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【摘 要】在建筑结构设计中，概念设计与结构措施至关重要，它在一定程度上反映了一个结构工程师的设计水平，笔者对建筑结构设计中的概念设计及结构措施进行了简要分析。
【关键词】建筑结构设计；概念设计；结构设计
在建筑结构设计中，概念设计与结构措施至关重要。一定程度上它反映了一个结构工程师的设计水平，下面就这两个问题谈一下笔者的看法。
一、概念設计的重要性
概念设计是展现先进设计思想的关键，一个结构工程师的主要任务就是在特定的建筑空间中用整体的概念来完成结构总体方案的设计，并能有意识地处理构件与结构、结构与结构的关系。一般认为，概念设计做得好的结构工程师，随着他的不懈追求，其结构概念将随他的年龄与实践的增长而越来越丰富，设计成果也越来越创新、完善。遗憾的是，随着社会分工的细化，大部分结构工程师只会依赖规范、设计手册、计算机程序做习惯性传统设计，缺乏创新，更不愿（不敢）创新，有的甚至拒绝对新技术、新工艺的采纳（害怕承担创新的责任）。大部分工程师在一体化计算机结构程序设计全面应用的今天，对计算机结果明显不合理、甚至错误而不能及时发现。随着年龄的增长 ，导致他们在大学学的那些孤立的概念都被逐渐忘却，更谈不上设计成果的不断创新。
强调概念设计的重要，主要还因为现行的结构设计理论与计算理论存在许多缺陷或不可计算性，比如对混凝土结构设计，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与结构的实际受力状态差之甚远，为了弥补这类计算理论的缺陷，或者实现对实际存在的大量无法计算的结构构件的设计，都需要优秀的概念设计与结构措施来满足结构设计的目的。同时计算机结果的高精度特点，往往给结构设计人员带来对结构工作性能的误解，结构工程师只有加强结构概念的培养，才能比较客观、真实地理解结构的工作性能。
二、协同工作与结构体系
协同工作的概念广泛存在于工业产品的设计和制造中，对于任一个工业产品，我们均不希望其在远未达到其设计寿命（负荷、功能）时，它的某些部件（或零件）即出现破坏。对于建筑结构，协同工作的概念即是要求结构内部的各个构件相互配合，共同工作。这不仅要求结构构件在承载能力极限状态能共同受力，协同工作，同时达到极限状态，还要求他们能有共同的耐久寿命。结构的协同工作表现在基础与上部结构的关系上，必须视基础与上部结构为一个有机的整体，不能把两者割裂开来处理。举例而言，对砖混结构，必须依靠圈梁和构造柱将上部结构与基础连接成一个整体，而不能单纯依靠基础自身的刚度来抵御不均匀沉降，所有圈梁和构造柱的设置，都必须围绕这个中心。
对协同工作的理解，还在于当结构受力时，结构中的各个构件能同时达到较高的应力水平。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加大，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。同时，由于梁的剪力增大，也会使支承柱的轴力大幅增大，这种设计是不符合协同工作原则的，同时，结构的造价必将会上升。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，平面上两个正交方向的尺寸宜尽量接近，目的是保证这两个方向上的“惯性矩”相等，以防止一个方向强度（稳定性）储备太大，而另一个方向较弱。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。
三、协同工作与材料利用率
协同工作设计的另一个目的，还在于对材料的充分利用。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（从优化设计的角度，尽管结构性能最好的方案，不一定是材料利用率最高），尤其对我国这样一个发展中国家，结构设计的目的即是花最少的钱，做最好的建筑，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，原因有二：一方面是靠近中和轴的材料应力水平低，另一方面是梁的弯矩沿梁长一般是变化的，这样对等截面梁来说，大部分区段，即使是拉、压边缘，其应力水平均较低。针对梁的这种受力特点，用结构概念分析，主要是因为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。
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。
四、结语
最后，协同工作的原则也是整体工作的原则。在概念设计日益重要的今天，要求结构工程师应有深厚的基本理论基础，并能不断吸取他人先进的设计思想。对自己的作品、设计（即使是已建成的），应经常进行深刻的反思，对每一项设计都精益求精。
