结构概念设计的重要性

从汶川大地震学校建筑大面积粉碎性瞬间倒塌的现象看，中国的（应该说是汶川地震灾区的某些）结构设计还处于非常落后、非常粗糙的阶段。有的设计非常轻率，也没经过审图就用于施工，有的边设计边施工，有的即使是经过审图程序，也是流于形式。甚至于有的根本就没有设计，抄袭复制其它工程的图纸，随意增加建筑层数，随意地减少构件截面和减少配筋，以至于出现如此灾难性后果。既然中国经历过唐山大地震，既然中国是个灾害频发的国家，为什么还不吸取血的教训？为什么中国的建筑还是如此劣质，如此不堪一击。在地震还不能正确预报的情况下，在没有抗震能力的房屋中居住工作生活学习是一种怎样的心情和恐惧，还有什么幸福感可言？在片面的经济利益驱动下，人们可以不择手段，对人的生命缺少应有的敬畏。毫不夸张地说中国的豆腐渣工程绝不是个例，而是普遍现象。当然造成这种现象绝不只是设计有问题，而是中国工程投资监理施工等参与各方均难逃其咎，特别是不可克服的根深蒂固的腐败性僵化体制机制是其总根源。如能深刻认识中国的特殊“国情”，在设计时考虑施工的偷工减料和缺乏监管等外在因素和概率，增大结构安全储备也能预防建筑在地震中坍塌。但又由于投资规模、建筑造价和限额设计等经济性指标紧箍咒的制约又不能任意提高结构安全度，这确实是两难处境，所以结构设计人员也是个高风险职业，它不仅仅是纯技术性工作。为了对人民生命财产的高度负责，结构设计决不能掉以轻心。如能利用先进的结构理论、结构概念也可使结构设计更趋合理，也可以减少或避免悲剧的发生。

结构设计前要选择合适的结构方案，强调概念设计。在设计中处处都要用清晰的结构概念处理实际工作中的结构问题，对结构所受的各种作用的特点、结构计算、不同结构在各种作用下的反应、变形能力和破坏机制以及各种构造措施等问题进行概念分析和概念判断。美籍华人林同炎教授所著«结构概念与体系»一书，主要从结构整体出发分析各结构分体系的结构概念，揭示了结构体系的规律，更强调了概念设计的重要性。

结构刚度并非是越大越好。在结构设计中，恰如其分确定建筑物刚度是非常重要的。应根据具体情况和平衡原则进行必要的刚度调整和分配。

刚度大，结构自振周期短，地震作用大，自重大，材料又浪费。

刚度小，结构过柔，产生过大变形，影响强度和稳定性，结构自振周期大。

同时结构刚度要满足舒适度的要求。

要实现理想的建筑结构的整体破坏机制，避免楼层破坏机制。纯框架结构保证底层柱的抗弯和抗剪强度，提高可靠度，以推迟底层柱朔性铰的出现和提高底层柱的延性。剪力墙结构的是保证下部加强部位竖向构件的抗弯和抗剪强度，提高可靠度。框架-剪力墙结构的朔化历程是首先在联肢梁中出现朔性铰，而后在剪力墙的底部出现朔性铰，再后发展才是在框架梁上，最后在底层柱底部产生朔性铰。

此为必须认真考虑的原则，设计时一定要避免由于设计考虑不周或施工的局部缺陷造成在水平作用下部分主要承重结构构件提前破坏和整幢建筑物连续破坏。或者由于局部破坏严重，使建筑物过早地处于不能正常使用的状况。故在建筑物的整体设计时要避免薄弱环节，尽量做到等强度。框架的角柱给予加强，防止角柱先于其他结构的破坏，引起结构其它部位的连续破坏。

