結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的概念設(shè)計(jì)

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關(guān)鍵詞：概念設(shè)計(jì) 力學(xué)特性 計(jì)算理論 設(shè)計(jì)思想

　　摘 要：針對(duì)目前建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中墨守成規(guī)的現(xiàn)象，提倡采用概念設(shè)計(jì)思想來(lái)促進(jìn)結(jié)構(gòu)工程師的創(chuàng)造性，推動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展。所謂的概念設(shè)計(jì)一般指不經(jīng)數(shù)值計(jì)算，尤其在一些難以作出精確力學(xué)分析或在規(guī)范中難以規(guī)定的問(wèn)題中，從整體的角度來(lái)確定建筑結(jié)構(gòu)的總體布置和抗震細(xì)部措施的宏觀(guān)控制。

　　Abstract：Aiming at the routinism in today‘s structure design， we advocate conceptualized design so as to inspire structural engineer’s creativity and promote the development of structural design. Conceptualized design means not to use numerical value computation but to confirm the overall structural scheme and micropically control the detail aseismic steps in a whole perspective，especially in the problem difficult to analyse accurately in mechanics or prescribe normally.

　　Keywords：conceptualized design mechanical behavior calculation theory

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算方法的發(fā)展，計(jì)算機(jī)及其結(jié)構(gòu)程序在結(jié)構(gòu)工程中得到大量地應(yīng)用，每個(gè)設(shè)計(jì)單位都在為徹底甩掉圖板而做努力。結(jié)果給部分結(jié)構(gòu)工程師造成一種錯(cuò)覺(jué)，覺(jué)得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很簡(jiǎn)單，只需遵循規(guī)范、手冊(cè)、圖集，等待建筑師給出一個(gè)空間形成的方案（非結(jié)構(gòu)的），使用計(jì)算機(jī)，然后設(shè)法去完成它，自己只不過(guò)是一個(gè)東拼西湊的計(jì)算機(jī)畫(huà)圖匠而已。這不僅不能有效地運(yùn)用他們的知識(shí)、精力和時(shí)間，而且還會(huì)與建筑師的交流中產(chǎn)生分歧與矛盾。

　　我國(guó)結(jié)構(gòu)計(jì)算理論經(jīng)歷了經(jīng)驗(yàn)估算，容許應(yīng)力法，破損階段計(jì)算，極限狀態(tài)計(jì)算，到目前普遍采用的概率極限狀態(tài)理論等階段?，F(xiàn)行的《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GBJ68-84）則采用以概率理論為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，以使建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)得以符合技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全適用。概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法更科學(xué)、更合理。但該法在運(yùn)算過(guò)程中還帶有一定程度的近似，只能視作近似概率法。并且光憑極限狀態(tài)設(shè)計(jì)也很難估計(jì)建筑物的真正承載力的。事實(shí)上，建筑物是一個(gè)空間結(jié)構(gòu)，各種構(gòu)件以相當(dāng)復(fù)雜的方式共同工作，且都并非是脫離總的結(jié)構(gòu)體系的單獨(dú)構(gòu)件。目前，人們?cè)诰唧w的空間結(jié)構(gòu)體系整體研究上還有一定的局限性，在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了許多假定與簡(jiǎn)化。作為結(jié)構(gòu)工程師不應(yīng)盲目的照搬照抄規(guī)范，應(yīng)該把它作為一種指南、參考，并在實(shí)際設(shè)計(jì)項(xiàng)目中作出正確的選擇。這就要求結(jié)構(gòu)工程師對(duì)整體結(jié)構(gòu)體系與各基本分體系之間的力學(xué)關(guān)系有透徹的認(rèn)識(shí)，把概念設(shè)計(jì)應(yīng)用到實(shí)際工作中去。

