關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的概念設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)措施的分析

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摘要：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為建筑設(shè)計(jì)中重要組成部分，其對(duì)于建筑的承載性能、安全質(zhì)量、造價(jià)水平以及美觀效果等都有著重要的影響。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，概念設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)措施可以說(shuō)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的根本所在，同時(shí)也在一定程度上反映了結(jié)構(gòu)工程師的設(shè)計(jì)水平。本文主要從概念設(shè)計(jì)的重要性分析、協(xié)通工作與結(jié)構(gòu)體系以及協(xié)同工作與材料利用三個(gè)方面對(duì)概念設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)措施展開綜合性的探討。 

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 概念設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)措施 分析 探討  中圖分類號(hào)：s611文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a 文章編號(hào)：  建筑設(shè)計(jì)作為建筑工程從最初的設(shè)想邁向?qū)嶓w建造的第一步，其設(shè)計(jì)的質(zhì)量對(duì)于工程的建設(shè)的科學(xué)性、合理性有著重要的指導(dǎo)意義。隨著人們居住理念的提高以及建筑工程科技的不斷進(jìn)步，建筑結(jié)構(gòu)正在呈現(xiàn)出需求多樣性以及發(fā)展多元化的趨勢(shì)，這也為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了一定程度的困難性。為了保障建筑工程事業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展，我們有必要對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)展開詳細(xì)的分析與論述。  一、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中概念設(shè)計(jì)的重要性  在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，結(jié)構(gòu)工程師主要的任務(wù)就是在特定的建筑空間內(nèi)運(yùn)用整體的概念來(lái)完成結(jié)構(gòu)總體方案的設(shè)計(jì)，可以說(shuō)概念設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主題思想，同時(shí)也是展現(xiàn)先進(jìn)設(shè)計(jì)思想的根本所在。通常情況下，人們一般認(rèn)為結(jié)構(gòu)工程師隨著他們從事相關(guān)工作年限的增加，其概念設(shè)計(jì)成果的創(chuàng)新以及完善將會(huì)處理得越來(lái)越好，但是這種假設(shè)往往是建立在不受外部條件制約的情況下才會(huì)出現(xiàn)的規(guī)律。在實(shí)際的操作過(guò)程中，隨著社會(huì)分工的明細(xì)化，大部分的結(jié)構(gòu)工程師由于概念設(shè)計(jì)缺乏創(chuàng)新或者是專業(yè)知識(shí)上的陳舊，在設(shè)計(jì)實(shí)施的過(guò)程中往往越來(lái)越依賴于設(shè)計(jì)規(guī)范、設(shè)計(jì)手冊(cè)或者是模仿性的創(chuàng)新，而對(duì)于自主創(chuàng)新或者是突破性的創(chuàng)新往往不敢嘗試，甚至有的還會(huì)對(duì)建筑新技術(shù)以及新工藝采取抵觸的情緒。此外，在一體化計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)全面應(yīng)用的今天，結(jié)構(gòu)工程師對(duì)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)處理結(jié)果明顯不合理、存在的錯(cuò)誤不能及時(shí)的發(fā)覺或者是過(guò)分信賴。致使他們?cè)趯W(xué)習(xí)期間那些孤立的設(shè)計(jì)信念逐漸丟失，因此在創(chuàng)新上難以有突破性的進(jìn)展。  我們強(qiáng)調(diào)概念設(shè)計(jì)的重要，最主要的原因還是在于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與計(jì)算理論存在諸多的缺陷和不可計(jì)算性。