概念设计在建筑结构设计中的应用探讨论文

摘要:所谓的概念设计，一般指不经数值计算，尤其在一些难以作出精确力学分析或在规范中难以规定的问题中，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。概念设计的思想具有很多优点,拓宽了结构设计的思路。文章建筑设计论文对概念设计在设计的重要性、设计应遵循的基本规律以及设计思想的应用等方面作了相关探讨。
　　关键词:概念设计；结构设计；应用　　　
　　所谓的概念设计一般指不经数值计算，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。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。当今建筑设计发展提倡采用概念设计思想来促进结构工程师的创造性,推动结构设计的合理性。
一、概念设计的优点
　　著名的美国工程院院士林同炎教授在《结构概念和体系》一书中为结构工程师提供了广泛而又有独特见解的结构概念设计基础知识和设计实例。该书着重介绍用整体概念来规划结果总体方案的方法，以及结构总体系和个分体系尖的相互力学关系和简化近似设计方法。为结构工程师和建筑师在设计中创造性地相互配合，设计出令人满意的建筑奠定基础。概念设计能够充分地展现结构工程师的先进的设计思想和理念。结构项目工程师的工作重点就是在特定的建筑空间内用整体概念来制定结构总体方案,不仅能精确地计算和分析一个给定的分体系和构件,而且要有意识地利用总结构体系与各基本分体系之间的力学关系。国际上公认的优秀结构设计,都是由一种或几种基本分体系有机地组合而成。因此,要求结构工程师具有不懈追求完美的设计思想,同时要求具备丰富、踏实的整体结构概念和基本分体系的相互比较的能力。
　　概念设计可以借助概念性简化计算来完成,虽然存在误差,但它的概念清楚,定性准确,能很快选择和确定最佳方案。同时也是施工图设计阶段判断计算机计算结果可靠与否的主要依据。
　　概念设计可以预防或减少不均匀沉降的危害,可以从建筑措施、结构措施、地基和基础方面加以控制。诸如:避免采用建筑平面形状复杂、阴角多的平面布置；避免立面形体变化过大;将体形复杂、荷载和高低差异大的建筑物分成若干单元；加强上部结构和基础的刚度;同一建筑物尽量采用同一类型基础并埋置于同一土层中等一系列措施。对层建筑而言,从经济的角度考虑,一般不愿意采用长桩的方案,但当地软土层厚度较大时,一般都需要经过地基处理的方式来达到控制建筑物沉降的目的。常用的软土地基处理方式类型较多,但在选择地基处理方案前,必须认真研究上部结构和地基两方面的特点及环境情况,并根据工程设计要求,确定地基处理范围和处理后要求达到的技术指标,以及各种处理方面的适用性,同时综合考虑处理方案的成熟程度及施工单位的经验,进行多方案比较,最终选定安全实用、经济合理的处理方案。地基经处理后,还必须满足规范所规定的强度和变形要求。
　　因此,概念设计在建筑结构设计中具有计算机无法比拟的功能,概念设计影响整个建筑构造的可行性,直接影响建筑物的构造布局的合理性。

　　二、概念设计应遵循的基本规律
　　1.确定合适的设计方案。设计方案的确定应根据工程地质条件,上部结构类型及荷载分布,相邻建筑物影响及施工条件等多种因素进行综合分析,提出经济合理的基础方案。设计时要充分挖掘地基d潜力,同时进行地基变形验算。根据地质情况,写出详尽的地质勘察报告,没有地址勘察报告的小建筑要进行现场勘察和比照附近建筑的地质资料。
　　2.结构方案合理化。经济合理的结构方案才是一个成功的设计方案,所以要选择一个可行性强的结构形式和结构体系。结构体系力求做到受力明确,传力简捷,同一结构单元宜采用相同结构体系,地震区应按照平面和竖向规则进行设计。在对工程的设计要求、地理环境、材料供应、施工条件等情况进行综合分析的基础上,还要与建筑、水、暖、电等专业充分协商,进行结构选型,确定合理结构方案。
　　3.使用合适的计算简图。计算简图是结构计算中必须应用的,如果选用不当即导致结构安全的事故发生,因此选择恰当的计算简图是保证结构安全的重要条件。计算简图应有相应的构造措施来保证,其误差应严格限定在设计允许范围之内。
　　4.正确分析计算结果。在现代建筑结构设计中计算机技术应用广泛,由于应用软件种类繁多,不同软件会出现不同的计算结果。结构设计工程师在对程序的适用范围、技术条件等全面了解的情况下,进行计算机辅助设计时,应认真分析电算结果,慎重校核,做出合理判断。设计师的知识、经验是判断分析结果不可缺少的。

　　三、概念设计思想的实际应用及发展中遇到的问题
　　概念设计的思想,拓宽了结构设计的思路。传统的结构计算理论的研究和结构设计似乎只关注如何提高结构抗力R,因此在施工中出现混凝土的等级越用越高,配筋量随之增大,工程造价必然升高。结构工程师很注意限制最大配筋率,却忽视了肥梁、胖柱、深基础。比如在抗震设计中,常规做法是根据原先的尺寸、砼等级算出结构的刚度,再由结构刚度算出地震力,进而确定配筋。众所周知,结构刚度越大,地震作用效应越大,配筋越多,刚度越大,地震力就越强。这种做法是通过增加钢筋,增加了结构的刚度,从而增强结构抵抗地震作用的能力。我们不否认前一种做法,但是我们可以考虑换一种思路,通过降低作用效应达到增强地震效应的目的。目前在抗震设计中,隔震消能的研究是一个很好的例子。隔震消能的作法是在基础与主体之间设柔性隔震层;加设消能支撑(类似于阻尼器的装置);有的在建筑物顶部装一个“反摆”,地震时它的位移方向与建筑物顶部的位移相反,从而对建筑物的振动加大阻尼作用,降低加速度,减少建筑物的位移,来降低地震作用效应。合理设计可降低地震作用效应达50%以上,同时提高建筑物的安全性。
　　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。发展先进计算理论，加强计算机的应用，加快新型高强、轻质、环保建材的研究与应用，使建筑结构设计更加安全、适用、可靠、经济是当务之急。其中，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。因为他们是结构设计革命的推动者和执行者。这则需要工程界和教育界进行共同的努力。推广概念设计思想是一种有效的办法。
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