　　所謂的概念設(shè)計(jì)一般指不經(jīng)數(shù)值計(jì)算，尤其在一些難以作出精確理性分析或在規(guī)范中難以規(guī)定的問(wèn)題中，依據(jù)整體結(jié)構(gòu)體系與分體系之間的力學(xué)關(guān)系、結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理、震害、試驗(yàn)現(xiàn)象和工程經(jīng)驗(yàn)所獲得的基本設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想，從整體的角度來(lái)確定建筑結(jié)構(gòu)的總體布置和抗震細(xì)部措施的宏觀(guān)控制。運(yùn)用概念性近似估算方法，可以在建筑設(shè)計(jì)的方案階段迅速、有效地對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行構(gòu)思、比較與選擇，易于手算。所得方案往往概念清晰、定性正確，避免后期設(shè)計(jì)階段一些不必要的繁瑣運(yùn)算，具有較好的的經(jīng)濟(jì)可靠性能。同時(shí)，也是判斷計(jì)算機(jī)內(nèi)力分析輸出數(shù)據(jù)可靠與否的主要依據(jù)。

　　比如，有的設(shè)計(jì)人員用多、高層結(jié)構(gòu)三維空間分析程序來(lái)計(jì)算底層框架，還人為的布置一些抗震墻，即不能滿(mǎn)足樓層間的合理剛度比，也不能正確地反映底層框架在地震時(shí)受力狀態(tài)。問(wèn)題在于結(jié)構(gòu)概念不明確，沒(méi)考慮這兩種結(jié)構(gòu)體系的差異。軟件的選擇和使用不當(dāng)，造成危害是不容忽視的。美國(guó)一些著名學(xué)者和專(zhuān)家曾警告工業(yè)界：“誤用計(jì)算機(jī)造成結(jié)構(gòu)破壞而引起災(zāi)難只是一個(gè)時(shí)間的問(wèn)題。”然而避免這種情況，概念設(shè)計(jì)的思想不妨是個(gè)好方法。

　　運(yùn)用概念設(shè)計(jì)的思想，也使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思路得到了拓寬。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)計(jì)算理論的研究和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)似乎只關(guān)注如何提高結(jié)構(gòu)抗力R，以至混凝土的等級(jí)越用越高，配筋量越來(lái)越大，造價(jià)越來(lái)越高。結(jié)構(gòu)工程師往往只注意到不超過(guò)最大配筋率，結(jié)果肥梁、胖柱、深基礎(chǔ)處處可見(jiàn)。以抗震設(shè)計(jì)為例，一般是根據(jù)初定的尺寸、砼等級(jí)算出結(jié)構(gòu)的剛度，再由結(jié)構(gòu)剛度算出地震力，然后算配筋。但是大家知道，結(jié)構(gòu)剛度越大，地震作用效應(yīng)越大，配筋越多，剛度越大，地震力就越強(qiáng)。這樣為抵御地震而配的鋼筋，增加了結(jié)構(gòu)的剛度，反而使地震作用效應(yīng)增強(qiáng)。其實(shí)，為什么不考慮降低作用效應(yīng)S呢？目前在抗震設(shè)計(jì)中，隔震消能的研究就是一個(gè)很好的例子。隔震消能的一般作法是在基礎(chǔ)與主體之間設(shè)柔性隔震層；加設(shè)消能支撐（類(lèi)似于阻尼器的裝置）；有的在建筑物頂部裝一個(gè)“反擺”，地震時(shí)它的位移方向與建筑物頂部的位移相反，從對(duì)建筑物的振動(dòng)加大阻尼作用，降低加速度，減少建筑物的位移，來(lái)降低地震作用效應(yīng)。合理設(shè)計(jì)可降低地震作用效應(yīng)達(dá)60%，并提高屋內(nèi)物品的安全性。這一研究在國(guó)內(nèi)外正廣泛地深入展開(kāi)。在日本，研究成果已經(jīng)廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中，取得良好的經(jīng)濟(jì)、適用效果。而我國(guó)由于經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和人們認(rèn)識(shí)的限制，在工程界還未被廣泛地應(yīng)用。