作者简介
张英迪，男，现在黑龙江省纺织工业设计院任职。
【关键词】建筑结构设计；概念设计；结构设计
在建筑结构设计中，概念设计与结构措施至关重要。一定程度上它反映了一个结构工程师的设计水平，下面就这两个问题谈一下笔者的看法。
一、概念設计的重要性
概念设计是展现先进设计思想的关键，一个结构工程师的主要任务就是在特定的建筑空间中用整体的概念来完成结构总体方案的设计，并能有意识地处理构件与结构、结构与结构的关系。一般认为，概念设计做得好的结构工程师，随着他的不懈追求，其结构概念将随他的年龄与实践的增长而越来越丰富，设计成果也越来越创新、完善。遗憾的是，随着社会分工的细化，大部分结构工程师只会依赖规范、设计手册、计算机程序做习惯性传统设计，缺乏创新，更不愿（不敢）创新，有的甚至拒绝对新技术、新工艺的采纳（害怕承担创新的责任）。大部分工程师在一体化计算机结构程序设计全面应用的今天，对计算机结果明显不合理、甚至错误而不能及时发现。随着年龄的增长 ，导致他们在大学学的那些孤立的概念都被逐渐忘却，更谈不上设计成果的不断创新。
强调概念设计的重要，主要还因为现行的结构设计理论与计算理论存在许多缺陷或不可计算性，比如对混凝土结构设计，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与结构的实际受力状态差之甚远，为了弥补这类计算理论的缺陷，或者实现对实际存在的大量无法计算的结构构件的设计，都需要优秀的概念设计与结构措施来满足结构设计的目的。同时计算机结果的高精度特点，往往给结构设计人员带来对结构工作性能的误解，结构工程师只有加强结构概念的培养，才能比较客观、真实地理解结构的工作性能。
二、协同工作与结构体系
协同工作的概念广泛存在于工业产品的设计和制造中，对于任一个工业产品，我们均不希望其在远未达到其设计寿命（负荷、功能）时，它的某些部件（或零件）即出现破坏。对于建筑结构，协同工作的概念即是要求结构内部的各个构件相互配合，共同工作。这不仅要求结构构件在承载能力极限状态能共同受力，协同工作，同时达到极限状态，还要求他们能有共同的耐久寿命。结构的协同工作表现在基础与上部结构的关系上，必须视基础与上部结构为一个有机的整体，不能把两者割裂开来处理。举例而言，对砖混结构，必须依靠圈梁和构造柱将上部结构与基础连接成一个整体，而不能单纯依靠基础自身的刚度来抵御不均匀沉降，所有圈梁和构造柱的设置，都必须围绕这个中心。
对协同工作的理解，还在于当结构受力时，结构中的各个构件能同时达到较高的应力水平。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加大，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。同时，由于梁的剪力增大，也会使支承柱的轴力大幅增大，这种设计是不符合协同工作原则的，同时，结构的造价必将会上升。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，平面上两个正交方向的尺寸宜尽量接近，目的是保证这两个方向上的“惯性矩”相等，以防止一个方向强度（稳定性）储备太大，而另一个方向较弱。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。
三、协同工作与材料利用率
协同工作设计的另一个目的，还在于对材料的充分利用。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（从优化设计的角度，尽管结构性能最好的方案，不一定是材料利用率最高），尤其对我国这样一个发展中国家，结构设计的目的即是花最少的钱，做最好的建筑，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，原因有二：一方面是靠近中和轴的材料应力水平低，另一方面是梁的弯矩沿梁长一般是变化的，这样对等截面梁来说，大部分区段，即使是拉、压边缘，其应力水平均较低。针对梁的这种受力特点，用结构概念分析，主要是因为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。
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。
四、结语
最后，协同工作的原则也是整体工作的原则。在概念设计日益重要的今天，要求结构工程师应有深厚的基本理论基础，并能不断吸取他人先进的设计思想。对自己的作品、设计（即使是已建成的），应经常进行深刻的反思，对每一项设计都精益求精。
作者简介
张英迪，男，现在黑龙江省纺织工业设计院任职。