浅谈结构设计的新思路—概念设计

浅谈结构设计的新思路—概念设计

蔡杰彬

关键词：建筑工程；结构设计；概念设计

一、概念设计的必要性

1.概念设计是结构设计的基础与灵魂

结构的概念设计在结构设计中占有重要的地位，结构设计的流程一般分为3个阶段：前期的方案选择、中期的结构计算及后期的施工图绘制。结构的概念设计是结构分析和设计的第一步，结构设计三个阶段离不开科学的概念作指导。

（1）方案设计阶段

一个成功的设计必须选择一个经济合理的结构方案，即选择一个切实可靠的结构形式和结构体系。在此阶段，设计者除了对建筑物的功能要求、地理环境、资金配备、材料供应、施工条件与水平等进行综合的分析，并与建筑、水电、设备等专业进行充分比较外，还要考虑结构内部的协同工作、结构抗震的构造设计、结构整体性能控制等问题，而后完成结构选型，确定结构方案，必要时还要对多个方案进行比较，择优选用。因此方案设计过程是不能借助于计算机或理论计算来实现的，它需要结构工程师综合应用其掌握的结构概念，在深入了解各类结构性能的基础上，有针对性地选择效果最好、造价最低的结构方案。

（2）结构计算阶段

结构计算是在计算简图的基础上进行的，即要对作用在结构构件上的荷载和构件的约束进行一定的简化，简化后的结构内力变形必须与原结构尽可能一致。目前由于建筑物的功能复杂多样，结构计算一般是通过计算机来完成的，因此结构工程师必须把实际工程的结构形式转换成计算机能够识别的计算模型，并且要保证模型受力和变形的精确性，在此基础上结构工程师还应根据实际结构的工作状态，在全面了解程序软件的适用范围与技术条件后正确选择和使用结构设计软件，同时再用概念设计对电算结果进行科学分析，作正确合理的判断。

（3）施工图绘制阶段

结构工程师通过计算机完成结构设计计算并对结果确认无误后，接着就是把计算结果用施工图的方式表现出来。此时，结构工程师还有一项比较艰巨的任务需要完成，即调图工作。他们要检查施工是否正确反映设计意图，是否满足结构整体稳定和各构件间协同工作的要求、结构抗震设计的要求、结构的材料利用率和经济适用的要求等。很多刚毕业的大学生面对施工图纸无法断定其适用性和正确否，主要原因就是他们缺乏经验与实践过程中结构概念的养成。

2.概念设计思想的运用。弥补结构设计理论和计算理论的缺陷，拓宽结构设计思路

我国现行的结构设计理论与计算理论采用以概率理论为基础的结构极限状态设计准则，与过去经历过的经验估算法、容许应力法及破损阶段法相比，它更科学、更合理，但也存在一些缺陷或不可计算性，即它对具体空间结构体系整体研究存在一定的局限性，只能视作近似概率法。如，对混凝土楼板结构设计，内力计算是基于弹性理论的计算方法，而截面设计却是基于塑性理论的极限状态设计方法，这一矛盾使计算结果结构的实际受力状态差之甚远。为了弥补这一缺陷，或者实现对实际存在的大量无法计算的结构构件的设计，必须用优秀的概念设计与结构措施来满足结构设计的目的。

3.概念设计思想的运用，有利于培养结构工程师的创造力

随着计算机结构分析软件的广泛应用和普及，它使人们摆脱了过去必须进行的大量的手工计算，使人们的工作效率得到大幅度的提高。与此同时，结构设计人员对结构计算软件的依赖性也越来越大，有时甚至过分地相信计算软件，并拘泥于规范、手册、图集等书本和遵从计算结果设计，致使设计思维过于理论化，注重理论忽略结构构造，从而忽略了结构概念设计的重要性。并且，由于各种因素，目前的结构计算软件总是存在着一定的局限性、适用性和近似性。如，结构的模型化误差；非结构构件对结构刚度的影响；楼板对结构刚度的影响；温度变化在结构构件中产生的应力；结构的实际阻尼比；回填土对地下室约束相对刚度比；地基基础和上部结构的相互作用等。有些影响因素目前还无法给准确的模型描述，也只能给出简化的表达或简单的处理，受人为影响较大，因此设计人员不能据此来定分析软件的正确性，更不能对异常构件、部位置之不理或偏信于计算机的结果，而足应该从整体上来把握和控制结构体系的各项性能，对内力异常的构件或部位，应从明确的结构概念出发来分析和处理，从而确保结构的安全性。

