建筑概念设计及其在抗震设计中的应用

　　[摘要]在建筑结构设计中，概念设计与结构构造措施至关重要，它在一定程度上反映了一个结构工程师的设计水平。本文首先向读者介绍了建筑概念设计的基本含义，在此基础上，详细介绍了概念设计在建筑抗震设计中的具体应用。
　　[关键词]建筑结构，概念设计，抗震
　　引言
　　当前科学技术迅速发展,计算机结构程序的全面应用给结构设计师带来了极大方便,大大减轻了他们的劳动强度,提高了设计的效率和质量。但同时也容易让人产生错误认识,认为结构设计很简单,只需遵循规范、手册、图集,等待建筑师给出一个空间形成的方案（非结构的）,然后就可使用计算机完成结构设计了。因此,一些结构设计师不重视结构的基本理论和基本概念的正确使用,不能有效地运用他们的知识、精力和时间去考虑结构的整体设计、协同工作等一系列概念设计问题。而是一味地依赖计算机,久而久之许多设计人员缺乏结构设计的概念,对软件技术条件认识不清、对计算机的计算结果无法判断,对规范与软件之间的差异不甚了解,对如何加强结构的整体性、合理性、经济性没有概念,甚至一些设计人员因为过多地相信计算机分析结果而导致结构计算模型与实际建筑物存在较大差别,引起结构施工图中出现了大量的概念性错误和计算错误,且有些错误可能会导致严重的后果。为保证建筑结构的安全、适用、经济、可靠,对设计人员强调结构概念设计的重要性是非常必要的。
　　一、概念设计概述
　　1.1概念设计的定义
　　所谓的概念设计就是运用清晰的结构概念,不经数值计算,依据整体结构体系与分体系之间的力学关系、结构破坏机理、震害、实验现象和工程经验所获得的基本设计原则和设计思想,对结构及计算结果进行正确的分析,并考虑结构实际受力状况与计算假设间的差异,对结构和构造进行设计,使建筑物受力更合理、安全、协调。
　　1.2概念设计与建筑结构
　　概念设计主要从两个方面对结构设计进行宏观控制：一是在方案设计满足建筑要求的前提下从宏观的角度考虑结构整体性及主要分体的相互协调关系,确定总体设计方案；二是在理论设计过程中综合考虑工程条件、计算理论、材料性能等各种因素对计算结果的影响,判断理论设计的准确性,并对一些工程中难以作出精确理性分析或在规范中难以规定的问题,根据实际经验采用一些结构构造措施进行处理。换句话说，概念设计是运用人的判断和思维能力从宏观上解决结构设计的基本问题。
　　概念设计是一种思路,是一种定性的设计,它不以精确的力学分析、生搬硬套的规范条文为依据,而是对工程进行概括性的分析,制定设计目标,采取相应结构措施。具体到设计过程,就是根据特定的建筑空间和地理条件,结合建筑的功能要求,考虑结构安全、适用、经济、美观、施工方便等各种因素后,确定结构的总体方案,按照结构的破坏机理和破坏过程,灵活且能有意识地利用整体结构体系与基本杆件间的力学特性与关系、设计准则、工程现场实时的资源条件,全面合理地解决结构设计的基本问题。既要注意到总体布置上的大原则,又要顾及到关键部位的细节,从根本上提高结构的可靠度。概念设计的目的是力求使设计方案安全、可靠、经济、合理,是一个优化的过程。概念设计运用得好,能使结构满足建筑要求,并以最快的方式将荷载传递到基础、地基中,创造更为安全、舒适的工作和生活环境,从而节约材料和资金,使工程项目的设计、施工、使用都能“又快、又好、又省”,这也是人们对工程建设的最基本要求。
　　二、建筑抗震与概念设计
　　建筑抗震设计分为抗震计算设计和抗震概念设计，概念设计指除了计算设计以外所有的抗震设计内容。由于地震是个很复杂的自然现象，以现有科技水平，难以预估实际地震发生时间空间和强度，抗震设防依据是一个地区设防烈度，由于地震地质背景不够清楚，在一个地区发生超过设防烈度地震是完全可能的，地震及其影响有不确定性一面，在结构分析方面由于不可能完全充分考虑结构空间作用，结构材料性质，特别是结构进人弹塑性以后材料非弹性性质、阻尼变化等因素，结构计算也有其不准确性，因此结构抗震不能完全依赖计算设计而必须强调概念设计，概念设计在抗震设计中地位是第一位的。
