试论概念设计在建筑结构设计中的应用分析秦国盛

秦国盛

广西华景城建筑设计有限公司530000

摘要：建筑工程的概念设计能有效的实现环境的布局和治理、建筑的空间和形式、结构的体系和材料、构筑的方法和效益之间的协调统一，做到“功能、结构、美观、建造”的统一。本文结合概念设计的相关理论，主要研究了该技术在建筑结构设计中的应用，研究结果表明：概念设计能有效的提高结构设计各项数据的准确性，对于提高建筑工程质量，提供工程效益有着重要意义。

关键词：概念设计建筑结构设计应用

前言

建筑工程初步设计以前的“设计构思”，以及在综合合理规划、结构、施工诸方面关系后所形成的“总体设计方案”，是概念设计的成果。它为完成初步设计文件提供了正确的概念和思路。因而可以认为，概念设计既是设计的灵魂，也是整个建设过程中的灵魂。同时概念设计是通过大量的事故分析，模拟试验的定量定性分析以及长期的设计与使用经验分析、归纳、总结出来的。而这些原则、规定与方法往往是基础性、整体性、全局性和关键性的，由此加强概念设计的应用研究就有着重要的现实意义。

1.建筑结构概念设计的原则

1.1简单、规则、均匀原则

简单、规则、均匀的建筑体型和平、立面布置形式可以避免薄弱层的出现，防止地震或风振作用造成的扭转效应和局部应力集中。结构的简单性是指结构在各种荷载作用下具有直接和明确的传力途径，只有结构简单，才能更好地确定结构的计算模型，进行内力与位移分析，限制薄弱部位的出现及进行可靠的抗震性能评估，具体来说应做到三个方面的内容：结构的类别划分和计算模型清楚；各结构构件力学功能分工及在荷载作用下传力路线直接、明确；各结构构件的受力、薄弱环节和抗震性能估计把握容易，精细分析程序可靠。

1.2整体性原则

地震中，导致建筑结构破坏的内在和外在因素大致有三种类型：结构丧失整体性；结构构件强度不足；地基不均匀沉陷。由此建筑的抗震设计应保证结构连续性和构件连接可靠性，做到构件节点的承载力不低于其连接构件的承载力，满足地震作用下的强度要求和大变形延性要求，使整个建筑结构始终保持其整体性。

1.3优先原则

建筑结构设计时应优先采用成熟的新技术和可靠的新型产品，以提高设计水平，同时取得良好的经济效益。如结构振动控制技术，将结构承担荷载的功能与耗散能量的功能分开，让结构主要承担重力等竖向荷载，而由安装到结构上的耗能装置承担耗散能量的功能。耗能装置在外荷载作用下能率先耗散输入结构的大部分能量，有效地保护了主体结构和人员财产的安全，避免出现破坏或倒塌现象。我国近年有计划地开展了新材料、新结构、新体系和新产品的研究，取得了大批先进、成熟、适用的科研成果，如蒸压轻质加气混凝土板材、轻质复合墙板等结构建筑体系，不仅能够提高结构强度、减轻结构自重，还具有降低结构造价、防火、防水等多项功能[1]。

2.概念设计在建筑结构设计中的应用分析

2.1概念设计在场地选择中的应用

场地选择与处理是概念设计的一个重要方面，具体来说，应注意以下几个方面：

（1）选择建筑场地时，应根据工程需要和地震活动情况、工程地质和地震地质的有关资料，对抗震地段做出综合评价。对不利地段，应提出避开要求；当无法避开时，应采取有效的措施。应优先考虑对建筑抗震有利地段，如稳定基岩，坚硬土，开阔、平坦、密实、均匀的中硬土等。

（2）建筑场地为类时，甲、乙类建筑允许按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施；丙类建筑允许按本地区抗震设防烈度降低一度的要求采取抗震构造措施，但抗震设防烈度为6度时仍按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施。