二、建筑结构设计中概念设计、结构措施具体应用的体现

1.在建筑结构设计中抗震设计时的应用

设计前首先要考虑建筑的场地，在进行抗震设计时，一般设计师会先确定混凝土的等级、初始尺寸，然后进行结构实际刚度的计算，然后依据刚度的计算结构得出地震力的大小，从而掌握需要配筋的数目。结构刚度的大小、地震力的大小、需要配筋的数目三者是正相关的。所以如果我们计算的刚度大，对地震力大小的推断就大，配筋数目也多。反之，建筑使用的实际配筋越多，结构刚度就大，地震力也大，所以这就会加剧地震的力度，抗震也就达不到理想的效果。概念设计的应用能够给设计师带来灵感，开拓设计的思路，从而不再局限于传统的设计，产生了应用降低作用效果的新思路，如采用隔震消能的概念设计方法，在建筑物的主体和各基础之间设置隔震层、在建筑物的顶端放置反摆，都可以大幅度降低地震的效果，也就达到了理想的抗震设计效果。

2.在建筑结构设计中计算机分析时的应用

经济全球化、信息全球化使得互联网技术应用到了各行各业中。建筑行业也不例外，正在广泛的应用互联网技术。互联网技术在一定程度上的确减轻了设计人员的负担。但其实应用计算机是有很多的不足的。设计师在采用计算机软件进行结构设计时产生了依赖性，忽视了结构概念的学习，在无形中降低了设计的专业水平。当然选择合适的软件进行计算分析可以提高结构的设计效率，但一旦选择了不合适的软件，会对计算的结果产生非常大的影响、设计就会存在隐患或直接问题。而概念设计在计算机分析中的应用可以有效弥补这种不足。应用概念设计后，设计师能够全面的理解结构概念及相关内容，然后借助计算机软件的结果，根据自身的经验、专业知识判断计算结果，保证结果的准确性，设计出最科学合理的建筑结构方案。

3.建筑结构设计中协同工作的应用

我国在建筑行业发展较快，而要保持持续发展就要开展建筑结构的设计，实现用最少的投入获得最优的设计成效的目标。而协同工作的应用可以有效提高材料的利用率。协同工作是指将建筑工程中的每个部件的作用发挥出来，并且与其他零件相互配合，这是概念设计中的一个内容。协同工作可以保证建筑结构的安全稳定，也提升了对建筑材料的利用。21世纪提倡节能、环保的理念，建筑行业也不例外，这就要求建筑结构在进行设计时要提高资源利用率，降低资源的浪费。如建筑中的矩形截面受压构件，它在梁的长度变化引起梁弯矩变化以及梁的中和轴附近材料利用率低两方面的影响造成它的利用率非常低。通过运用概念设计进行建筑结构的分析，科学调整梁截面的应变梯度，保持了构件的轴心受力，提高了利用率。

结语

对建筑结构设计中概念设计理念的实践，及对结构措施的实施都不是一朝一夕可以完成的工作，需要建筑结构设计师实践探索中不断总结工作经验，关注时代发展动态及新能源新材料的使用，不断提高建筑结构的安全性能，努力设计出即稳定安全又美观大方的建筑。

参考文献：

[1]罗文强.概念设计在建筑结构设计中的运用[J].民营科技，2010，04：270+126.

[2]杨涛.概念设计在建筑结构设计中的应用分析[J].江西建材，2016，12：15.

[3]程勇.浅谈概念设计在建筑结构设计中的应用[J].建材与装饰，2016，12：93-94.