羅成　康才東

摘要：隨著經(jīng)濟的發(fā)展，我國的中高層建筑也向著高而復(fù)雜的趨勢發(fā)展，從而產(chǎn)生了越來越多的高層、超高層及一些體型不規(guī)則的高層建筑物。這種發(fā)展趨勢造成了建筑師更加追求建筑物的外部體型，從而忽略了建筑物結(jié)構(gòu)體系的概念，使建筑師和結(jié)構(gòu)師在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)造方面產(chǎn)生了極大的矛盾和沖突。多次地震災(zāi)害中房屋的破壞情況均表明：多數(shù)建筑物倒塌的主要原因并不是施工的原因，而是由于設(shè)計師在設(shè)計時對建筑物的結(jié)構(gòu)體系的概念不清楚，設(shè)計不合理，從而導(dǎo)致建筑物在地震的作用下產(chǎn)生嚴重破壞。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)體系;概念設(shè)計

引言

在建筑設(shè)計中，先進的概念設(shè)計起到的作用至關(guān)重要，可以平衡建筑的經(jīng)濟性、功能性與美觀性。為進一步完善建筑體系的結(jié)構(gòu)設(shè)計，應(yīng)基于概念設(shè)計大力改進、創(chuàng)新結(jié)構(gòu)措施，及時探索出最理想的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，進而有機融合概念與結(jié)構(gòu)設(shè)計，充分提升建筑水平。

1概念設(shè)計的基本概念

1.1概念設(shè)計的內(nèi)涵

在概念設(shè)計的最初應(yīng)用中，建筑師根據(jù)設(shè)計概念評估建筑設(shè)計計劃，并參考過去的實踐經(jīng)驗，比較和分析概念設(shè)計，從宏觀層面上控制建筑結(jié)構(gòu)的形狀，參照比較結(jié)果執(zhí)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，并調(diào)整和實施所需的隔振設(shè)置，以實現(xiàn)最佳設(shè)計效果。概念設(shè)計對建筑設(shè)計有很大影響，例如資本投資、施工時間和安全問題。對概念設(shè)計的巧妙運用使最終的結(jié)構(gòu)設(shè)計計劃更加科學(xué)、合理、安全和可靠，還能有效減少估算和計算錯誤，改善架構(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟性和合理性。

1.2概念設(shè)計的實施步驟

設(shè)計特定應(yīng)用程序概念的過程本質(zhì)上是逐步重復(fù)整個過程的優(yōu)化過程。通常，概念設(shè)計分為四個主要階段：分析階段、綜合階段、評估階段、完成階段。在繼續(xù)進行下一階段之前，每個步驟都必須達到預(yù)期的目標。如果在任一階段發(fā)現(xiàn)計劃中有不合理的部分，則需要重新實施設(shè)計、計算和評估，直到達到目標為止。具體分析以下四個步驟：①分析階段。在此階段收集建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計問題，并對這些問題進行分析和解決。分析階段的主要特征是所收集的數(shù)據(jù)和信息模棱兩可，分析后可以將各種信息最大化。②綜合階段。綜合階段是概念設(shè)計的最重要階段。在這個階段概念設(shè)計師利用自身經(jīng)驗和專業(yè)知識來制定設(shè)計計劃，然后以圖紙的形式展示設(shè)計計劃。綜合階段的設(shè)計實質(zhì)上是用來以具體形式顯示和處理建筑設(shè)計師相對抽象的設(shè)計概念，這是概念設(shè)計中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。③評估階段。在此階段將對設(shè)計計劃進行專業(yè)評估，并評估其可行性，這項工作是周期性的，在計劃達到標準后可以開始下一步工作。在評估設(shè)計計劃時，首先要創(chuàng)建一個功能模型，然后使用各種公式對每個計劃進行比較和分析，最后選擇一個經(jīng)濟、合理、安全、可靠的設(shè)計計劃。④完成階段。此階段主要根據(jù)已定義的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計計劃來執(zhí)行相關(guān)工作，以減少后續(xù)的冗余設(shè)計工作。

2結(jié)構(gòu)體系概念設(shè)計的整體性

2.1受力平衡的角度

從受力平衡的角度分析，高層建筑物在自重、豎向荷載和水平荷載的合力作用下，可以使建筑物自身達到受力平衡。但是，隨著水平荷載作用的增大或者變化，例如，地震作用、風荷載等，必定會導(dǎo)致建筑物產(chǎn)生整體傾覆轉(zhuǎn)動。根據(jù)大量數(shù)據(jù)表明：只要控制建筑物偏心距不超過某一特定數(shù)值，建筑物的自重就能夠保證它的整體傾覆穩(wěn)定性。因此，我們在進行建筑結(jié)構(gòu)方案設(shè)計時就要考慮這一因素，合理控制建筑物的偏心距。對于非規(guī)則性的建筑物，由于其結(jié)構(gòu)體系的非對稱性，在抵抗水平荷載作用下的建筑物就比較容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。因此，在進行建筑外觀設(shè)計時，我們應(yīng)該遵循均勻、規(guī)則、對稱的原則，從結(jié)構(gòu)體系的整體概念上減少建筑物發(fā)生扭轉(zhuǎn)傾覆的概率。