结构延性用延性系数表示，它表示的是结构极限变形（位移，转角，曲率）与屈服变形的比值，也可以分别用位移延性系数，转角延性系数等来表示。该比值越大，结构的延性越好。混凝土是脆性材料，其延性系数只有1-2，钢筋有很好的延性材料，级别越高，其延性稍差。钢筋混凝土的延性主要是靠钢筋的延性来实现的。整个结构的各个构件均具有较好的延性，那么整个结构本身也会有较好的延性。

强柱弱梁是保证在强震作用下，框架的朔性铰首先在梁上发生而不在柱上发生，避免框架结构出现楼层破坏机制。在强震作用下，框架结构能采用朔性变形，从而大量的消耗地震能量，减小地震作用，同时还能保证框架结构具有承受竖向荷载的能力。同时还要遵循强剪弱弯、强节点强构造的设计原则。

地震是一非平稳的随机复杂过程，对建筑的作用是综合的，不是单一的是几个分量（水平、垂直、扭转、摆动、共振）的同时作用。要做到小震不坏中震可修大震不到。在地震作用下，建筑结构虽然产生较大变形和破坏，但不致于倒塌。即使倒塌也是塑性破坏，有足够逃生时间，避免发生突然性脆性破坏。即使脆性破坏也不是粉碎性倒塌而能形成一些交错状的生存空间。应设置多道防线，选择有利场地。

两者都能对结构设计其控制作用，但两者有本质的差别，风作用是外界施加在建筑物上的作用；而地震作用是有地基土运动引起建筑结构产生变形的动态作用。

温度对建筑结构的作用主要是有温度差造成的。温度差可分为季节性温度差，室内外温度差和日照温度差，另外还有由于设备造成的温度差，火灾造成的温度差。温度对建筑结构的具有不可忽视的影响，主要是由于温度变化产生收缩应力导致混凝土的裂缝。在柱、墙、梁、板必要的部位适当增加构造配筋，减少钢筋混凝土的收缩变形和徐变变形，提高构件的承载能力，减少和控制混凝土裂缝的出现和发展。

楼屋盖（指楼屋面板和梁）是多层和高层建筑结构中的重要组成部分，它是传递水平作用的主要构件，又是协调个竖向构件之间受力情况。一方面楼屋盖的刚度要高，这对抗风有利，是建筑物有个较好的整体性；另一方面，又不能太刚，过分地增加了梁的刚度，会造成强梁若柱的局面，在强震下会使建筑结构产生楼层破坏机制。尽量减小楼屋盖的总厚度，采用扁梁结构。增大楼盖梁跨度和开间，地震区屋楼盖应尽量采用现浇结构，而且现浇结构整体性好。

可供选择的结构体系有：框架结构；框架－剪力墙结构；剪力墙结构；框支剪力墙结构；筒体结构；悬挂结构和巨型结构，目前采用最多的是前五种结构。设计中到底采用何种结构，要经过方案比较确定，这主要看建建筑物的高度，用途，施工，条件和经济比较等。

一个好的建筑设计方案首先包含着结构受力合理，施工方便简单。在建筑体型构思，平面布置和竖向设计阶段，建筑和结构设计人员一定要密切配合，相互取长补短，既要充分考虑到建筑物使用合理，造型美观，又要考虑到结构受力明确，结构设计经济合理，有利于抵抗水平作用和方便施工等。建筑物的体型对建筑结构的受力和材料消耗又极其重要的作用。在建筑物竖向设计上，尤其是高层建筑，如能将顶部削成斜面，对抗风和抗震都有利的。为减轻结构自重，应优先采用轻质隔墙。当建筑物位于地震区时，其体型应尽量设计得简单和规则。设计中应优先考虑通过调整平面形状和尺寸达到尽量采用不设防震缝的方案。当建筑物平面性状不规则时，有较大的错层，或者各部分结构的刚度，荷载相差悬殊，应设置防震缝，使不规则的平面划分为独立的规则的单元建筑物。防震缝应全高设置，其两侧应布置双墙或双柱，不宜作单墙或单柱式滑动支承缝。防震缝要和温度缝统一安排，基础可不设防震缝。