倒”。
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