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摘要：概念设计在结构设计中起着不可忽视的作用，文中对概念设计的重要性进行了分析，就概念设计在建筑结构中的具体应用进行了探讨，以供参考。
关键词：概念设计 建筑结构 设计
中图分类号：TU3文献标识码： A
前言
当前在分工细化的市场环境下，大部分结构设计师更多的是依赖于各种设计规范、结构设计手册、电脑程序等进行传统的建筑结构设计，人们在具体的空间结构体系整体研究上还有一定的局限性，在设计过程中采用了许多假定与简化。作为结构工程师不应盲目地照搬照抄规范，应该把它作为一种指南、参考，并在实际设计项目中作出正确的选择。这就要求结构工程师对整体结构体系与各基本分体系之间的力学关系有透彻的认识，把概念设计应用到实际工作中去。
一、结构概念设计
在多高层结构设计时，应尽可能避免短柱，其主要的目的是使同层各柱在相同的水平位移时，能同时达到最大承载能力，但随着建筑物的高度与层数的增加，巨大的竖向和水平荷载使底层柱截面越来越大，从而造成高层建筑的底部数层出现大量短柱，为了避免这种现象的出现，对于大截面柱，可以通过对柱截面开竖槽，使矩形柱成为田形柱，从而增大长细比，避免短柱的出现，这样就能使同层的抗侧力结构在相近的水平位移下，达到最大的水平承载力；而对于梁的跨高比的限制，一般还没有充分认识到。多高层结构设计的主要目的即是为了抵抗水平力的作用，防止扭转，为有效的抵抗水平力作用，平面上2 个正交方向的尺寸宜尽量接近，目的是保证这2 个方向上的。“惯性矩”相等，以防止1 个方向强度(稳定性)储备太大，而另一个方向较弱。因此，抗侧力结构(柱、剪力墙)宜设置在四周，以增大整体的抗侧刚度及抗扭惯性矩，同时，应加大梁或楼层的刚度，使柱(或剪力墙)能承担较大的整体弯矩，这就是“转换层”的概念。
防止扭转的目的，是因为在扭转发生时，各柱节点水平位移不等，距扭转中心较远的角柱剪力很大，而中柱剪力较小，破坏由外向里，先外后里。为防止扭转，抗侧力结构应对称布置，宜设在结构两端，紧靠四周设置，以增大抗扭惯性矩。因此，高层或超高层建筑中，尽管角柱轴压比较小，但其在抗扭过程中作用却很大(若角柱先坏，整个结构的扭转刚度或强度下降，中柱必定依次被破坏)，同时，在水平力的作用下，角柱轴力的变化幅度也会很大，这样势必要求角柱有较大的变形能力。由于角柱的上述作用，角柱设计时在承载力和变形能力上都应有较多考虑，如加大配箍，采用密排箍筋柱、钢管混凝土柱。目前，部分建筑在其四角设置巨型钢管柱，从而极大地增强了角柱的强度和抗变形能力。柱的轴压比大小，直接反映了柱的塑性变形能力，而构件的变形能力会极大地影响结构的延性。混凝土基本理论指出：混凝土构件的曲率延性，即弯曲变形能力主要取决于截面的相对受压区高度和受压区边缘混凝土的极限变形能力。相对受压区高度主要取决于轴压比、配筋等，混凝土的极限变形能力主要取决于箍筋的约束程度，即箍筋的形式和配箍特征值。因此，为了增大柱在地震作用下的变形能力，控制柱的轴压比和改善配箍具有同样的意义，因而采用密排螺旋箍筋柱或钢管混凝土均可以提高柱轴压比的限值。
二、材料利用率