2.2有利于建筑基础的选择合理性的提升

在地基和基础设计过程中，同一结构单元不宜部分采用天然地基、部分采用桩基。当采用不同基础类型或基础埋深显著不同时，应根据地震时两部分地基基础的沉降差异，在基础、上部结构的相应部位采取相应措施。如加强基础和上部结构的整体性和刚性；加大基础埋置深度；正确选择基础类型来加强基础防震性能以减轻上部结构的震害[2]。

当地基为软弱黏性土、液化土、新近填土或严重不均匀土时，应根据地震时地基不均匀沉降或其他不利影响，采取相应的措施。如软弱地基，可采用扩大基础底面积和加设地基梁、加深基础、增大结构整体性和均衡对称性等处理方法；再如液化土，根据建筑的重要性、地基的液化等级，结合具体情况，选择全部或部分消除液化沉陷、基础和上部结构处理等措施，或不采取措施。

2.3在计算机分析中的应用

概念设计是设计过程的早期阶段，其目标是获得产品的基本形式或形状。广义上的概念设计包含了从产品的需求分析到进行详细设计之前的设计过程。它包括功能设计、原理设计、形状设计初步的结构设计等。并且概念设计的各个环节紧密相连，在设计过程中互相依赖，互为驱动。

概念设计的上述特征，给相关技术带来很大难度和挑战。为使设计技术有效地支持概念设计，需要解决建模和推理两大技术难题。建模技术是需要对产品的功能、动作和结构等要素及其相互间的关系进行完整、清晰的描述，现有的建模方法往往只支持概念设计过程中的某个方面或特定的条件，而缺少一种能对概念设计的各种要素进行完整一致描述的表示方法。概念设计中的推理，就是根据用户的需求和给定的条件进行产品的功能设计，生成和选择合适的产品设计方案，推理过程的关键是如何实现所要求的功能。计算机技术的不断发展，为概念设计的实现提供了技术支持，如虚拟产品建模技术，能够利用计算机提供虚拟环境，向设计者提供诸如视觉、触觉等各种直观而自然实时的感知，可用于结构设计方案的选择和比较[3]。

3.实例分析

3.1项目概况

某高层住宅公寓，大楼每开间的进深为20.1m，层高为3.1m，凹侧开间可为6.1m~7.7m、凸侧开间可为7.7m~9.2m。楼层两侧为客房，中间为走廊，在走廊位置上横向桁架的斜腹杆要取消，以便开洞作为通道。大楼底层凹侧中部为门厅和入口，与入口对应一侧为电梯间。该建筑低楼层用于商铺，中高层为客房或住宅。

3.2错列桁架体系结构概念

图1错列桁架体系的结构概念

错列桁架体系的结构概念为：在一个柱列的竖向桁架型抗侧力结构A中，侧向力P作用下的两侧立柱或轴向受拉或轴向受压，它们承受的是由P产生的倾覆力矩，而其受轴向力的斜腹杆所承受力则是由P产生的剪力，如图1（a）所示。如果将该竖向桁架中某几层的斜腹杆拆除，成为抗侧力结构B或抗侧力结构C，如图1（b、c）所示。则侧向力P必然使拆除腹杆的该楼层立柱承受弯矩。抗侧力结构B、C的侧向刚度显然要比抗侧力结构A小很多（）。如果将B、C两类竖向桁架相间隔地用楼板联系起来成为一幢建筑物的结构体系，若其楼板的水平刚度足够的话，则在侧向力P作用下每个楼层间的剪力就会通过楼板传给相邻的竖向桁架，如图1（d）。这时，各柱列的立柱只承受轴向拉力或轴向压力，不承受弯矩；各楼层间的剪力都由楼层间竖向桁架的斜腹杆承受，如图1（e）所示。

3.2结构体系分析

该结构体系的优点主要有三个方面：一是该结构体系用轴向受力杆件来承受重力荷载和侧向荷载，因而对材料的利用很充分，组成结构的刚度很大。二是可以安排较大的无柱空间，它的开间可比一般建筑物大1倍，它的进深可沿整个建筑物宽度。三是它适宜用钢结构做成，建筑物的自重很轻，用钢量比常用钢框架结构的用钢量少30％~40％。