2.2力的傳遞角度

從力的傳遞角度分析，我們可以把建筑物看成一個整體的空間受力結(jié)構(gòu)，建筑物的內(nèi)外墻、梁柱、樓蓋、屋蓋等構(gòu)件不僅是建筑物空間的分隔構(gòu)件，又是建筑物的結(jié)構(gòu)體系的一部分，從而保證整個結(jié)構(gòu)能夠有效的承擔水平荷載和豎向荷載并按照明確的路線傳至基礎(chǔ)。把整個建筑物分為水平結(jié)構(gòu)體系和豎向結(jié)構(gòu)體系兩個分結(jié)構(gòu)體系，兩者相互協(xié)同工作。水平結(jié)構(gòu)體系主要有梁構(gòu)件、板構(gòu)件和梁板組合構(gòu)件，主要承受豎向荷載和水平荷載，并把所受荷載傳遞分配到豎向結(jié)構(gòu)體系。

2.3結(jié)構(gòu)體系的協(xié)同工作

建筑物中的水平結(jié)構(gòu)體系和豎向結(jié)構(gòu)體系是通過相互連接協(xié)同工作的。在現(xiàn)澆鋼筋混凝土建筑中，施工時把水平結(jié)構(gòu)體系中的梁構(gòu)件和板構(gòu)件一同澆筑，形成了“T形梁”的梁板組合結(jié)構(gòu)共同抵抗彎矩。水平結(jié)構(gòu)體系中的梁構(gòu)件和豎向結(jié)構(gòu)體系中的柱構(gòu)件剛接形成為框架結(jié)構(gòu)體系，共同抵抗側(cè)向力。由水平結(jié)構(gòu)體系的梁、板構(gòu)件與豎向結(jié)構(gòu)體系的柱、墻構(gòu)件共同組成框架-剪力墻空間結(jié)構(gòu)體系，可以更好地抵抗兩個方向的側(cè)向力。由鋼筋混凝土剪力墻澆筑而成的電梯間、樓梯間及其他豎向的設(shè)備管道，能夠組成剛性的井筒結(jié)構(gòu)，可以承受豎向荷載，同時更好地抵抗水平荷載。總結(jié)構(gòu)體系和水平分結(jié)構(gòu)體系、豎向分結(jié)構(gòu)體系相互關(guān)聯(lián)、相互影響。把建筑物看成一個總結(jié)構(gòu)體系，提出細部設(shè)計要求，選擇合理的結(jié)構(gòu)體系，使水平荷載和豎向荷載通過分結(jié)構(gòu)體系的相互作用傳遞到建筑物的基礎(chǔ)上。分結(jié)構(gòu)體系的合理設(shè)計和分結(jié)構(gòu)體系之間的合理組合會使總結(jié)構(gòu)體系受力更加明確合理，各分結(jié)構(gòu)體系的合理布置能夠增大建筑物的整體抵抗側(cè)向力和側(cè)移的能力。

3結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要措施

3.1科學(xué)選取建筑場地

在選擇建筑工地時，必須選擇具有最高抗震性能的區(qū)域，同一棟建筑物的不同建筑工地的抗震特性差異很大，對整體結(jié)構(gòu)的影響也很大。在地震影響下，要考慮基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)遭遇適當損壞的可能性，并結(jié)合適當?shù)氖┕び媱澓徒?jīng)濟原理，進一步弄清相應(yīng)的結(jié)構(gòu)形式和基礎(chǔ)計劃。由于采用了這種方法，整個結(jié)構(gòu)的抗震特性和可塑性可以大大提高。