一般来讲，材料利用率越高(即应力水平越高)，该结构的协同工作程度也越高。这就要求设计时对结构材料的充分利用，这从梁类构件的演变可以看出。矩形截面梁是最普通的受弯构件，它的材料利用率很低。梁截面存在应变梯度，只有当构件是轴心受力时，材料利用率才可能增大，于是就出现了平面桁架，平面桁架可以理解成“掏空”的梁———将梁中多余材料去除，既经济，又降低自重；故桁架的上弦相应于梁的受压边，下弦相应于受拉钢筋。规则桁架中腹杆的受力(拉、压)与梁中主拉、压应力方向一致，根据上述分析，还可以将桁架的外形设计为与弯矩图相似的形状，从而使桁架的弦杆受力均匀。由于桁架中大量存在压杆，压杆的强度往往由其稳定性决定，而不是由杆件截面材料强度决定，因此，在平面桁架的设计过程中，应设法降低压杆的长细比。单纯增大截面是下策，特别是上弦杆，应努力增加其平面外的刚度(有时上弦采用双杆形成的复合压杆)，提供平面外约束(增加支撑)，如果把这些平面外的支撑再连接成桁架，这样就使平面桁架变为平面交叉桁架，最后发展为空间网架。空间网架的材料利用率高，应力水平高，故在大跨度、大空间结构中广泛使用，但网架结构中仍然存在压杆，压杆(特别是钢压杆)的应力水平不可能太高(因为随着跨度的增加，网架的高度增大，腹杆的长度将增大，同时节点距离的增大也导致弦杆长度的增大)，这样高强材料就不能使用。因此，努力减少或消除结构中的压杆，就使我们找到了悬索结构，悬索结构中所有的“杆件”均为拉杆，这样就使悬索结构中杆件的应力水平极高，材料利用率极大，高强材料得以充分利用，还可施加预应力。因而在超大跨度的结构中，悬索结构(或包括悬索结构的组合结构)是首选的结构类型。就混凝土基本理论的发展来看，也体现了使各种材料充分发挥性能，并相互协同工作的特点。例如，钢筋混凝土与预应力混凝土之间的区别在于钢筋混凝土是将混凝土与钢筋两者简单地结合在一起，并让他们自行地共同工作，预应力混凝土是将高强钢筋与高强混凝土能动地结合在一起，使两种材料均产生非常好的性能。反映了人们对混凝土中的协同工作认识和运用过程的加深。目前广泛使用的钢- 混凝土结构，是将钢结构与混凝土结构相互取长补短形成的一种新型的结构形式尤其是钢管混凝土，与预应力混凝土相似，更将这两种材料能动地结合起来，实现了结构材料的又一次革命。它的出现，使传统意义上的受压破坏特征由脆性变为延性，对结构抗震的延性设计意义巨大，也使超高层建筑底层柱的轴压比限制问题迎刃而解。
从上述结构构件的演化，推而广之，在结構设计中，只有当构件越多处于轴心受力状态，其材料的利用率才可以提高，经济性也就越好。对框架结构，竖向荷载作用下，框架柱宜处于小偏心受压下工作，若大量柱处于大偏心受压工作状态，则该结构方案的经济性一般不好，故对非地震区的框架结构，其框架柱应优先设计为小偏心受压。这里就出现了一个矛盾，在地震作用下，大部分柱可能处于大偏心受压状态工作，截面设计时，大量柱的配筋仅仅是为万一发生地震而增加的，这些钢材在不发生地震时，将不起丝毫作用，这显然是不经济的，与抗震设计的整体思想也不相符。为避免这种现象的出现，一方面应设法加强结构整体性，必要时，在某些楼层设置刚性转换层，从而加大整体弯矩，减小引起柱弯曲变形的局部弯矩；另一方面，对柱的设计，可将整个楼层面的柱设计为多肢柱，使多肢柱的每一根杆件都能处于轴心受力状态。
结束语
发展先进计算理论,加强计算机的应用,加快新型、高强、轻质、环保建材的研究与应用,使建筑结构设计更加安全、适用、可靠、经济。其中,打破建筑结构设计中的墨守成规,充分发挥结构工程师的创新能力,是相当必要的。
参考文献
[1] 陈刚.建筑结构设计中的概念设计与结构措施[J]. 广西大学学报(自然科学版). 2007(S1)
[2] 孙鹏.建筑结构设计中的概念设计与结构措施[J]. 黑龙江科技信息. 2011(04)
[3] 张广生.建筑结构设计中的概念设计与结构措施[J]. 中国新技术新产品. 2011(06)