　　从结构总体方案设计一开始，概念设计就运用人们对建筑结构抗震已有的正确知识去处理好结构设计中将遇到的问题，诸如：房屋体形、结构体系、刚度分布、构件延性等等。从宏观原则上进行评价、鉴别、选择等处理，再辅以必要的计算和构造措施。从而消除建筑物抗震的薄弱环节，以达到合理抗震设计的目的。也就是说概念设计是工程师运用思维和判断力，根据从大量震害经验得出的结构抗震原则，从宏观上确定结构设计中的基本问题。因此，工程师必须从主体上了解结构抗震特点，振动中结构的受力特征，抓住要点，突出主要矛盾，用正确的概念来指导概念设计，才会获得成功。由于概念设计包括的范围极广，因此不仅仅要分析总体方案确定的原则，还要顾及非材料的正确使用和关键部位的细部构造。但是首先和最重要的还是结构总体概念设计、材料选型和细部构造等问题，这些设计原则和结构概念中，较为重要的是结构总体设计。
　　三、概念设计在建筑抗震设计中的应用
　　3.1注意场地选择
　　地震区的建筑物选择有利地段，避开不利地段，不在危险地段建设。有利地段指坚硬土或开阔平坦密实均匀中硬土等；不利地段指软弱土、液化土、条状突出山嘴，高耸孤立的山丘，非岩质的陡坡，河岸和山坡边缘，平面分布上成因或状态明显不均匀的土层等。危险地段指地震时可能发生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流等地震断裂带上可能发生地表位错的部位。
　　同一建筑单元不宜建在性质截然不同的地基上，同一建筑单元不宜设在不均类型的基础上。
　　3.2平立面布置
　　建筑物平立面布置基本原则是对称、规则、质量与刚度均匀变化。结构对称，有利于减轻结构的地震扭转反应；而形状规则建筑物在地震时结构各部分的振动宜于协调一致，避免抗震薄弱环节存在；质量与刚度均匀变化有两方面含义：结构平面方向，使结构刚心和质心重合；结构立面方向，结构质量或刚度均不宜有悬殊变化。
　　3.3选择技术上、经济上合理的结构体系
　　（1）结构体系应符合下列各项要求
　　①应具有明显的计算简图和合理的地震作用传递途径。
　　②宜有多道抗震防线，应避免部分结构或构件破坏而导致整个体系丧失抗震能力，或对重力荷载的承载能力。
　　③具备必要的抗震承载力，良好的变形能力和消耗地震能量能力。
　　④宜具有合理的刚度和承载力分布，避免用局部形成薄弱部位，产生过大的应力集中，对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高抗震能力。
　　（2）结构构件应符合下列要求
　　①砌体结构应按规定放置钢筋砼圈梁和构造柱或采用配筋砌体等。
　　②砼结构构件应合理选择尺寸，配置纵向受力钢筋和箍筋，避免剪切破坏先于弯曲破坏，砼的压溃先于钢筋屈服。钢筋锚固粘结先于构件破坏。
　　③钢结构构件应避免局部或总体失稳。
　　（3）结构构件之间的连接应符合下列要求
　　①构件粘结破坏不应先于其连接的构件。
　　②预埋件的锚固破坏不应先于连接件。
　　③装配式构件连接应能保证结构整体性。
　　3.4利用结构的延性
　　延性结构有很大变形能力，又有较大的强度，发生地震时，延性结构吸收较多能量，从而结构倒塌率会大大降低。脆性结构尽管强度可以很高，但变形能力很低。因此吸收地震能量的能力较低，抵抗地震能力较低。这就要求我们选择地震区结构材料时，既要看重材料的强度高低，更要看材料变形能力大小，在地震区盲目采用高强材料是很不利于抗震的，因为一般来说材料的强度越高，则该材料的变形能力就会越低。
　　3.5处理好非结构构件
　　现代建筑装修造价占很大比例，非结构构件破坏影响更大。附属于楼、屋面结构上的非结构构件应与主体结构有可靠的连接或锚固，避免地震时倒塌伤人或砸坏重要设备。围护墙和隔墙应考虑对结构抗震的不利影响和避免不合理设置而导致主体结构破坏，幕墙、装饰贴面与主体结构应可靠连接，避免脱落伤人。
　　结束语
　　当前我国建筑的建筑设计由建筑师来做，结构设计由结构师来做。二者之间沟通较少，会导致建筑方案和结构方案不能有机地融为一体，概念设计的质量不能很好得到保证；设计人员和施工人员沟通也较少，有些设计人员设计出来的图纸在施工上不易做到，或者施工人员对图纸理解不透彻，都会导致建筑的抗震性能较差。我国是多地震国家，做好建筑抗震设计有极其重要意义，而慨念设计是其最重要的内容，我们要加强沟通来保证建筑符合概念设计的基本思想，以免楼房在地震中倒塌。
　　参考文献
　　[1]陈兴冲：《工程结构抗震设计》．重庆：重庆大学出版社．2001年.
　　[2]李国强：《建筑结构抗震设计》.北京：中国建筑工业出版社．2002年.
　　[3]闵小双：“概念设计在建筑结构设计中的意义”，《科技资讯》，2006（34）.