覃芳梅

摘要：近年來，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，人民對“衣食住行”有了更高的要求，建筑是人民生活中重要的一部分，建筑的安全關系到人民的生命財產安全，因此，人民對建筑結構設計也提出了更高的要求。對于一座高層建筑的結構設計，既應保證高層建筑具有足夠的安全性，即具有足夠的抗震和抗風的能力及具有足夠的承載力和變形的能力，又應保證結構的經(jīng)濟性、合理性。發(fā)展先進計算理論，加強計算機的應用，加快新型高強、輕質、環(huán)保建材的研究與應用，使建筑結構設計更加安全、適用、可靠、經(jīng)濟是當務之急。

關鍵詞：概念設計；高層建筑設計；應用

引言

概念設計的宗旨是在特定的建筑空間及環(huán)境條件下，用整體概念來考慮結構的總體方案，并能有意識地發(fā)揮和利用結構總體系和各基本分體系之間的力學特性與關系。建筑物是一個整體空間結構，各種構件以相當復雜的方式共同工作，并不是脫離總的結構體系的單獨構件。作為結構工程師，不應過度依賴計算機和盲目照搬規(guī)范，應把概念設計應用到實際工作中去。

1.概念設計的定義

概念設計一般指不經(jīng)數(shù)值計算，特別在一些難以作出精確理性分析或在規(guī)范中難以規(guī)定的問題中，依據(jù)整體結構體系與分體系之間的力學關系、結構破壞機理、震害、試驗現(xiàn)象和工程經(jīng)驗所獲得的基本設計原則和設計思想，從整體的角度來確定建筑結構的總體布置和抗震細部措施的宏觀控制。運用概念性近似估算方法，可以在建筑設計的方案階段迅速、有效地對結構體系進行構思、比較與選擇，易于手算。所得方案往往概念清晰、定性正確，避免后期設計階段一些不必要的繁瑣運算，具有較好的經(jīng)濟可靠性能。同時，也是判斷計算機內力分析輸出數(shù)據(jù)可靠與否的主要依據(jù)。

2.高層建筑概念設計的基本原則

2.1以承載力、剛度、延性為主導目標，實施多道防線、剛柔結合的結構形式。即應具有一定大的剛度和承載力來抵御風荷載和小震，隨著第一道防線破壞，結構變柔后仍有足夠大的彈塑性變形能力和延性耗能能力來抵御未來可能遭遇的罕遇大震。

2.2在對結構進行分析計算時，應該運用最簡單、最直接、概念最清楚的計算方法，將結構的受力與傳力途徑設計成簡單、直接、明確。盡可能避免出現(xiàn)以抗扭為主導的關鍵性傳力構件。

2.3盡可能使結構平面布置的正交抗側力剛度中心（簡稱剛心）和建筑物表面力（風力）作用中心或質量重心（質心）靠近或重合，以避免或減小在風荷載或地震作用下產生的扭轉效應。

2.4建筑物豎向布置的抗側力剛度構件也最好設計成均勻、連續(xù)，避免出現(xiàn)軟弱層和上下層間的剪切剛度、彎曲剛度和軸壓剛度的突變。

2.5應重視上部結構與其支承結構整體共同作用的機理，即傳力與受力結構兩者之間的共同作用；例如，在高層建筑的箱基和筏基的底板設計中，計算軟件無法進行上部結構-地下室-地基基礎的相互作用分析，計算出來的底板內力遠遠大于底板實際受到的內力。

3.概念設計的應用

3.1抗震概念設計

地震具有難以把握的復雜性和動態(tài)變化的特點，要準確地預見建筑物所遭遇的地震特性及詳細參數(shù)，是難以做到的。只有輔以準確的概念設計，在宏觀上對抗震結構進行控制，正確分析計算結果，合理地對薄弱環(huán)節(jié)采取構造加強措施，才能在經(jīng)濟合理的前提下，設計出抗震性能優(yōu)良的建筑。為了保證建筑具有足夠的抗震能力，通過概念設計從宏觀上控制結構的抗震性能應充分考慮以下環(huán)節(jié)：①選擇對抗震有利的場地及地基，避免地面變形的直接危害，采取措施保證地基的穩(wěn)定性。②進行合理的基礎設計，同一結構單元不宜設置在性質不同的地基土上，不宜采用不同的基礎形式，設計時宜最大限度地發(fā)揮地基的潛力。③建筑物的體型應力求簡單、規(guī)則、對稱，質量和剛度變化均勻，以減少地震作用產生的變形、應力集中及扭轉反應。④選擇合理的結構體系，抗側力構件力求均勻對稱，設多道抗震防線，避免局部出現(xiàn)薄弱部位，要求結構布置受力明確，傳力簡捷。⑤各類構件之間要有可靠的連接，并具有必要的強度和變形能力，從而獲得整個結構良好的抗震性能。⑥強調結構空間整體性，平面加強連接，豎向確保足夠的整體剛度。⑦重視對非結構構件的處理，利用其對主體結構的有利影響，避免不合理設置導致對主體結構的不利影響。⑧盡量減輕結構自重，減少地基土壓力，從而降低向建筑物傳輸?shù)牡卣鹆Α?/p>

