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

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摘要：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計作為建筑設(shè)計中重要組成部分，其對于建筑的承載性能、安全質(zhì)量、造價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)計中，概念設(shè)計以及結(jié)構(gòu)措施可以說是結(jié)構(gòu)設(shè)計的根本所在，同時也在一定程度上反映了結(jié)構(gòu)工程師的設(shè)計水平。本文主要從概念設(shè)計的重要性分析、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方面對概念設(shè)計以及結(jié)構(gòu)措施展開綜合性的探討。 

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計 概念設(shè)計 結(jié)構(gòu)措施 分析 探討  中圖分類號：s611文獻(xiàn)標(biāo)識碼：a 文章編號：  建筑設(shè)計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)計的質(zhì)量對于工程的建設(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，這也為結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來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，我們有必要對其結(jié)構(gòu)設(shè)計展開詳細(xì)的分析與論述。  一、結(jié)構(gòu)設(shè)計中概念設(shè)計的重要性  在結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，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)運用整體的概念來完成結(jié)構(gòu)總體方案的設(shè)計，可以說概念設(shè)計是結(jié)構(gòu)設(shè)計的主題思想，同時也是展現(xiàn)先進(jìn)設(shè)計思想的根本所在。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)計成果的創(chuàng)新以及完善將會處理得越來越好，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出現(xiàn)的規(guī)律。在實際的操作過程中，隨著社會分工的明細(xì)化，大部分的結(jié)構(gòu)工程師由于概念設(shè)計缺乏創(chuàng)新或者是專業(yè)知識上的陳舊，在設(shè)計實施的過程中往往越來越依賴于設(shè)計規(guī)范、設(shè)計手冊或者是模仿性的創(chuàng)新，而對于自主創(chuàng)新或者是突破性的創(chuàng)新往往不敢嘗試，甚至有的還會對建筑新技術(shù)以及新工藝采取抵觸的情緒。此外，在一體化計算機(jī)結(jié)構(gòu)程序設(shè)計全面應(yīng)用的今天，結(jié)構(gòu)工程師對計算機(jī)設(shè)計處理結(jié)果明顯不合理、存在的錯誤不能及時的發(fā)覺或者是過分信賴。致使他們在學(xué)習(xí)期間那些孤立的設(shè)計信念逐漸丟失，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)計的重要，最主要的原因還是在于結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與計算理論存在諸多的缺陷和不可計算性。比如說對混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中，內(nèi)力計算是通過彈性理論的計算方法，而截面設(shè)計是基于塑性理論的極限狀態(tài)設(shè)計方法。這一矛盾使得計算的結(jié)果與設(shè)計的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)差的太遠(yuǎn)，為了彌補(bǔ)計算理論或者是計算方法使計算結(jié)果與實際需求存在的差距，我們有必要使用優(yōu)秀的概念設(shè)計與結(jié)構(gòu)措施來滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的。同時計算機(jī)結(jié)果的高精度特點，往往給結(jié)構(gòu)設(shè)計人員帶來結(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、客觀地理解結(jié)構(gòu)的工作性能。從另一方面來看，概念設(shè)計的重要性主要體現(xiàn)在其方案的初步設(shè)計階段，畢竟初步設(shè)計階段是完全依靠結(jié)構(gòu)工程師運用自身的專業(yè)知識、然后再通過優(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)的實施到設(shè)計工作中。  二、協(xié)同工作在結(jié)構(gòu)體系中的運用  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)計與制造過程中，畢竟對我們所生產(chǎn)的每一個產(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)計中，協(xié)同工作的概念就是要求結(jié)構(gòu)內(nèi)部的各個構(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共同工作，還需要他們在承受極限載荷時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，我們在設(shè)計中必須將基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)作為一個整體來對待，不能將兩者在理念和實際操作中進(jìn)行明確的劃分。舉一個比較簡單的例子，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)整個結(jié)構(gòu)受力時，結(jié)構(gòu)中的各個構(gòu)建能同時達(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使建筑底部層次間承受的自重力越來越大，從而使建筑底層出現(xiàn)越來越多的短柱，為了有效的避免短柱的出現(xiàn)，對于大截面柱，我們可以通過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)計是不符合協(xié)同工作原則的，同時，結(jié)構(gòu)的造價也會上升。  因此，在多高層設(shè)計的過程中，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，在水平方向上我們應(yīng)當(dāng)保證“慣性矩”應(yīng)該相等，以防止一個方向上的強(qiáng)度貯備過大，一個方向強(qiáng)度儲備過小的現(xiàn)象出現(xiàn)，因此抗側(cè)力結(jié)構(gòu)應(yīng)該對稱布置在四周。同時，在高層建筑中盡管角柱的軸壓比較小，但是在抗扭過程中的作用卻是很大，同時在水平力的作用下，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)計中加大角柱的承載力和變形能力。比如說加大配箍、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)計的另一目的，還在于對材料的充分利用上。一般來講在建筑工程結(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)計中盡可能的提高材料的利用率是不相沖突的。我國作為發(fā)展中的人口大國，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中實施節(jié)能策略，對于保障資源的合理利用以及可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施有著重要的作用，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，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：一方面，靠近中和軸的材料盈利水平比較低。另一方面，梁的彎矩沿梁長一般是變化的，這對于等截面梁來說，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。針對梁的這種特點，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，材料利用率才可能增大。所以目前在結(jié)構(gòu)設(shè)計中一般將平面桁架作為最主要的梁體來使用，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)，又實惠，同時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)計中的概念設(shè)計以及結(jié)構(gòu)措施本文主要從以上幾個方面進(jìn)行簡單的論述，具體的內(nèi)容可能因為探討的出發(fā)點不同或者是考慮問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)的觀點和方法來對結(jié)構(gòu)設(shè)計進(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，同時也希望更多的相關(guān)行業(yè)從業(yè)人士參與到這項工作的探討中來，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)計中的概念設(shè)計[j]. 陜西建筑, 2007,(02) .  [3] 劉慧芝,李福來. 淺析建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的概念設(shè)計與技術(shù)措施[j]. 中小企業(yè)管理與科技(下旬刊), 2009,(04) .  注：文章內(nèi)所有公式及圖表請用pdf形式查看。