比如說(shuō)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，內(nèi)力計(jì)算是通過(guò)彈性理論的計(jì)算方法，而截面設(shè)計(jì)是基于塑性理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法。這一矛盾使得計(jì)算的結(jié)果與設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)差的太遠(yuǎn)，為了彌補(bǔ)計(jì)算理論或者是計(jì)算方法使計(jì)算結(jié)果與實(shí)際需求存在的差距，我們有必要使用優(yōu)秀的概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)措施來(lái)滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的。同時(shí)計(jì)算機(jī)結(jié)果的高精度特點(diǎn)，往往給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員帶來(lái)結(jié)構(gòu)工作性能的誤解，結(jié)構(gòu)工程師只有加強(qiáng)結(jié)構(gòu)概念的培養(yǎng)，才能更加真實(shí)、客觀地理解結(jié)構(gòu)的工作性能。從另一方面來(lái)看，概念設(shè)計(jì)的重要性主要體現(xiàn)在其方案的初步設(shè)計(jì)階段，畢竟初步設(shè)計(jì)階段是完全依靠結(jié)構(gòu)工程師運(yùn)用自身的專業(yè)知識(shí)、然后再通過(guò)優(yōu)化、組合最終完成的，結(jié)構(gòu)工程師只有加強(qiáng)結(jié)構(gòu)概念的學(xué)習(xí)與培養(yǎng)，才能將他們靈活、科學(xué)的實(shí)施到設(shè)計(jì)工作中。  二、協(xié)同工作在結(jié)構(gòu)體系中的運(yùn)用  協(xié)同工作的概念最早廣泛應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中，畢竟對(duì)我們所生產(chǎn)的每一個(gè)產(chǎn)品，我們都不希望在它還沒有完成制造的目的之前，其壽命終結(jié)或者是零部件損壞。在建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，協(xié)同工作的概念就是要求結(jié)構(gòu)內(nèi)部的各個(gè)構(gòu)件相互配合，共同協(xié)作。這不僅僅是要求結(jié)構(gòu)的內(nèi)部構(gòu)件在極限承載受力時(shí)共同工作，還需要他們?cè)诔惺軜O限載荷時(shí)擁有共同的使用壽命。  首先，結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作主要表現(xiàn)在基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)的關(guān)系上，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中必須將基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體來(lái)對(duì)待，不能將兩者在理念和實(shí)際操作中進(jìn)行明確的劃分。舉一個(gè)比較簡(jiǎn)單的例子，在建筑工程的磚混結(jié)構(gòu)中，必須依靠圈梁或者是構(gòu)造柱上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)連接成為一個(gè)整體，從而使建筑工程的穩(wěn)固性達(dá)到最佳。而不是單純依靠地基本身的綜合質(zhì)量效果來(lái)抵御不均勻的下沉或者是保障建筑的整體穩(wěn)固性。  其次，協(xié)同作業(yè)的理解還體現(xiàn)在，當(dāng)整個(gè)結(jié)構(gòu)受力時(shí)，結(jié)構(gòu)中的各個(gè)構(gòu)建能同時(shí)達(dá)到較高的應(yīng)力水平，尤其是在在多高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量避免短柱或者是層次間橫梁結(jié)構(gòu)不同的現(xiàn)象出現(xiàn)，以免各受力結(jié)構(gòu)部件不處于同一受力水平位置上。但是隨著建筑物高度與層數(shù)的加大，巨大的豎向和水平載荷會(huì)使建筑底部層次間承受的自重力越來(lái)越大，從而使建筑底層出現(xiàn)越來(lái)越多的短柱，為了有效的避免短柱的出現(xiàn)，對(duì)于大截面柱，我們可以通過(guò)在柱截面開豎槽的方法使矩形柱變成田形柱，從而增加基柱的長(zhǎng)細(xì)比，避免短柱的大量出現(xiàn)占據(jù)建筑工程的內(nèi)部空間現(xiàn)象發(fā)生。