3.2高層建筑結構概念設計

高層建筑結構概念設計中以下幾個問題值得重視：①正確認識高層建筑的受力特點，選擇合理的結構類型。高層建筑的受力特點不同于低層建筑。高層建筑從本質上講是一個豎向懸臂結構，水平荷載的影響要遠遠大于垂直荷載的影響，水平荷載是結構設計的控制因素。結構抵抗水平荷載產生的彎矩、剪力以及拉應力和壓應力應有較大的強度和足夠的剛度，使隨著高度增加所引起的側向變形限制在結構允許范圍內。由于高層建筑的受力特點，選擇切實可行的結構類型是非常必要的。②正確選擇合理的結構體系。由于高層建筑中抗水平力成為設計的主要矛盾，因此采用何種抗側力結構是結構設計的關鍵性問題。選擇高層建筑結構抗側力體系通常需要考慮的兩個主要原因是建筑物的高度和用途。③選擇合理的結構布置。結構布置的合理與否很大程度影響著建筑的使用、結構的經(jīng)濟性和施工的合理性。結構布置不當，常常造成薄弱環(huán)節(jié)，引起震害。在結構布置時，應加強結構的整體性及剛度，加強構件的連接，加強結構的薄弱部位和應力復雜部位的強度。④提高結構的抗震性能。由于高層建筑的受力特點不同于低層建筑，因此在地震區(qū)進行高層建筑結構設計時，除應保證結構具有足夠的強度和剛度外，還應具有良好的抗震性能，結構必須具有一定的塑性變形能力來吸收地震所產生的能量，減弱地震破壞的影響。

3.3基礎中的概念設計

地基土的不確定性很強，至今還沒有哪個模型能夠對其作精確的描述。因此，在基礎的設計中，更需要根據(jù)基本理論知識及豐富的實踐經(jīng)驗，分析、預見可能出現(xiàn)的各種問題，從而找到合理的處理方案。因此，概念設計在基礎設計中的作用尤為重要。建筑結構設計常規(guī)的方法是將上部結構、基礎作為彼此獨立、離散的結構單元進行力學分析。實踐表明，這種常規(guī)法計算得到的基底應力和基礎沉降量往往與實測值相差甚遠。事實上，基礎問題的解決不宜單純只著眼于基礎。在上部結構設計過程中，應該注意由于地基沉降變形差異而引起的上部結構次應力、開裂等不良現(xiàn)象。所以應該把基礎和上部結構視為一個統(tǒng)一的整體，從二者相互作用的概念出發(fā)來考慮基礎方案。當然，整體的相互作用分析相當復雜，合理的方法應該從二者之間滿足靜力平衡和變形協(xié)調兩個條件出發(fā)進行分析。設計人員除了具備土力學、地基基礎的基本理論知識外，還應該掌握基礎與上部結構相互作用的基本概念、原理，了解基礎剛度變化對上部結構內力的影響、上部結構對基礎變形的約束作用，以及采用不同地基計算模型可能在基礎和上部結構中產生的差異。這樣，在基礎選型、布置以及地基模型、參數(shù)的選取時，才能夠從共同作用的角度加以考慮，力求設計出最為經(jīng)濟、合理的基礎方案。

4.結束語

隨著社會的進步，高層建筑的發(fā)展很快，日新月異。高層建筑的結構設計人員應不斷學習和提高，通過力學知識和力學規(guī)律建立結構受力與變形規(guī)律的各種概念，在設計中創(chuàng)造性地相互配合，設計出令人滿意的作品，為每一個嶄新的工程奠定基礎，把概念設計推向主流。

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