孫建文

(晉城市晉方圓建筑檢測有限公司，山西晉城 048000)

習(xí)慣的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)往往給結(jié)構(gòu)工程師造成一種錯(cuò)覺:認(rèn)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是“規(guī)范+計(jì)算”，或是“規(guī)范+一體化計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序”。其導(dǎo)致的結(jié)果必然是:1)依賴和盲從于規(guī)范，認(rèn)為規(guī)范就是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的全部法律依據(jù)，殊不知規(guī)范只是建筑物和構(gòu)筑物所需要的最低標(biāo)準(zhǔn)要求，而且是滯后的。2)盲目依賴和依靠一體化計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序，而對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序的基本理論假定、應(yīng)用范圍、限制條件等缺乏了解，對(duì)計(jì)算結(jié)果不能進(jìn)行正確的判斷、取舍。

如何走出傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的誤區(qū)。作為一名結(jié)構(gòu)工程師，在高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)本著積極、主動(dòng)的態(tài)度，自覺地完成高層建筑結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)，這是我們走出傳統(tǒng)設(shè)計(jì)誤區(qū)的關(guān)鍵。

那么，什么是高層建筑結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)。

高層建筑結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)就是在特定的空間形式、功能和地理環(huán)境的條件下，以結(jié)構(gòu)工程師自身確定的理想承載力、剛度和延性為主導(dǎo)目標(biāo)，用整體構(gòu)思來設(shè)計(jì)各部分有機(jī)相連的結(jié)構(gòu)總體系，并能有意識(shí)地利用和發(fā)揮結(jié)構(gòu)總體系和主要分體系，以及分體系與構(gòu)件之間的最佳受力特征與協(xié)調(diào)關(guān)系。

高層建筑結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)分為三個(gè)階段:第一階段，即建筑方案設(shè)計(jì)階段。結(jié)構(gòu)工程師以自身擁有的高層建筑結(jié)構(gòu)體系功能及其受力、變形特征的整體設(shè)計(jì)概念與判斷力去幫助建筑師開拓和實(shí)現(xiàn)業(yè)主夢寐以求的，或已初步構(gòu)思的空間形式及其使用、構(gòu)造與形象功能。并以此為統(tǒng)一目標(biāo)，與建筑師一起構(gòu)思總結(jié)構(gòu)體系，并能明確結(jié)構(gòu)總體系和主要分體系之間的最佳受力特征要求。第二階段，即初步設(shè)計(jì)階段。結(jié)構(gòu)工程師通過概念性近似計(jì)算能迅速、有效地對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行構(gòu)思、比較與選擇，這種近似的計(jì)算方法概念清楚，定性準(zhǔn)確，手算簡單快捷，能較快地對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行探索、優(yōu)化，乃至最后確定分體系及其構(gòu)件的基本尺寸，并確認(rèn)設(shè)計(jì)方案的可行性。第三階段，即施工圖設(shè)計(jì)階段。由初步設(shè)計(jì)階段可以得到結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型和所需輸入的原始數(shù)據(jù)，在施工圖設(shè)計(jì)階段，結(jié)構(gòu)工程師結(jié)合自身擁有的結(jié)構(gòu)概念、經(jīng)驗(yàn)和判斷力，對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)力分析輸出數(shù)據(jù)的可靠性與否進(jìn)行判斷。

作為一名結(jié)構(gòu)工程師，如何去把握，或者說有意識(shí)地去進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)。一句話，對(duì)應(yīng)于高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的三個(gè)階段，分別進(jìn)行概念設(shè)計(jì)。

