建筑結構設計中概念設計重要性的探討

　　關鍵詞；；建筑結構設計；概念設計；

　　0引言

　　概念設計的內容十分豐富，應用面也非常廣泛，幾乎蘊含了所有的結構設計過程。我們通常談到的安全度的概念、力學的概念、材料的概念、荷載的概念、地震的概念、使用的概念等都屬于結構的概念。概念設計就是融合這些概念，貫穿到結構造型、方案設計、結構布置、計算簡圖抽象、計算結果處理、施工圖繪制等設計的整個過程，對理論無法明確的部位，還要有定性的認識后才能反映到設計成果中。

　　當前科學技術迅速發(fā)展，計算機結構程序的全面應用給結構設計師帶來極大方便，大大減輕了他們的勞動強度，提高了設計的效率和質量。但同時也容易讓人產生錯誤認識，認為結構設計很簡單，只需遵循規(guī)范、手冊、圖集，等待建筑師給出一個空間形成的方案(非結構的)，然后就可使用汁算機完成結構設計了。因此，一些結構設計師不重視結構的基本理論和基本概念的正確使用，不能有效地運用他們的知識、精力和時間去考慮結構的整體設計、協(xié)同工作等一系列概念設計問題而是一味地依賴汁算機，久而久之許多設計人員缺乏結構設計的概念，對軟件技術條件認識不清、對計算機的計算結果無法判斷，對規(guī)范與軟件之間的差異不甚了解，對如何加強結構的整體性、合理性、經(jīng)濟性沒有概念，甚至一些設計人員因為過多地相信計算機分析結果而導致結構計算模型與實際建筑物存在較大差別，引起結構施工圖中出現(xiàn)了大量的概念性錯誤和計算錯誤，且有些錯誤可能會導致嚴重的后果。為保證建筑結構的安全、適用、經(jīng)濟、可靠，對設計人員強調結構概念設計的重要性是非常必要的。

　　1關于概念沒計

　　所謂的概念設計就是運用清晰的結構概念，不經(jīng)數(shù)值計算，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、實驗現(xiàn)象和工程經(jīng)驗所獲得的基本設計原則和設計思想，對結構及計算結果進行正確的分析，并考慮結構實際受力狀況與計算假設間的差異，對結構和構造進行設計，使建筑物受力更合理、安全、協(xié)調。概念設計主要從兩個方面對結構設計進行宏觀控制[1]；一是在方案設計滿足建筑要求的前提下，從宏觀的角度考慮結構整體性及主要分體的相互協(xié)調關系，確定總體設計方案；二是在理論設計過程中綜合考慮工程條件、計算理論、材料性能等各種因素對計算結果的影響，判斷理論設計的準確性，并對一些工程中難以作出精確理性分析或在規(guī)范中難以規(guī)定的問題，根據(jù)實際經(jīng)驗采用一些結構構造措施進行處理[2]。換句話說，概念設計是運用人的判斷和思維能力，從宏觀解決結構設計的基本問題、概念設計是一種思路，是一種定性的設計，它不以精確的力學分析、生搬硬套的規(guī)范條文為依據(jù)，而是對工程進行概括性的分析，制定設計目標，采取相應結構措施。具體到設計過程，就是根據(jù)特定的建筑空間和地理條件，結合建筑的功能要求，考慮結構安全、適用、經(jīng)濟、美觀、施工方便等各種因素后，確定結構的總體方案，按照結構的破壞機理和破壞過程，靈活且能有意識地利用整體結構體系與基本桿件間的力學特性與關系、設計準則、工程現(xiàn)場實時的資源條件，全面合理地解決結構設計的基本問題。既要注意到總體布置的大原則，又要顧及到關鍵部位的細節(jié)，從根本上提高結構的可靠度。概念設計的目的是力求使設計方案安全、可靠、經(jīng)濟、合理，是一個優(yōu)化的過程。概念設計運用得好，能使結構滿足建筑要求，并以最快的方式將荷載傳遞到基礎、地基中，創(chuàng)造更為安全、舒適的工作和生活環(huán)境，從而節(jié)約材料和資金，使工程項目的設計、施工、使用都能“又快、又好、又省”，這也是人們對工程建設的最基本要求。