[4] 孙宇栋.建筑结构设计中的协同工作思想[J]. 山西建筑. 2007(25)
关键词：概念设计 建筑结构 设计
中图分类号：TU3文献标识码： A
前言
当前在分工细化的市场环境下，大部分结构设计师更多的是依赖于各种设计规范、结构设计手册、电脑程序等进行传统的建筑结构设计，人们在具体的空间结构体系整体研究上还有一定的局限性，在设计过程中采用了许多假定与简化。作为结构工程师不应盲目地照搬照抄规范，应该把它作为一种指南、参考，并在实际设计项目中作出正确的选择。这就要求结构工程师对整体结构体系与各基本分体系之间的力学关系有透彻的认识，把概念设计应用到实际工作中去。
一、结构概念设计
在多高层结构设计时，应尽可能避免短柱，其主要的目的是使同层各柱在相同的水平位移时，能同时达到最大承载能力，但随着建筑物的高度与层数的增加，巨大的竖向和水平荷载使底层柱截面越来越大，从而造成高层建筑的底部数层出现大量短柱，为了避免这种现象的出现，对于大截面柱，可以通过对柱截面开竖槽，使矩形柱成为田形柱，从而增大长细比，避免短柱的出现，这样就能使同层的抗侧力结构在相近的水平位移下，达到最大的水平承载力；而对于梁的跨高比的限制，一般还没有充分认识到。多高层结构设计的主要目的即是为了抵抗水平力的作用，防止扭转，为有效的抵抗水平力作用，平面上2 个正交方向的尺寸宜尽量接近，目的是保证这2 个方向上的。“惯性矩”相等，以防止1 个方向强度(稳定性)储备太大，而另一个方向较弱。因此，抗侧力结构(柱、剪力墙)宜设置在四周，以增大整体的抗侧刚度及抗扭惯性矩，同时，应加大梁或楼层的刚度，使柱(或剪力墙)能承担较大的整体弯矩，这就是“转换层”的概念。
防止扭转的目的，是因为在扭转发生时，各柱节点水平位移不等，距扭转中心较远的角柱剪力很大，而中柱剪力较小，破坏由外向里，先外后里。为防止扭转，抗侧力结构应对称布置，宜设在结构两端，紧靠四周设置，以增大抗扭惯性矩。因此，高层或超高层建筑中，尽管角柱轴压比较小，但其在抗扭过程中作用却很大(若角柱先坏，整个结构的扭转刚度或强度下降，中柱必定依次被破坏)，同时，在水平力的作用下，角柱轴力的变化幅度也会很大，这样势必要求角柱有较大的变形能力。由于角柱的上述作用，角柱设计时在承载力和变形能力上都应有较多考虑，如加大配箍，采用密排箍筋柱、钢管混凝土柱。目前，部分建筑在其四角设置巨型钢管柱，从而极大地增强了角柱的强度和抗变形能力。柱的轴压比大小，直接反映了柱的塑性变形能力，而构件的变形能力会极大地影响结构的延性。混凝土基本理论指出：混凝土构件的曲率延性，即弯曲变形能力主要取决于截面的相对受压区高度和受压区边缘混凝土的极限变形能力。相对受压区高度主要取决于轴压比、配筋等，混凝土的极限变形能力主要取决于箍筋的约束程度，即箍筋的形式和配箍特征值。因此，为了增大柱在地震作用下的变形能力，控制柱的轴压比和改善配箍具有同样的意义，因而采用密排螺旋箍筋柱或钢管混凝土均可以提高柱轴压比的限值。
二、材料利用率