首先，在建筑方案設(shè)計(jì)階段，要正確把握高層建筑結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)，必須堅(jiān)持結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沒有惟一解的設(shè)計(jì)理念，充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)工程師的創(chuàng)造力和創(chuàng)新能力，協(xié)助建筑師以達(dá)到令業(yè)主滿意的建筑。例如，美國芝加哥第一國家銀行大樓建設(shè)之初，銀行業(yè)主追求和向往能在他們銀行大樓的整個(gè)底部有一個(gè)4層～5層樓高的無柱大空間，以充分滿足他們銀行業(yè)務(wù)在使用功能和形象功能上的需要。在芝加哥第一國家銀行大樓方案設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)工程師和建筑師合作開拓了一種新的結(jié)構(gòu)形式，即將電梯井筒與設(shè)備井筒分別設(shè)置在建筑物的縱向兩側(cè)，作為巨型柱，并將第一道設(shè)備層設(shè)置在第6層，往上每隔18層再各自設(shè)置一道，作為承載力和剛度很大的巨型水平構(gòu)件，并與周邊的巨型柱有機(jī)地剛性連接在一起，從而構(gòu)成了一種巨型框架體系的結(jié)構(gòu)功能與受力特征，不但能有效地抵抗重力荷載和水平荷載，還在整個(gè)大樓底部5 110 m2的面積內(nèi)無一根柱子，實(shí)現(xiàn)了業(yè)主夢寐以求的大空間。同時(shí)，在建筑方案設(shè)計(jì)階段，結(jié)構(gòu)工程師所構(gòu)思的結(jié)構(gòu)總體系應(yīng)有一個(gè)多道防線、剛?cè)峤Y(jié)合的理想剛度目標(biāo)。即具有一定大的剛度和承載力抵御風(fēng)荷載和規(guī)范設(shè)防烈度水準(zhǔn)的地震作用，以及在第一道防線的有意識(shí)屈服后，在結(jié)構(gòu)變?nèi)岬耐瑫r(shí)仍具有足夠大的彈塑性變形能力和延性耗能能力來抵御可能遇到的罕遇大地震。

其次，在初步設(shè)計(jì)階段，要正確把握高層建筑結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)，必須掌握各種結(jié)構(gòu)體系的近似計(jì)算方法。英國工程師A.L.L.Baker講過:工程師所掌握的最佳計(jì)算方法，應(yīng)該是運(yùn)用最簡單、最直接的計(jì)算方法。而近似的計(jì)算方法就是對(duì)一個(gè)結(jié)構(gòu)工程師進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力的最基本的要求。例如，對(duì)于框架結(jié)構(gòu)體系，必須掌握的近似計(jì)算方法為:豎向荷載作用下的直接彎矩分配法，水平荷載作用下的近似計(jì)算法。同時(shí)，結(jié)構(gòu)工程師還必須了解抗側(cè)力構(gòu)件的變形近似計(jì)算，通過獲取不同抗側(cè)力結(jié)構(gòu)(或構(gòu)件)之間的相對(duì)剛度比較概念，來大致估算建筑物的變形，以便于提出或比較各種可行的結(jié)構(gòu)總體方案。

最后，在施工圖設(shè)計(jì)階段，仍然要注意把握和運(yùn)用高層建筑結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)。例如，鋼筋混凝土框架柱的軸壓比超過了規(guī)范的限值，我們要結(jié)合具體設(shè)計(jì)綜合判斷。眾所周知，規(guī)范控制軸壓比限值的目的:要求鋼筋混凝土框架柱截面達(dá)到具有較好延性功能的大偏心受壓破壞狀態(tài)，以防止小偏心受壓狀態(tài)的脆性破壞。同時(shí)我們知道，影響鋼筋混凝土框架柱截面延性功能的因素除軸壓比外，還有框架柱的配箍特征、核心區(qū)混凝土的抗壓強(qiáng)度等級(jí)、縱向鋼筋承擔(dān)截面軸壓的能力、框架柱的截面形狀等因素，軸壓比限值的大小必須根據(jù)具體工程設(shè)計(jì)綜合所有因素進(jìn)行一定程度的合理調(diào)整。

綜上所述，作為一名結(jié)構(gòu)工程師，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)始終堅(jiān)持概念設(shè)計(jì)的理念，既不盲目照搬規(guī)范，也不盲從于一體化計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序，任其隨意擺布;只有始終堅(jiān)持概念設(shè)計(jì)的理念，才可能不斷地追求盡善盡美的設(shè)計(jì)思想，而其結(jié)構(gòu)的概念、經(jīng)驗(yàn)、判斷力和創(chuàng)造力才會(huì)隨年齡與實(shí)踐的增長而越來越充實(shí)，其設(shè)計(jì)成果才能不斷創(chuàng)新。

［1］ JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

［2］ GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］ GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］ 高立人.高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)［M］.北京：中國計(jì)劃出版社，2005.