　　2概念設計的必要性

　　2．1概念設計是結構設計的基礎與靈魂

　　結構的概念設計在結構設計中占有重要的地位，結構設計的流程一般分為3個階段：前期的方案選擇、中期的結構計算及后期的施工圖繪制。結構的概念設計是結構分析和設計的第一步，結構設計三個階段離不開科學的概念作指導。

　　(1)方案設計階段。一個成功的設計必須選擇一個經(jīng)濟合理的結構方案，即選擇一個切實可靠的結構形式和結構體系。在此階段，設計者除了對建筑物的功能要求、地理環(huán)境、資金配備、材料供應、施工條件與水平等進行綜合的分析，并與建筑、水電、設備等專業(yè)進行充分比較外，還要考慮結構內部的協(xié)同工作、結構抗震的構造設計、結構整體性能控制等問題，而后完成結構選型，確定結構方案，必要時還要對多個方案進行比較，擇優(yōu)選用。因此方案設計過程是不能借助于計算機或理論計算來實現(xiàn)的，它需要結構工程師綜合應用其掌握的結構概念，在深入了解各類結構性能的基礎上，有針對性地選擇效果最好、造價最低的結構方案。

　　(2)結構計算階段。結構計算是在計算簡圖的基礎上進行的，即要對作用在結構構件上的荷載和構件的約束進行一定的簡化，簡化后的結構內力變形必須與原結構盡可能一致。目前由于建筑物的功能復雜多樣，結構計算一般是通過計算機來完成的，因此結構工程師必須把實際工程的結構形式轉換成計算機能夠識別的計算模型，并且要保證模型受力和變形的精確性，在此基礎上結構工程師還應根據(jù)實際結構的工作狀態(tài)，在全面了解程序軟件的適用范圍與技術條件后正確選擇和使用結構設計軟件，同時再用概念設計對電算結果進行科學分析，作正確合理的判斷。如果結構工程師缺乏經(jīng)驗、不具備結構體系功能及其受力、變形特性的整體概念與判斷力，他們就無法確定實際結構的計算簡圖、無法判斷計算機顯示的計算模型與計算結果的正確否。

　　(3)施工圖繪制階段。結構工程師通過計算機完成結構設計計算并對結果確認無誤后，接著就是把計算結果用施工圖的方式表現(xiàn)出來(通常也是計算機完成)。此時，結構工程師還有一項比較艱巨的任務需要完成，即調圖工作。他們要檢查施工是否正確反映設計意圖，是否滿足結構整體穩(wěn)定和各構件間協(xié)同工作的要求、結構抗震設計的要求、結構的材料利用率和經(jīng)濟適用的要求等。很多剛畢業(yè)的大學生面對施工圖紙無法斷定其適用性和正確否，主要原因就是他們缺乏經(jīng)驗與實踐過程中結構概念的養(yǎng)成。

　　2．2概念設計思想的運用。彌補結構設計理論和計算理論的缺陷，拓寬結構設計思路

　　我國現(xiàn)行的結構設計理論與計算理論采用以概率理論為基礎的結構極限狀態(tài)設計準則，與過去經(jīng)歷過的經(jīng)驗估算法、容許應力法及破損階段法相比，它更科學、更合理，但也存在一些缺陷或不可計算性，即它對具體空間結構體系整體研究存在一定的局限性，只能視作近似概率法。如，對混凝土樓板結構設計，內力計算是基于彈性理論的計算方法，而截面設計卻是基于塑性理論的極限狀態(tài)設計方法，這一矛盾使計算結果結構的實際受力狀態(tài)差之甚遠。為了彌補這一缺陷，或者實現(xiàn)對實際存在的大量無法計算的結構構件的設計，必須用優(yōu)秀的概念設計與結構措施來滿足結構設計的目的。要充分發(fā)揮結構程工師的創(chuàng)新能力，因為他們是結構設計革命的推動者和執(zhí)行者。

