高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)淺談

翟晶晶 晉城市建筑設(shè)計(jì)院

1 概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)措施概述

1.1 概念設(shè)計(jì)

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，概念設(shè)計(jì)主要為：設(shè)計(jì)人員按照客戶標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與理念，對施工現(xiàn)場進(jìn)行查看，對工程情況做出分析，設(shè)計(jì)圖紙的整個過程，以及過程期間對解決產(chǎn)生的各類問題的具體措施。簡而言之，即設(shè)計(jì)人員開展建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作階段，對設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與理念通過概念設(shè)計(jì)做出充分體現(xiàn)。因此，概念設(shè)計(jì)也成為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵基礎(chǔ)與重要前提，并對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與方案的科學(xué)性與可行性產(chǎn)生重要影響。

1.2 結(jié)構(gòu)措施

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，結(jié)構(gòu)措施屬于設(shè)計(jì)的先導(dǎo)，成為支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要部分，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要骨架以及靈魂?；诮ㄖO(shè)計(jì)內(nèi)涵，結(jié)構(gòu)措施不但屬于概念設(shè)計(jì)，同樣屬于概念設(shè)計(jì)內(nèi)容的拓展延伸以及具體深化。設(shè)計(jì)人員開展設(shè)計(jì)工作階段，均基于概念設(shè)計(jì)入手，即對建筑外形、功能以及內(nèi)部情況等采取全面綜合分析，并根據(jù)建筑場地所處區(qū)域的地質(zhì)地理以及自然氣候等情況，按照各類建筑標(biāo)準(zhǔn)以及操作規(guī)范，對力學(xué)概念做出科學(xué)系統(tǒng)分析之后，構(gòu)建科學(xué)的結(jié)構(gòu)體系?；诖四軌虻弥?，設(shè)計(jì)人員在對結(jié)構(gòu)做出明確階段，會由于專業(yè)能力、經(jīng)驗(yàn)以及主觀因素等產(chǎn)生影響。

2 結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的重要性和必要性

2.1 結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的重要性

概念設(shè)計(jì)是一種基于理論基礎(chǔ)知識的設(shè)計(jì)思想，結(jié)合先進(jìn)的設(shè)計(jì)工具、設(shè)計(jì)技術(shù)等制定全面科學(xué)的設(shè)計(jì)方案，使理論和實(shí)際結(jié)合起來，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)體系在力學(xué)特性、構(gòu)造處理等方面都比較適合的結(jié)構(gòu)方案。概念設(shè)計(jì)一方面可以激發(fā)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師的主動與創(chuàng)造性，另一方面能全面提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量。一名優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師必須要首先詳細(xì)了解概念設(shè)計(jì)的內(nèi)容、特點(diǎn)和作用等，才能提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平。此外，在設(shè)計(jì)方案制定初期，必須要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師結(jié)合具體情況作出判斷，這就要求結(jié)構(gòu)工程師們必須要全面掌握建筑結(jié)構(gòu)的概念，才能制定出比較好的結(jié)構(gòu)方案。

2.2 結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的必要性

在計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展的背景下，結(jié)構(gòu)工程師們對于計(jì)算機(jī)過于依賴，但計(jì)算機(jī)并不能代替設(shè)計(jì)，只有加強(qiáng)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的意識，才能更加客觀真實(shí)地理解建筑結(jié)構(gòu)的工作性能，合理地進(jìn)行設(shè)計(jì)。在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要做出各種力學(xué)數(shù)值來計(jì)算和分析，但是一般會借助計(jì)算軟件來工作，使得結(jié)構(gòu)工程師缺乏對建筑設(shè)計(jì)工作深入的思考，也會存在因軟件問題而帶來的危害。比如在進(jìn)行結(jié)構(gòu)平面布置時(shí)，計(jì)算時(shí)通過計(jì)算加大材料能夠滿足軟件計(jì)算的承載力和使用要求，但是并不是合適的結(jié)構(gòu)方案，使得結(jié)構(gòu)臃腫，浪費(fèi)材料。如果概念設(shè)計(jì)的思想與方法更加清晰，就能處理好整體結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)件之間的關(guān)系，使最終形成的方案更加準(zhǔn)確合理，從而免去了后期工作中的一些煩瑣計(jì)算。此外，概念設(shè)計(jì)的應(yīng)用還能對計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，避免出現(xiàn)電算誤差和軟件操作錯誤，在實(shí)際工作時(shí)采用概念設(shè)計(jì)理論有利于探討更深層次的設(shè)計(jì)問題，從而使設(shè)計(jì)總體質(zhì)量得到提升，不僅簡化了設(shè)計(jì)的流程，而且也保證了計(jì)算數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 概念設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1 科學(xué)選擇建筑結(jié)構(gòu)剛度

建筑領(lǐng)域各項(xiàng)指標(biāo)中，建筑結(jié)構(gòu)剛度屬于十分關(guān)鍵的內(nèi)容，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中占據(jù)著非常關(guān)鍵的位置。所以，務(wù)必要確保對建筑剛度的科學(xué)合理選擇。以此同時(shí)，選擇科學(xué)合理的建筑剛度，對建筑自振周期的有效增加、抗震性能等方面均有著非比尋常的影響和意義。除此之外，良好的剛度，同樣可以使空間使用率得到相應(yīng)的增加，節(jié)約成本，使建筑平面能夠得到更加充分高效的利用，對建筑設(shè)計(jì)做出有效優(yōu)化。

