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闡述建筑結構設計中概念設計的應用

來源:期刊VIP網所屬分類:建筑設計時間:瀏覽:

  隨著科學技術的迅速發展以及計算機結構程序的全面應用,給建筑結構工程師們帶來了極大方便,大大提高了設計的效率和質量。但同時也養成了很多設計人員一味地依賴計算機,認為結構設計很簡單,只需要按照規范、圖集,通過電腦軟件計算就可以完成,設計人員成了不過是東拼西湊的計算機畫匠而已,對計算的結果也無法判斷正誤,規范與軟件之間的差異更是不了解;對如何加強結構的整體性、合理性、經濟性更是沒有概念。發展先進計算理論,加強計算機的應用,加快新型高強、輕質、環保建材的研究與應用,使建筑結構設計更加安全、適用、可靠、經濟是當務之急。打破建筑結構設計中的墨守成規,充分發揮結構工程師的創新能力,是相當必要的。這就要求結構工程師對整體結構體系與各基本分體系之間的力學關系有透徹的認識,把概念設計應用到實際工作中去

  1概念設計

  1.1概念設計就是運用清晰的結構概念, 不經數值計算,而依據整個結構體系與分體系之間的力學關系、 結構破壞機理、震害、實驗現象和工程經驗等對結構及計算結果進行正確的分析,并考慮到結構實際受力狀況與計算假設之間的差異,對結構及構造進行設計,使建筑物受力更合理、安全、協調。概念設計主要從以下兩個方面對結構設計進行宏觀控制。(1)是在方案設計滿足建筑要求的情況下,從宏觀的角度考慮結構的整體性及主要分體系的相互關系,來確定建筑結構的總體布置方案。 (2)是在理論設計過程中綜合考慮各方面因素對結果的影響,以判斷理論設計的準確性,并對一些工程中難以作出精確分析或在規范中未精確規定的問題,根據實際經驗采用一些結構構造措施進行處理。 概念設計的目的是力求使設計方案安全、可靠、經濟、合理,是一個優化的過程。

  1.2運用概念設計的思想,能讓結構設計的思路得到了拓寬。傳統的結構計算理論的研究和結構設計似乎只關注如何提高結構抗力,以至混凝土的等級越用越高,配筋量越來越大,造價越來越高。結構工程師往往只注意到不超過最大配筋率,結果肥梁、胖柱、深基礎處處可見。以抗震設計為例,一般是根據初定的尺寸、砼等級算出結構的剛度,再由結構剛度算出地震力,然后算配筋。但是大家知道,結構剛度越大,地震作用效應越大,配筋越多,剛度越大,地震力就越強。這樣為抵御地震而配的鋼筋,增加了結構的剛度,反而使地震作用效應增強。

  1.3目前在抗震設計中,隔震消能的研究就是一個很好的例子。隔震消能的一般做法是在基礎與主體之間設柔性隔震層;加設消能支撐(類似于阻尼器的裝置);有的在建筑物頂部裝一個“反擺”,地震時它的位移方向與建筑物頂部的位移相反,從對建筑物的振動加大阻尼作用,降低加速度,減少建筑物的位移,來降低地震作用效應。合理設計可降低地震作用效應達 60%,并提高屋內物品的安全性。

  1.4在建筑抗震設計中,更應注重概念設計。這是因為建筑結構的復雜性,發生地震時,地震力的不確定性,人們對地震時結構效應認識的局限性與模糊性,結構抗震分析計算的精確度,材料性能與施工安裝時的變異性以及其他不可預測的因素,致使設計計算結果(尤其是經過實用簡化后的計算結果)可能和實際相差較大,甚至有些作用效應至今尚無法定量計算出來。因此由于存在上述諸多不確定因素,建筑結構設計計算無法涵蓋可能的所有不確定因素。因此,必須重視整體的概念設計,從某種意義上講,概念設計甚至比分析計算更為重要。

  2結構設計中的概念設計的體現

  2.1概念設計在結構設計流程中的體現

  結構設計的流程一般分為三個部分: 前期的方案選擇、中期的結構計算階段及后期的施工圖繪制階段。 這三個階段都發揮著重要的作用。

  (1)合理選擇結構方案。一個成功的設計必須選擇一個經濟合理的結構方案,即選擇一個切實可靠的結構形式和結構體系。必須對工程的設計要求、地理環境、材料供應、施工條件等情況進行綜合分析,在此基礎上進行結構選型,確定最優結構方案。概念設計在工程設計一開始就應把握好場地選擇、能量輸入、房屋體型、結構體系、剛度分布、構件延性等幾個方面,從根本上消除建筑中的抗震薄弱環節。

  (2)選用恰當的計算簡圖。結構計算是在計算簡圖的基礎上進行的,即對作用的荷載與構件的約束狀態進行一定的簡化,使其接近實際狀態。現在的建筑物功能復雜多樣,以前的手算已經無法滿足要求,結構計算只能通過計算機來完成。所以,要將實際工程的結構形式轉變成可以用于計算機計算的模型,并保證有足夠的精確度就成為結構設計的關鍵問題。 而要達到這一目的就需要設計人員在結構計算的過程中利用概念設計進行判斷與控制。

