概念设计在建筑结构设计中的应用

杨镇峰

1 概念设计的定义及其在建筑结构设计中的重要意义

随着社会经济的发展和人们生活水平的提高,以及城市发展的需要,现代建筑向大型化、复杂化发展。工程设计时对结构分析计算软件的依赖性越来越强。如何保证计算模型的合理性及计算结果的可靠性,已经成为结构工程师们面对的首要问题。解决此类问题的关键就是概念设计。所谓“概念”指的是“反映对象的本质属性的思维方式”是“人们通过实践,从对象的诸多属性中,抽出其特有属性概括而成”的。在建筑结构设计中的设计概念指的是建筑结构各种情况下工作的一般规律(主要是建筑、结构专业的基本理论)。设计人员从结构的选型、布置、分析、计算、截面设计到细部处理的整个设计过程都时刻以概念设计贯穿始终,对于所遇到的问题,结合实践经验,综合考虑各方面因素,确定合理的分析、处理的方法。

概念设计所包括的内容十分广泛,只要是需要设计人员从主观上进行分析、判断,做出选择的地方,就存在概念设计。概念设计运用的好,就能使结构尽量满足外部条件,并以最直接的方式将荷载传递到基础、地基中,创造更为安全、舒适的工作生活环境,并节约材料和资金。由此可见,在建筑结构设计中,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。

2 概念设计的原则及应用

2.1 协同工作原则

协同工作指的是结构各个构件之间的相互协调,共同有效承担自重及外部荷载。在结构选型中,充分重视协同工作的设计概念,特别是对于结构抗震的整体性考虑,协同工作尤为重要。众所周知,地震是一种复杂的自然现象,对于建筑物的地震破坏机理还不是很清楚,对于地震的破坏现象还停留在感性认识阶段,建筑物抗震设计的原理只是一种近似方法,所以在结构抗震设计时,协同工作是首位的。例如:抗震设计的框架结构,不应采用部分由砌体墙承重的混合形式。由于框架结构和砌体结构是两种截然不同的结构体系,两种结构体系所采用的承重材料的性质也完全不同(前者采用的是钢筋混凝土,可以认为是延性材料;后者采用的是砖或砌块,是脆性材料),其侧向刚度、变相能力等,相差亦很大,在地震作用下不能协同工作。震害表明,如果将它们在同一建筑物中混合使用,而不以防震缝分开,地震发生时,抗侧刚度远大于框架的砌体墙会首先遭到破坏,导致框架内力急剧增加,然后导致框架破坏甚至倒塌。

因此,在建筑结构概念设计的过程中,必须注重协同工作原则,使结构的侧向刚度均匀变化,避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变,保证各构件间的协同工作,从而保障结构的抗震性能。

2.2 务实性原则

概念设计的务实原则是指,概念是实际的,可行的,有科学根据的,我们利用概念进行建筑结构设计,必须能够辨别概念的真伪,能够将合适的概念用到适合的设计中去。例如:前面所提到的框架结构中不应采用部分由砌体墙承重的混合形式这一例子,框架中部分采用砌体墙承重,表面看上去框架结构属于柔性结构,砌体结构属于刚性结构,合用在一起,正好符合“刚柔相济”的思想,其实不然。在1976年,唐山大地震波及到天津市,该市有许多的办公楼和多层厂房采用砌体墙和框架结构混合承重,地震时承重砌体墙出现严重裂缝,局部屋顶、电梯间因采用砌体承重墙,不仅严重开裂,有的甚至严重破坏被甩出。

然而,框架结构与剪力墙结构的结合却与它们截然不同。因为它们的结合真正体现了“刚柔相济”的思想,是实际的,可行的。

2.3 经济性原则

运用概念设计在保证结构可靠性的前提下,要力求经济节约,将经济性原则贯穿概念设计的始终。

3 结语

在计算机技术日益发达的今天,我们更应该加强概念设计,要具备扎实的理论功底,不断丰富自己的实践经验,充分发挥概念设计的优势,更有效利用计算机辅助设计软件做出优秀的工程。

[1] 张雷阳.概念设计之中的协同工作原则[J].科技信息,2007(32):24-25.