3.2 科學(xué)選擇建筑主體結(jié)構(gòu)

合理、對稱屬于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循的基本原則，此原則可以有效減少建筑材料的使用，節(jié)約成本，保證建筑結(jié)構(gòu)中重要結(jié)構(gòu)構(gòu)件良好的安全性以及穩(wěn)定性，還可以減小建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)。建筑結(jié)構(gòu)具備的對稱性特點(diǎn)，屬于建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部、整體或部分的相互對應(yīng)以及統(tǒng)一一致。具體設(shè)計(jì)階段，為確保建筑結(jié)構(gòu)可以保持對稱，可對建筑質(zhì)心或平面形心的實(shí)際距離做出合理的調(diào)整，通過對重心的有效調(diào)整，確保建筑結(jié)構(gòu)可以保持對稱。

3.3 基于場地情況選擇建筑基礎(chǔ)方案

選定建筑區(qū)域，開展勘測設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)建筑形式以及區(qū)域地形，對建筑基礎(chǔ)做出科學(xué)合理的選擇。建筑基礎(chǔ)通常涵蓋樁基礎(chǔ)與筏板基礎(chǔ)等，筏板基礎(chǔ)具有良好的整體剛度，能夠使荷載均勻擴(kuò)散，確保建筑更加安全穩(wěn)定，避免由于受力不均勻的情況，產(chǎn)生基礎(chǔ)沉降，可以使建筑抗震性能得到有效的增強(qiáng)。樁基礎(chǔ)作為建筑基礎(chǔ)方案的不同形式，該結(jié)構(gòu)通常在地表松軟或是荷載相對較大的高層建筑較為多見。該種形式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，可以對上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的荷載傳遞至穩(wěn)定的基礎(chǔ)持力層，保證建筑更加安全、穩(wěn)定、可靠。

3.4 合理選擇建筑場地

對建筑場地的選擇屬于建筑設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容，選擇標(biāo)準(zhǔn)因素包括：日照間距、建筑退界。安全防護(hù)距離等方面。除此之外，同樣需重視不宜在危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行選址，以防地質(zhì)災(zāi)害等情況對安全產(chǎn)生嚴(yán)重影響，尤其是地震災(zāi)害產(chǎn)生的威脅影響。位于危險(xiǎn)地域建設(shè)項(xiàng)目，應(yīng)對建筑抗震等級進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶岣撸⒉扇∠鄳?yīng)的具體抗震措施。應(yīng)對施工地點(diǎn)做出科學(xué)合理選擇，并重視開展必要的勘測以及研究工作。

3.5 豎向設(shè)計(jì)

高層結(jié)構(gòu)抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的剛度應(yīng)從下往上逐漸過渡，避免因?yàn)橥蛔兌鴾p弱了對水平荷載的抵抗能力。豎向設(shè)計(jì)時(shí)可以通過“剛?cè)岵?jì)”的方法加強(qiáng)某些構(gòu)件，減弱某些構(gòu)件，如美洲銀行大廈，通過設(shè)置較大剛度的束筒和較弱的連梁，達(dá)到很好的消能減震的作用。另外結(jié)合建筑的要求，結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行適當(dāng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，如深圳萬科中心設(shè)計(jì)采用斜拉索的結(jié)構(gòu)形式，采用了類似于斜拉橋的設(shè)計(jì)方法，在首層形成了連續(xù)大空間。

3.6 平面設(shè)計(jì)

為提高建筑的抗震能力，在平面設(shè)計(jì)時(shí)宜選擇規(guī)則的結(jié)構(gòu)布局形式，控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)，避免薄弱連接，可設(shè)置抗震縫將結(jié)構(gòu)劃分成若干抗震單元。在高層建筑平面設(shè)計(jì)中，由于建筑需要承受更多的風(fēng)壓，所以必須保證建筑外形是流線型，如圓形建筑平面的風(fēng)荷載較矩形平面的小。平面上兩個正交方向的剛度宜盡量接近，抗側(cè)力結(jié)構(gòu)（柱、剪力墻）宜設(shè)置在四周，以增大整體的抗側(cè)剛度及抗扭剛度，同時(shí)，應(yīng)加大梁或樓層的剛度，使柱（或剪力墻）能承擔(dān)較大的整體彎矩。

4 結(jié)束語

所謂的“概念設(shè)計(jì)”，就是將設(shè)計(jì)方向明確之后，對于設(shè)計(jì)資料的收集、整理以及分析工作都是由工程師完成，對設(shè)計(jì)的具體步驟以及設(shè)計(jì)的內(nèi)容予以分解，將新的設(shè)計(jì)方案制定出來，確保與建筑方案的構(gòu)思吻合。在概念設(shè)計(jì)中需要對建筑有關(guān)的各個方面問題予以考慮，諸如施工場地所在地理環(huán)境、建筑的整體形狀以及建筑所發(fā)揮的功能等等，對于這些問題，需要深入分析，運(yùn)用科學(xué)的方法將多種要素融入到概念設(shè)計(jì)中。