　　同時(shí)，在目前建筑結(jié)構(gòu)抗震鑒定及加固中，概念設(shè)計(jì)的思想也應(yīng)得到延伸。在1976年唐山地震中，天津市加固的2萬(wàn)間民房無(wú)一倒塌，但天津第二毛紡廠(chǎng)三層的框架廠(chǎng)房，卻因偏重于傳統(tǒng)構(gòu)部件的加固 ，忽視結(jié)構(gòu)總體抗震性能的判斷，造成不合理的加固使抗震薄弱層轉(zhuǎn)移，仍然倒塌。

　　概念設(shè)計(jì)的思想被越來(lái)越多的結(jié)構(gòu)工程師所接受，并將在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中發(fā)揮越來(lái)越大的作用。然而現(xiàn)在的高校教學(xué)中，往往只重視單獨(dú)構(gòu)件和孤立的分體系的力學(xué)概念講解。尤其在專(zhuān)業(yè)課教學(xué)中，單項(xiàng)計(jì)算練習(xí)居多，綜合練習(xí)偏少，并著重體現(xiàn)在考題中，使得相當(dāng)部分學(xué)生養(yǎng)成只知套用公式解題的習(xí)慣。而且近年來(lái)強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)應(yīng)用教育，比如，畢業(yè)設(shè)計(jì)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件計(jì)算、出圖。但由于計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程的屏蔽，手算過(guò)程訓(xùn)練程度的削弱，造成學(xué)生產(chǎn)生一定依賴(lài)性，結(jié)果綜合運(yùn)用能力下降，整體結(jié)構(gòu)體系概念模糊。這些對(duì)于培養(yǎng)具有創(chuàng)造力、未來(lái)的工程師是相當(dāng)不利的。

　　隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也提出了更高的要求。發(fā)展先進(jìn)計(jì)算理論，加強(qiáng)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，加快新型高強(qiáng)、輕質(zhì)、環(huán)保建材的研究與應(yīng)用， 使建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加安全、適用、可靠、經(jīng)濟(jì)是當(dāng)務(wù)之急。其中，打破建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的墨守成規(guī)，充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)工程師的創(chuàng)新能力，是相當(dāng)必要的。因?yàn)樗麄兪墙Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)革命的推動(dòng)者和執(zhí)行者。這則需要工程界和教育界進(jìn)行共同的努力。推廣概念設(shè)計(jì)思想是一種有效的辦法。

　　著名的美國(guó)工程院院士林同炎教授在《結(jié)構(gòu)概念和體系》一書(shū)中為結(jié)構(gòu)工程師提供了廣泛而又有獨(dú)特見(jiàn)解的結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)和設(shè)計(jì)實(shí)例。該書(shū)著重介紹用整體概念來(lái)規(guī)劃結(jié)果總體方案的方法，以及結(jié)構(gòu)總體系和個(gè)分體系尖的相互力學(xué)關(guān)系和簡(jiǎn)化近似設(shè)計(jì)方法。為結(jié)構(gòu)工程師和建筑師在設(shè)計(jì)中創(chuàng)造性地相互配合，設(shè)計(jì)出令人滿(mǎn)意的建筑奠定基礎(chǔ)。這本書(shū)第二版的出版，為我們更好的加深概念設(shè)計(jì)的理解，提供有益的幫助?？傊?，概念設(shè)計(jì)必然會(huì)成為今后結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主流思想，這就讓我們來(lái)共同學(xué)習(xí)、發(fā)展它吧，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　2. 戴國(guó)瑩，李德虎，建筑結(jié)構(gòu)抗震鑒定及加固的若干問(wèn)題，建筑結(jié)構(gòu)，1999（4）

　　3. 林同炎，S.D.思多臺(tái)斯伯利 ，結(jié)構(gòu)概念和體系，中國(guó)建筑工業(yè)出版社

吳曉春 廖瑛