此外長(zhǎng)短梁在同一框架中并存，也是極為不利的，短跨梁在水平力的作用下，剪力很大，梁端正、負(fù)彎矩也很大，其配筋全部由水平力決定，豎向在載荷力根本起不到作用，這往往會(huì)導(dǎo)致梁端的正彎矩鋼筋出現(xiàn)超筋的現(xiàn)象，這種設(shè)計(jì)是不符合協(xié)同工作原則的，同時(shí)，結(jié)構(gòu)的造價(jià)也會(huì)上升。  因此，在多高層設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)該加大梁或者是樓層的剛度，使柱能承受較大的整體彎矩，同時(shí)，在水平方向上我們應(yīng)當(dāng)保證“慣性矩”應(yīng)該相等，以防止一個(gè)方向上的強(qiáng)度貯備過(guò)大，一個(gè)方向強(qiáng)度儲(chǔ)備過(guò)小的現(xiàn)象出現(xiàn)，因此抗側(cè)力結(jié)構(gòu)應(yīng)該對(duì)稱布置在四周。同時(shí)，在高層建筑中盡管角柱的軸壓比較小，但是在抗扭過(guò)程中的作用卻是很大，同時(shí)在水平力的作用下，角柱軸力的變化幅度也很大，這就要求角柱具有較大的變形能力。一般采取的措施就是在設(shè)計(jì)中加大角柱的承載力和變形能力。比如說(shuō)加大配箍、采用密排箍筋柱、鋼管混凝土柱等等。  最后，協(xié)同工作與材料利用率。協(xié)同工作設(shè)計(jì)的另一目的，還在于對(duì)材料的充分利用上。一般來(lái)講在建筑工程結(jié)構(gòu)中，材料的利用率越高，該結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作程度就越高。當(dāng)然從結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方向上來(lái)看，結(jié)構(gòu)性能最好的方案不一定是材料利用率最高的方案，但是這與在設(shè)計(jì)中盡可能的提高材料的利用率是不相沖突的。我國(guó)作為發(fā)展中的人口大國(guó)，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中實(shí)施節(jié)能策略，對(duì)于保障資源的合理利用以及可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施有著重要的作用，因此花比較少的錢，建立最科學(xué)的建筑是我們結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要發(fā)展方向。這種規(guī)律從梁類構(gòu)建的演變中就可以看得出來(lái)，矩形截面梁作為最普通的受彎構(gòu)件，它的材料利用率很低。這主要體現(xiàn)在以下兩點(diǎn)：一方面，靠近中和軸的材料盈利水平比較低。另一方面，梁的彎矩沿梁長(zhǎng)一般是變化的，這對(duì)于等截面梁來(lái)說(shuō)，絕大部分的區(qū)段，即使是拉壓邊緣的應(yīng)力水平，也比較低。針對(duì)梁的這種特點(diǎn)，用結(jié)構(gòu)概念進(jìn)行分析，主要是梁截面存在應(yīng)力梯度變化，只有當(dāng)材料是軸心受力時(shí)，材料利用率才可能增大。所以目前在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一般將平面桁架作為最主要的梁體來(lái)使用，平面桁架也可以理解成“掏空的梁”，它是將梁中的多余邊料、角料都去除，既經(jīng)濟(jì)，又實(shí)惠，同時(shí)自身的重量也有很大程度的降低。  總結(jié)：關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的概念設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)措施本文主要從以上幾個(gè)方面進(jìn)行簡(jiǎn)單的論述，具體的內(nèi)容可能因?yàn)樘接懙某霭l(fā)點(diǎn)不同或者是考慮問(wèn)題的角度不同而存在一定的差異，但是只要我們用比較科學(xué)的觀點(diǎn)和方法來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行探討，就能取得一定的成效。在此，也希望大家給出更多、更科學(xué)的建議，同時(shí)也希望更多的相關(guān)行業(yè)從業(yè)人士參與到這項(xiàng)工作的探討中來(lái)，為保障建筑工程的大力發(fā)展提供明確的理論指導(dǎo)。  參考文獻(xiàn)  [1] 班奇志. 淺談高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)及高層建筑結(jié)構(gòu)體系[j]. 沿海企業(yè)與科技, 2009,(02) .  [2] 楊帆,梁欣,樊爽,張艷. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的概念設(shè)計(jì)[j]. 陜西建筑, 2007,(02) .  [3] 劉慧芝,李福來(lái). 淺析建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的概念設(shè)計(jì)與技術(shù)措施[j]. 中小企業(yè)管理與科技(下旬刊), 2009,(04) .  注：文章內(nèi)所有公式及圖表請(qǐng)用pdf形式查看。