3.2科學(xué)合理的選擇結(jié)構(gòu)材料

首先，在選擇鋼材和混凝土的過程中，要結(jié)合特定的標準選擇強度更高的模型。通常，混凝土的強度等級不應(yīng)低于C25。為了對結(jié)構(gòu)元件進行縱向加固，必須使用強度更高的鋼筋，例如HRB400鋼筋。其次，要根據(jù)具體情況，選擇更科學(xué)合理的新型建筑材料，例如鋼筋混凝土材料。在建筑的建造過程中，通常使用鋼筋混凝土材料。它是一種新型的建筑材料，可以將鋼材和混凝土有效結(jié)合在一起，并相互補充，從而發(fā)揮出更大的建筑作用，這種材料使建筑物穩(wěn)定而堅固。其具體優(yōu)勢體現(xiàn)在以下兩個方面：①內(nèi)層混凝土可以更有效地支撐外層鋼管，從而使兩者的優(yōu)勢相互補充，完美匹配，同時也充分發(fā)揮了它們的優(yōu)勢，顯著提高了它們的承載能力;②外鋼管可以有效地控制內(nèi)混凝土，從而進一步提高混凝土的強度，可以大大減小變形概率。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進一步增加了建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，并為超高底柱的軸向壓縮比有限的問題提供了有效的解決方案。

4概念設(shè)計在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

4.1科學(xué)選擇建筑結(jié)構(gòu)剛度

在建筑領(lǐng)域的各種指標中，建筑結(jié)構(gòu)的剛度是非常重要的元素，并且在建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計中起著非常重要的作用，因此必須選擇科學(xué)合理的建筑剛度。同時，科學(xué)合理地選擇建筑物剛度對于有效增加建筑物的自然振動周期和抗震性能具有特殊的影響和意義。另外，良好的剛性還可以相應(yīng)地提高空間利用率，節(jié)省建筑材料等，從而可以更充分、更有效地利用建筑計劃，并可以有效優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)。

4.2科學(xué)選擇建筑主體結(jié)構(gòu)

合理性和對稱性是設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)時要遵循的基本原則。該原理可有效減少建筑材料的使用，節(jié)省建筑材料，確保建筑結(jié)構(gòu)中非結(jié)構(gòu)部件的良好安全性和穩(wěn)定性，并降低建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)力。建筑結(jié)構(gòu)對稱的特征是整個或部分建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)的相互對應(yīng)和統(tǒng)一，在特定的設(shè)計階段，為確保建筑物結(jié)構(gòu)的對稱性，可以對建筑物質(zhì)心或平面重心的實際距離進行合理調(diào)整，并有效調(diào)整重心，從而確保建筑結(jié)構(gòu)的對稱性。

4.3基于場地情況選擇建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

在選定的開發(fā)區(qū)域中進行調(diào)查和設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)建筑物的形狀和該區(qū)域的地形對建筑物的基礎(chǔ)進行科學(xué)合理的選擇。建筑基礎(chǔ)通常包括樁基礎(chǔ)和箱基礎(chǔ)，箱形基礎(chǔ)具有良好的整體剛度，可以均勻分解并將載荷轉(zhuǎn)移到基礎(chǔ)上，從而提供更安全、更穩(wěn)定的建筑物，并防止由于不均勻力而導(dǎo)致基礎(chǔ)發(fā)生沉降，這樣可以有效提高建筑物的抗震性能。樁基礎(chǔ)是建筑物基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的另一種形式，通常在地面較軟或荷載相對較差的多層建筑物中，這種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)可以將頂部產(chǎn)生的負載傳遞到底部，并將其分配到土壤上，從而確保建筑物的安全性、穩(wěn)定性和可靠性。

4.4結(jié)構(gòu)設(shè)計中提高材料利用率

在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，結(jié)構(gòu)措施在設(shè)計師的工作中起著重要的支持作用，提供了更完整的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及有效執(zhí)行了與結(jié)構(gòu)活動有關(guān)的工作能力。在設(shè)計階段，結(jié)構(gòu)措施的關(guān)鍵作用是有效協(xié)調(diào)設(shè)計師的設(shè)計工作。在施工和設(shè)計工作中，可以充分保證建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并可以有效提高建筑材料的利用率。另外，設(shè)計師必須在保證設(shè)計效果的前提下減少材料重量和材料成本，使設(shè)計工作能夠順利進行。例如具有矩形橫截面的壓縮構(gòu)件利用率低，這是因為梁在特定的施工階段更容易改變，并且材料利用率不足，而通過概念設(shè)計和結(jié)構(gòu)分析，可以對梁截面的變形梯度進行科學(xué)合理的改變和調(diào)整，從而在軸向力不確定的情況下可以顯著提高材料的利用率。

結(jié)束語

從以上討論可以明顯看出，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中要確保結(jié)構(gòu)設(shè)計計算結(jié)果的有效性和可靠性。另外，建筑物的實際建筑過程也應(yīng)更加高效，以確保概念設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計充分互補并發(fā)揮應(yīng)有的作用，從而使概念設(shè)計和結(jié)構(gòu)措施協(xié)同工作，以構(gòu)建更加科學(xué)、完整的建筑結(jié)構(gòu)體系，達到節(jié)省建筑原材料的目標。

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