探讨建筑结构概念设计分析

来源 :城市建设理论研究 | 被引量 : 0次 | 上传用户:qq20881010
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  随着国民经济的发展,建筑行业的掘起,住宅工程质量的优劣直接关系到人们的生命安全。就结构设计而言就是用结构语言表达建筑师及要表达的东西。本文就结构设计现状及计算设计关系等问题进行了探讨。
  一结构设计现状
   (1)我国现行的传统设计体制造成结构工程与建筑专业之间一直存在着技术共识上的制约,特别是在建筑设计的方案阶段,往往都毋需结构工程师的参与。传统的专业教育致使结构工程师首先从细节去考虑问题,而对总体方案缺乏关心。习惯性的传统设计往往会给结构工程师造成一种错觉,以为结构设计就是“规范+计算”。等待建筑师给出一个空间的形成方案,然后再去拼凑、组合,看到需要什么就往上加什么。另外一种更为错误的观点就是将原本已错误理解为“规范+计算”的结构设计更简化成了“规范+一体化计算机结构设计程序”。只要在设规范、手册、计算机及其相应的一体化设计程序都具备的情况下。根据建筑师给出的方案,然后再设法去搭积木完成它就行了,自己充当的是一个东拼西凑的计算机程序的操作者和规范条文限值的查对人。
  (2)目前的设计行业市场竞争日趋激烈。在一些设计院,尤其是规模比较小的设计院,为了留住客户,不得不满足甲方的各种要求,甲方有的时候成了设计师,在甲方面前设计者甚至不敢说半个不字,设计师越来越没有地位,而越没有地位,就越没有动力去研究去思考,也有很多设计师不想随波逐流,但是现实有时候很无奈,这是一种恶性的循环。
  (3)最近在网络论坛上看到一个有趣的发帖:“两个凡是”和“双规”。“凡是规范作出的指示,我们都坚决维护;凡是规范规定的条文,我们都始终不渝地遵循。”“规范规定的必须坚决执行!规范没有规定的绝不可行!”“两个凡是”和“双规”元不体现了我国当前的结构设计现状。这既不足以维护规范的权威,更不可能使设计师从条条框框的束缚下解脱出来,只能导致从一个极端走向另一个极端。规范的精神:“技术先进、经济合理、安全适用、确保质量”,规范的内容包含了对前人经验教训的总结,是后人进行设计的指南。它永远是反映大多数结构的基本规律的,也是落后于现实的工程实践的。高端的愿望是好的,到了施工图设计、审查,执行的时候,由于不同的设计师或图纸审查人员对规范的理解不同,往往就会变成一个极端。看似执行,相反没有执行规范的精神。我国规范的精神要义,具有相当水准。如果将规范的每一个条文神化,即不符合自然规律,也不是客观的办事作风。所谓“尽信规,不如无规”。著名的美籍华裔结构大师林同炎曾经说过“结构工程师应该不断探求应用自然法则,而不是盲从现行规范”。所以,作为结构工程师不应盲目地照搬规范,应该把规范作为一种指南,在充分理解规范中条文的确切含义的基础上,灵活运用,不可拘泥于条文框框,而应掌握条文的实质内涵,并在实际工程中作出正确的判断与选择。这就要求结构工程师对整体结构体系及其基本子体系之间的力学关系有透彻的认识,把概念设计应用到设计过程中去。准确把握概念是纲,规范是网,纲举目张。结构师要做举纲张网的渔夫,而不应是在网内扑腾的活鱼。
  二概念设计及计算设计的关系
  所谓的概念设计是指不经数值计算,尤其在一些难以作出精确数值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。运用概念性近似估算方法。可以在建筑设计的方案阶段迅速、有效地对结构体系进行构思、比较与选择,易于手算。所得方案往往概念清晰、定性正确,避免后期设计阶段一些不必要的繁琐运算,具有较好的经济可靠性能。同时,也是判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。
  随着计算机的诞生,大量的结构设计软件如雨后春笋般陆续出现,目前应用的分析软件多数为有限元程序。有限元法是在20世纪50年代起源于飞机结构的矩阵分析,其基本思想是用有限个离散单元的集合体代替原连续体,采用能量原理研究单元及其离散集合体的平衡,以计算机为工具进行结构数值分析。它避免了经典弹性力学获得连续解的困难,使大型、复杂结构的计算很容易地在计算机上完成,应用十分广泛。有限元在工程上的应用造就了无数经典,也推动了土木工程的发展典型的例子就是大跨度密索体系斜拉桥的出现和发展。例如:“鸟巢”、 “阿联酋迪拜塔”……等一系列复杂建筑的成功建成无不体现了有限元软件的超强计算分析能力。
  不过令人担忧的现象是,目前设计行业里盲目推崇有限元者越来越多,不论老少皆花费大量精力去学习有限元,学完之后,摆出大有登天入地之势,自以为掌握了有限元就无所不能。其实,如果不从结构的基本概念入手而直接进入有限元,老人学习可谓百岁老翁攀枯枝,小孩子学习可曰井上辘轳卧婴儿。
  现今年轻的设计人员往往过于依赖于结构有限元程序的运用,而对结构整体性的力学概念掌握不深,不可谓不是设计的误区。有限元计算程序在国内应该说大部分人不会用。就连最普及的PKPM软件很多人也仅限于操作,所以不滥用都奇怪了。但在竞争异常激烈的环境下,个人和单位要想很好地生存下来,离开有限元程序也是不现实的,靠概念的把握以及手算的方式已经不能跟上生产的要求了。事物总是一分为二的,还是辩证的看待这个问题概念设计和有限元计算分析同样重要。前者是对结构的一种定性分析(如结构的传力路径,结构体系的特点等),需要很强的理论基础,后者是定量分析(如结构的内力、配筋计算等),二者相结合才是最好的。林同炎老先生的《结构概念和体系》一书也是强调概念和计算(简要计算)要结合起来。概念设计很重要,可以有效地指导我们进行创新,从总体上把握结构,但是要经济合理的配出钢筋,做出施工图来,恐怕概念设计是无法完成的。而且软件这个东西,是基于设计理论做出来的工具,我们设计不好不能说是工具的错,只能说我们设计者没有充分地了解软件里面的黑匣子而已。是你驾驭工具还是工具驾驭你取决于人而不是这个工
  具。过分地强调概念为先不一定正确,大道至简,在通往大道的小径上,马车,汽车,飞机……工具会的越多越好,愚公的方法一步步挪已不适应现代社会。所以,个人认为概念和软件计算是二十一世纪设计师们的左右手,两者皆不可偏废。掌握软件分析对结构工程师来讲是必要的,因为现在的建筑物越来越复杂,但是结构的概念绝对不能错,而且还得运用结构概念来”、判断电脑分析结构的正确与否,这才是最关键的。計算软件不可少,概念设计同样不能少。掌握有限元基本原理,不断锻炼对结果分析和解释的能力,是结构师必要的能力。
  三结语
  在计算机诞生以及大量的结构程序研发成功以后,结构工程师的地位没有出现什么变化。极端地借助于便利的计算机,结果设计会变成新手的集合体,恰恰是概念设计架起了专业之间的桥梁,使建筑师与结构师可以在共同的平台上对话。概念设计的提出本质上是对计算设计一统天下局面的否定,从而改变了传统的完全依赖计算结果进行设计的单一设计方法,是设计方法的一次质的飞跃,不仅弥补了计算分析的一些不足,使计算分析的结果尽可能地反映结构的实际受力状态。
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