概念設計在結構設計中的重要性

張鎬

西安市住宅建筑設計研究院

    概念設計是在不經過數值計算的前提下，依據整體結構體系與分體系之間的力學關系，結構破壞機理、震害、試驗現象和工程經驗所獲得的基本設計原則和設計思想，是從整體的角度來確定建筑結構的總體布置和抗震細部措施的宏觀控制結構設計理念的關鍵所在。要求結構設計師首先要對建筑結構的受力分析概念清晰，傳力途徑明確。強調概念設計的重要性，主要是因為現行的結構設計理論與計算方法、模型存在一些缺陷或不可計算性。另外，在方案設計階段，初步設計過程是不能借助于計算機來實現的，只能靠概念設計來完成。概念設計的重要性具體體現在以下三方面：

    首先，如果說結構設計是對一個建筑進行的“骨架”設計，那么概念設計就是“骨架”中最重要的“脊柱”。它包含著極為廣泛的內容，是保證結構具有優良的受力體系和抗震性能的重要方法。一個建筑，特別是高層建筑，能否“站得起來”，全靠他的“骨架”。結構設計決定了建筑物的安全可靠性、耐久性、使用方便性、施工可行性、造價等諸多因素。而建筑物是一個空間結構，各種構件以相當復雜的方式共同工作，且都并非是脫離總體結構體系的單獨構件。目前，人們在空間結構體系整體研究上還有一定的局限性，在設計過程中用了許多假定與簡化理論。作為結構工程師應該強化概念設計，不應盲目的照搬照抄規范，應該把它作為一種指南、參考，在設計中靈活運用。

    在初步設計階段，許多重要內容未經計算就要求結構師確定，如：建筑結構類型的選擇；建筑形體及其構件布置是否規則；建筑布局是否合理，是否需要調整及如何調整；是否需要設縫及縫的大概位置；高層房屋地下室高度（建筑物埋深）夠否，建筑物長寬比、高寬比是否符合規范要求。。。。。。，這都是概念設計的具體運用。而像強柱弱梁、強剪弱彎、強節點弱構件等概念設計理念則在工程計算和畫施工圖階段顯得尤為重要。結構師必須對這些基本概念清晰，才能引導建筑師優化平立面方案，設計出既美觀新穎又安全節約的建筑。結構工程師要運用概念設計理論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，做到布局合理，受力明確。比如：對多層砌體房屋應優先采用橫墻承重或縱橫墻共同承重的結構體系；對框架結構，甲乙類建筑不應采用單跨框架，丙類不宜采用單跨框架；混凝土結構房屋的形體如嚴重不規則不應采用，特別不規則的應進行專門的研究論證，采取特別的加強措施，而不規則的應采取加強措施。

    另外，有些人在抗震設計時一味加大某些構件配筋，認為這樣有安全儲備，這是不可取的。從抗震設計概念上來說，剛度越大，吸收的地震力越多，則地震效應越大，而盲目加大配筋正是增大了結構剛度，所以即使加強某些重要構件也要掌握一個度。以上這些都體現出概念設計的重要性。我們一定要活學活用，把概念設計切實應用到實際工作中去。

    其次，概念設計有助于開展創造性的結構設計。作為一名優秀的結構設計師，應該具有創造力，不能只是墨守成規，等著建筑師拿出平、立面布局再按步就搬地布置梁、柱等構件，只注重畫圖，而不注重設計，就不是真正意義上的“結構設計”。結構設計師不應忽視對整體的把握而只注重單個梁、柱等構件的計算，應該在方案階段就發揮自己的專長，拿出自己的獨特見解，用合理的空間結構體系去引導建筑師做出既讓業主滿意又受力合理的平、立面布局。此時結構師的建議和意見將是有建設性的，非常重要的。就像結構設計奇才坎恩設計的西爾斯大廈，底部為九個筒組成的束筒結構，往上依次遞減，最終建成了110層，443米高的大廈。整個建筑看起來氣勢恢宏，立體感極強，非常大氣。同時，從受力分析上看又極其合理。我想當初設計時，坎恩腦子里想的絕不是單個的梁、柱，也絕不是由建筑師先布好平、立面，然后他再布置結構體系吧，而是著眼于全局、整體的傳力、受力體系，即在概念設計明確的前提下，和建筑師密切配合，創造性地運用了筒體理論，開創了束筒理論的先河。當然，并不是所有的結構設計師都能有坎恩那樣的驚世之作。但概念設計清晰的結構工程師，隨著他的不懈追求，其結構概念將隨他的認識與實踐的增長而越來越豐富，設計成果也越來越創新、完善。所以說：優秀的結構設計師應著眼于全局，將概念設計貫穿于結構設計的始終并且和建筑師密切配合，在空間傳力體系合理，受力明確的情況下，一定能制定出較完美的建筑設計方案。

    另外，概念設計還是校核計算機計算結果的有效方法。在科技高速發展的今天，隨著計算機技術和計算方法的發展，計算機及其結構程序在結構工程中得到大量應用。這也使許多結構工程師陷入了誤區。他們往往認為電算結果是絕對正確、可靠的。因此僅依靠計算機上的某種計算模型，將建筑平面轉化為結構的梁、板、墻、柱輸入后得出的計算結果盲目繪圖，對由于軟件的選擇、使用或是數據輸入不當造成的計算結果不合理、甚至錯誤之處不能及時發現，這是非常危險的，造成的危害是不言而喻的。而要能分析、判斷計算機計算結果的正誤，就要求結構工程師加強基礎理論及概念設計的積累和認識。比較客觀、真實地理解結構的受力、傳力性能，從而對計算結果做出正確判斷。所以說，我們不能不加分析地應用計算機結果，讓計算機結果左右人的思維、判斷，而應利用計算機計算過程的高速、精確性幫助設計師做繁雜的過程計算。只要設計人員概念設計清晰，布置了合理的結構體系，選用了合適的計算軟件，并且能正確分析判斷計算結果。那么計算機一定能幫助結構設計師得到更合理、更優化、更經濟的設計成果。

    總之，概念設計必然會被越來越多的結構工程師重視和認同，必將成為衡量優秀結構設計師的標準之一，也會在未來結構設計中發揮更大的作用。

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：尹維維 尚雯瀟 編輯  文徑 審核)