  (3)正確分析計算結果。現在結構設計中有許多軟件可以供結構設計人員選擇,但不同軟件往往會導致不同的計算結果。所以,設計人員在進行結構計算前,先要全面了解該程序軟件的適用范圍和技術條件,使用時要避免操作失誤,且對電算的結果再用概念設計進行科學分析,以做出正確的合理判斷。

  2.2抗震設計中應注意的概念設計問題

  抗震設計是結構設計的重要組成部分。 地震是一種隨機振動,要準確預測建筑物所遭遇地震的特性和參數,目前尚難做到。 現在所采用的地震參數只是概率意義上的估計值,而結構在地震作用下的性能有許多不確定性,因此,抗震設計不能過分依賴理論計算,概念設計在抗震設計中顯得尤其重要。

  (1)選擇合適的場地 。 地震造成建筑物的破壞情況是各不相同的。 一是由于地震時地面強烈運動,使建筑物在震動過程中,因喪失整體性或強度不足、變形過大而破壞:二是由于水壩倒塌、海嘯、火災、爆炸等次生災害而造成;三是由于斷層錯動、山崖崩塌、河岸滑坡、地層陷落等地面嚴重變形直接造成。 前兩種可以通過工程措施加以防治,而后一種情況,單靠工程措施很難達到預防的目的。 因此,選擇工程場址時,應進行詳細勘察。 搞清地形、地質情況,挑選對建筑抗震有利、盡可能避開對建筑抗震不利的地段。 任何情況下均不得在抗震危險地段建造可能引起人員傷亡或較大經濟損失的建筑物。

  (2)選擇合適的基礎方案 。 基礎設計應根據工程地質條件、上部結構類型及荷載分布、相鄰建筑物影響及施工條件等多種因素,選擇經濟合理的基礎方案。 基礎設計應有詳盡的地質勘察報告,一般情況下同一結構單元不宜采用兩種不同的類型。

  (3)采取相應的構造措施。 遵循“強柱弱梁、強剪弱彎、強節點強錨固”的設計原則,注意構件的延性性能,加強薄弱部位,注意鋼筋的錨固長度,尤其是鋼筋的直線段錨固長度,考慮溫度應力的影響。除此之外還應注意按均勻、對稱、規整原則考慮平面和立面的布置。 設置多道抗震防線應盡量避免出現薄弱層。

  3概念設計的意義

  3.1展現先進設計思想的關鍵。概念設計的根本宗旨,是在特定的建筑空間及地理條件下,用整體概念來考慮建筑結構的總體方案,且能有意識地發揮和利用結構總體系與分體系之間的力學特性與關系。運用概念設計從整體上把握結構的各項性能,方能對計算分析的結果進行科學判斷和合理取舍。在概念設計之初的方案階段,能迅速、有效地對結構體系進行構思、比較、分析與選擇,可采用概念性設計到工程中去。

  3.2體現結構設計的原則與靈活。建筑物是一個完整的空間結構,各構件都在以相當復雜的受力方式共同工作,而并非是獨立于總體結構體系之外的單獨構件。當前在建筑結構設計界,對具體空間結構體系的整體研究上還存在著局限性,以至于在設計過程中采用了許多假定與簡化方法。作為結構工程師,一方面在設計過程中既要做到嚴格遵守和執行相關的強制性規范和要求,堅持結構設計的原則不能改變,另一方面,又不應盲目、教條、機械地照搬照抄,尤其是對推薦性規范和要求,應把它作為一種結構設計中的指導和參考意見,從而可在實際的設計項目中作出更為正確的選擇。這就對結構設計工程師提出了要求,要對整體結構體系與各基本分體系之間的力學關系有更為透徹的認識和深入的了解,把建筑結構概念設計應用到實際工作中去。

  3.3彌補設計、計算理論的不足。目前的結構設計計算水平難以有效地保證結構設計的抗震、抗風性能,尤其是抗震設計。以“5·12 汶川大地震”為代表的近幾年國內外幾次震害的經驗教訓充分說明,從某種意義上講,概念設計確實比分析計算更為重要。目前,現行的結構設計理論和計算理論仍然存在著一些缺陷:如對混凝土結構設計,內力計算采用基于彈性理論的計算方法,而截面設計則采用是基于塑性理論的極限狀態設計方法,兩者的矛盾使計算結果與結構的實際受力狀態存在較大差距。為了彌補設計、計算理論的缺陷,或實現對實際存在的大量難以計算的結構構件的設計,也需要概念設計與結構措施來共同滿足結構設計的需要。

  4結語

  概念設計內容紛繁復雜,綜合性強,應用靈活廣泛,需要結構設計人員發揮主觀能動性,在應用規范及工程力學知識和原理的基礎上, 根據個人對結構及其受力狀態的理解,通過對自己積累的設計經驗的完美運用,做出經濟、合理、安全的結構設計。隨著科學技術和經濟社會的發展,人們對建筑物質量的要求越來越高,而通過概念設計的不斷創新,受力合理、性能良好、造價低廉的建筑結構總體方案無疑會受到人們的青睞。因此,概念設計是設計思想發展的必然產物,也會成為今后時期結構設計的主流思想。

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