缺点在于它要求建筑布置比较规整，要在建筑物全高上都具有错列桁架的韵律，因而应用范围有限。并且它的桁架跨度必须有足够长才能使桁架有效，因而它在主体结构体系中的立柱数量较少，而且在底层必须用斜支撑或剪力墙将侧向荷载传递到基础上去，因而它可能建造的层数不高，大约在35—40层以下。

3.3概念设计要点分析

（1）它的楼盖结构系统除承受楼层的重力荷载外，还要成为一个能将侧向荷载从一个桁架的下弦传递到相邻桁架上弦的有足够水平刚度的横隔板。因而不论采用预制混凝土楼板，还是大跨组合钢板钢梁或压型钢板混凝土组合楼板，在它上面整浇焊接钢丝网混凝土面层都是必要的；此外还要有和竖向桁架系统的抗剪连接件，楼板上若要开洞口，必须在洞口四侧做加固处理。

（2）它的横向桁架系统是交替地在楼层平面上错列设置的多节间桁架。它除承受楼盖系统的重力荷载外，还是承受侧向荷载产生层间剪力的主要结构。它的高度为楼层高度，跨高比通常可达6：1，这一比例使横向桁架上下弦的有效能力能够充分发挥，也可以得到宽敞的各层楼面。并且横向桁架的间距宜均匀，这样可以使用标准定型的桁架单元，降低造价，加快建造速度。

（3）它的立柱要从两个方面分析：一是在错列桁架体系的横向，它在重力荷载作用下虽是以横向桁架为横梁的框架结构的立柱，但由于此横梁的线刚度比柱自身的线刚度大得多，故可按轴向受力构件考虑；而它在侧向荷载作用下则只产生轴力不承受弯矩；二是在错列桁架体系的纵向，它可能是纵向框架的一部分而承受纵向侧向荷载作用下的弯矩。故立柱截面的强轴宜沿纵向，而弱轴则可沿横向设置[4]。

该楼的主体结构用的是错列桁架体系，建筑顶层每隔一开间在约l/3跨度处各设置一立柱，以便安装屋顶盖的结构系统；在较低层处沿横跨度方向设置X形支撑和钢筋混凝土剪力墙，以便将侧向荷载传递绐基础；在最低一层横向桁架和X形支撑之间设置吊杆，以便将二者联系起来；此外，在全楼的端山墙处设置多层抗弯框架，它可承受端山墙处横向和纵向和侧向荷载。从全楼的纵向看，在其沿圆周方向两侧都在电梯间或楼梯间处设置了K形柱间支撑，为的是保证建筑物的纵向整体稳定性。

结语

总的来说，建筑概念设计建筑结构设计的重要内容，在概念设计中，最重要的是分析、预见、控制结构的耗能和薄弱部位，通过综合考虑，衡量利弊，因势利导，转化或消除其弱点。这就要求相关设计者既要做好相关思维方式的转变，如从习惯于重视设计规范，转变为更重视实践；从习惯于重视理论分析，转变为兼重视人、物、空间等方面的综合考虑，从习惯于标准、定型，转变为改革、更新等，又要注意总体布置上的大原则，及关键部分的细节设计，这样才能在满足结构的功能要求和建筑功能的需要基础上，确定出最优的结构体系，实现建筑材料和合理的关键部位构造、结合适宜的施工及合理的效益的统一。

参考文献

[1]徐月儿.浅析概念设计在建筑结构优化设计中的应用[J].价值工程.2015（06）

[2]刘春宝.研究概念设计在建筑结构设计中的具体应用[J].科技与企业.2016（04）

[3]罗涛，马超群.基于概念设计在建筑结构设计中的应用分析[J].建材与装饰.2017（26）

[4]陈敏.探讨概念设计在建筑结构设计中的应用[J].建筑知识.2017（15）