　　2．3概念設計思想的運用，有利于培養(yǎng)結構工程師的創(chuàng)造力

　　隨著計算機結構分析軟件的廣泛應用和普及，它使人們擺脫了過去必須進行的大量的手工計算，使人們的工作效率得到大幅度的提高。與此同時，結構設計人員對結構計算軟件的依賴性也越來越大，有時甚至過分地相信計算軟件，并拘泥于規(guī)范、手冊、圖集等書本和遵從計算結果設計，致使設計思維過于理論化，注重理論忽略結構構造，從而忽略了結構概念設計的重要性。并且，由于各種因素，目前的結構計算軟件總是存在著一定的局限性、適用性和近似性。如，結構的模型化誤差；非結構構件對結構剛度的影響；樓板對結構剛度的影響；溫度變化在結構構件中產生的應力；結構的實際阻尼(比)；回填土對地下室約束相對剛度比；地基基礎和上部結構的相互作用等。有些影響因素目前還無法給準確的模型描述，也只能給出簡化的表達或簡單的處理，受人為影響較大，因此設計人員不能據(jù)此來定分析軟件的正確性，更不能對異常構件、部位置之不理或偏信于計算機的結果，而足應該從整體上來把握和控制結構體系的各項性能，對內力異常的構件或部位，應從明確的結構概念出發(fā)來分析和處理，從而確保結構的安全性。又如，現(xiàn)在三維結構軟件分析次梁支座負彎距時會出現(xiàn)很小的現(xiàn)象，按理論分析一定是支座位移較大產生的結果，但我們實測的支座位移總是比理論計算的結果小得多，故這種現(xiàn)象只能用概念設計加以解釋。因此，在實際工作中強調概念設計的運用是培養(yǎng)結構工程師創(chuàng)造力的關鍵。結構工程師應對基本假定、力學模型及其適用范圍有所了解，并應對計算結果進行分析判斷，確認其正確合理、有效后方可用于工程設計。

　　3重視概念設計，提高設計質量

　　勘察設計是工程的靈魂，質量的龍頭。只有具備優(yōu)秀的設計，才能創(chuàng)建優(yōu)質的工程。一個優(yōu)秀的結構工程師會在每一項工程設計的開始，即在建筑設計的方案階段，根據(jù)經(jīng)驗和專業(yè)設計理論，在腦海中進行一個“優(yōu)化”過程，運用概念設計方法，可以迅速、有效地對結構體系進行構思、比較與選擇，同時幫助建筑師開拓或實現(xiàn)建筑物業(yè)所想要的空間形式及其使用、構造與形象功能，并以此為目標，與建筑師一起確定建筑的總體結構體系，并能明確總體結構體系分體結構體系的最優(yōu)受力方案所得方案往往概念清晰、定性正確，避免了后期設計階段一些不必要的煩瑣運算，具有較好的經(jīng)濟可靠性能。同時，這也是判斷汁算機內力分析輸出數(shù)據(jù)可靠與否的主要依據(jù)。概念設計是結構設計的核心和靈魂，它統(tǒng)領結構設計的全過程，貫穿著設計工程師的知識水平和設計水平。運用結構概念設計從整體上把握結構的各項性能，這樣才能對計算分析結果進行科學的判斷、合理的采用，保證了工程師在設計中的主導地位。

　　4結語

　　概念設計的水平，取決于深厚的基礎理論、對結構原理和力學性質的深刻理解、豐富的工程經(jīng)驗(包括處理施工中的一些實際問題)以及設計人員分析問題、解決問題的能力，它是一種綜合設計能力的體現(xiàn)。只有富于創(chuàng)新并具有豐富實踐經(jīng)驗的結構工程師才能協(xié)同建筑師去實現(xiàn)理想的構思，設計質量才能得到最佳的保證。

　　參考文獻

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