一般来讲，材料利用率越高(即应力水平越高)，该结构的协同工作程度也越高。这就要求设计时对结构材料的充分利用，这从梁类构件的演变可以看出。矩形截面梁是最普通的受弯构件，它的材料利用率很低。梁截面存在应变梯度，只有当构件是轴心受力时，材料利用率才可能增大，于是就出现了平面桁架，平面桁架可以理解成“掏空”的梁———将梁中多余材料去除，既经济，又降低自重；故桁架的上弦相应于梁的受压边，下弦相应于受拉钢筋。规则桁架中腹杆的受力(拉、压)与梁中主拉、压应力方向一致，根据上述分析，还可以将桁架的外形设计为与弯矩图相似的形状，从而使桁架的弦杆受力均匀。由于桁架中大量存在压杆，压杆的强度往往由其稳定性决定，而不是由杆件截面材料强度决定，因此，在平面桁架的设计过程中，应设法降低压杆的长细比。单纯增大截面是下策，特别是上弦杆，应努力增加其平面外的刚度(有时上弦采用双杆形成的复合压杆)，提供平面外约束(增加支撑)，如果把这些平面外的支撑再连接成桁架，这样就使平面桁架变为平面交叉桁架，最后发展为空间网架。空间网架的材料利用率高，应力水平高，故在大跨度、大空间结构中广泛使用，但网架结构中仍然存在压杆，压杆(特别是钢压杆)的应力水平不可能太高(因为随着跨度的增加，网架的高度增大，腹杆的长度将增大，同时节点距离的增大也导致弦杆长度的增大)，这样高强材料就不能使用。因此，努力减少或消除结构中的压杆，就使我们找到了悬索结构，悬索结构中所有的“杆件”均为拉杆，这样就使悬索结构中杆件的应力水平极高，材料利用率极大，高强材料得以充分利用，还可施加预应力。因而在超大跨度的结构中，悬索结构(或包括悬索结构的组合结构)是首选的结构类型。就混凝土基本理论的发展来看，也体现了使各种材料充分发挥性能，并相互协同工作的特点。例如，钢筋混凝土与预应力混凝土之间的区别在于钢筋混凝土是将混凝土与钢筋两者简单地结合在一起，并让他们自行地共同工作，预应力混凝土是将高强钢筋与高强混凝土能动地结合在一起，使两种材料均产生非常好的性能。反映了人们对混凝土中的协同工作认识和运用过程的加深。目前广泛使用的钢- 混凝土结构，是将钢结构与混凝土结构相互取长补短形成的一种新型的结构形式尤其是钢管混凝土，与预应力混凝土相似，更将这两种材料能动地结合起来，实现了结构材料的又一次革命。它的出现，使传统意义上的受压破坏特征由脆性变为延性，对结构抗震的延性设计意义巨大，也使超高层建筑底层柱的轴压比限制问题迎刃而解。
从上述结构构件的演化，推而广之，在结構设计中，只有当构件越多处于轴心受力状态，其材料的利用率才可以提高，经济性也就越好。对框架结构，竖向荷载作用下，框架柱宜处于小偏心受压下工作，若大量柱处于大偏心受压工作状态，则该结构方案的经济性一般不好，故对非地震区的框架结构，其框架柱应优先设计为小偏心受压。这里就出现了一个矛盾，在地震作用下，大部分柱可能处于大偏心受压状态工作，截面设计时，大量柱的配筋仅仅是为万一发生地震而增加的，这些钢材在不发生地震时，将不起丝毫作用，这显然是不经济的，与抗震设计的整体思想也不相符。为避免这种现象的出现，一方面应设法加强结构整体性，必要时，在某些楼层设置刚性转换层，从而加大整体弯矩，减小引起柱弯曲变形的局部弯矩；另一方面，对柱的设计，可将整个楼层面的柱设计为多肢柱，使多肢柱的每一根杆件都能处于轴心受力状态。
结束语
发展先进计算理论,加强计算机的应用,加快新型、高强、轻质、环保建材的研究与应用,使建筑结构设计更加安全、适用、可靠、经济。其中,打破建筑结构设计中的墨守成规,充分发挥结构工程师的创新能力,是相当必要的。
参考文献
[1] 陈刚.建筑结构设计中的概念设计与结构措施[J]. 广西大学学报(自然科学版). 2007(S1)
[2] 孙鹏.建筑结构设计中的概念设计与结构措施[J]. 黑龙江科技信息. 2011(04)
[3] 张广生.建筑结构设计中的概念设计与结构措施[J]. 中国新技术新产品. 2011(06)
[4] 孙宇栋.建筑结构设计中的协同工作思想[J]. 山西建筑. 2007(25)