概念設(shè)計在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要性

張鎬

西安市住宅建筑設(shè)計研究院

    概念設(shè)計是在不經(jīng)過數(shù)值計算的前提下，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、試驗現(xiàn)象和工程經(jīng)驗所獲得的基本設(shè)計原則和設(shè)計思想，是從整體的角度來確定建筑結(jié)構(gòu)的總體布置和抗震細(xì)部措施的宏觀控制結(jié)構(gòu)設(shè)計理念的關(guān)鍵所在。要求結(jié)構(gòu)設(shè)計師首先要對建筑結(jié)構(gòu)的受力分析概念清晰，傳力途徑明確。強(qiáng)調(diào)概念設(shè)計的重要性，主要是因為現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計階段，初步設(shè)計過程是不能借助于計算機(jī)來實現(xiàn)的，只能靠概念設(shè)計來完成。概念設(shè)計的重要性具體體現(xiàn)在以下三方面：

    首先，如果說結(jié)構(gòu)設(shè)計是對一個建筑進(jìn)行的“骨架”設(shè)計，那么概念設(shè)計就是“骨架”中最重要的“脊柱”。它包含著極為廣泛的內(nèi)容，是保證結(jié)構(gòu)具有優(yōu)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(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)，各種構(gòu)件以相當(dāng)復(fù)雜的方式共同工作，且都并非是脫離總體結(jié)構(gòu)體系的單獨構(gòu)件。目前，人們在空間結(jié)構(gòu)體系整體研究上還有一定的局限性，在設(shè)計過程中用了許多假定與簡化理論。作為結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)該強(qiáng)化概念設(shè)計，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，在設(shè)計中靈活運用。

    在初步設(shè)計階段，許多重要內(nèi)容未經(jīng)計算就要求結(jié)構(gòu)師確定，如：建筑結(jié)構(gòu)類型的選擇；建筑形體及其構(gòu)件布置是否規(guī)則；建筑布局是否合理，是否需要調(diào)整及如何調(diào)整；是否需要設(shè)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(guī)范要求。。。。。。，這都是概念設(shè)計的具體運用。而像強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點弱構(gòu)件等概念設(shè)計理念則在工程計算和畫施工圖階段顯得尤為重要。結(jié)構(gòu)師必須對這些基本概念清晰，才能引導(dǎo)建筑師優(yōu)化平立面方案，設(shè)計出既美觀新穎又安全節(jié)約的建筑。結(jié)構(gòu)工程師要運用概念設(shè)計理論對整體結(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，做到布局合理，受力明確。比如：對多層砌體房屋應(yīng)優(yōu)先采用橫墻承重或縱橫墻共同承重的結(jié)構(gòu)體系；對框架結(jié)構(gòu)，甲乙類建筑不應(yīng)采用單跨框架，丙類不宜采用單跨框架；混凝土結(jié)構(gòu)房屋的形體如嚴(yán)重不規(guī)則不應(yīng)采用，特別不規(guī)則的應(yīng)進(jìn)行專門的研究論證，采取特別的加強(qiáng)措施，而不規(guī)則的應(yīng)采取加強(qiáng)措施。

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

    其次，概念設(shè)計有助于開展創(chuàng)造性的結(jié)構(gòu)設(shè)計。作為一名優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)設(shè)計師，應(yīng)該具有創(chuàng)造力，不能只是墨守成規(guī)，等著建筑師拿出平、立面布局再按步就搬地布置梁、柱等構(gòu)件，只注重畫圖，而不注重設(shè)計，就不是真正意義上的“結(jié)構(gòu)設(shè)計”。結(jié)構(gòu)設(shè)計師不應(yīng)忽視對整體的把握而只注重單個梁、柱等構(gòu)件的計算，應(yīng)該在方案階段就發(fā)揮自己的專長，拿出自己的獨特見解，用合理的空間結(jié)構(gòu)體系去引導(dǎo)建筑師做出既讓業(yè)主滿意又受力合理的平、立面布局。此時結(jié)構(gòu)師的建議和意見將是有建設(shè)性的，非常重要的。就像結(jié)構(gòu)設(shè)計奇才坎恩設(shè)計的西爾斯大廈，底部為九個筒組成的束筒結(jié)構(gòu)，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(qiáng)，非常大氣。同時，從受力分析上看又極其合理。我想當(dāng)初設(shè)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(jié)構(gòu)體系吧，而是著眼于全局、整體的傳力、受力體系，即在概念設(shè)計明確的前提下，和建筑師密切配合，創(chuàng)造性地運用了筒體理論，開創(chuàng)了束筒理論的先河。當(dāng)然，并不是所有的結(jié)構(gòu)設(shè)計師都能有坎恩那樣的驚世之作。但概念設(shè)計清晰的結(jié)構(gòu)工程師，隨著他的不懈追求，其結(jié)構(gòu)概念將隨他的認(rèn)識與實踐的增長而越來越豐富，設(shè)計成果也越來越創(chuàng)新、完善。所以說：優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)設(shè)計師應(yīng)著眼于全局，將概念設(shè)計貫穿于結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計方案。

    另外，概念設(shè)計還是校核計算機(jī)計算結(jié)果的有效方法。在科技高速發(fā)展的今天，隨著計算機(jī)技術(shù)和計算方法的發(fā)展，計算機(jī)及其結(jié)構(gòu)程序在結(jié)構(gòu)工程中得到大量應(yīng)用。這也使許多結(jié)構(gòu)工程師陷入了誤區(qū)。他們往往認(rèn)為電算結(jié)果是絕對正確、可靠的。因此僅依靠計算機(jī)上的某種計算模型，將建筑平面轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)的梁、板、墻、柱輸入后得出的計算結(jié)果盲目繪圖，對由于軟件的選擇、使用或是數(shù)據(jù)輸入不當(dāng)造成的計算結(jié)果不合理、甚至錯誤之處不能及時發(fā)現(xiàn)，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(jī)計算結(jié)果的正誤，就要求結(jié)構(gòu)工程師加強(qiáng)基礎(chǔ)理論及概念設(shè)計的積累和認(rèn)識。比較客觀、真實地理解結(jié)構(gòu)的受力、傳力性能，從而對計算結(jié)果做出正確判斷。所以說，我們不能不加分析地應(yīng)用計算機(jī)結(jié)果，讓計算機(jī)結(jié)果左右人的思維、判斷，而應(yīng)利用計算機(jī)計算過程的高速、精確性幫助設(shè)計師做繁雜的過程計算。只要設(shè)計人員概念設(shè)計清晰，布置了合理的結(jié)構(gòu)體系，選用了合適的計算軟件，并且能正確分析判斷計算結(jié)果。那么計算機(jī)一定能幫助結(jié)構(gòu)設(shè)計師得到更合理、更優(yōu)化、更經(jīng)濟(jì)的設(shè)計成果。

    總之，概念設(shè)計必然會被越來越多的結(jié)構(gòu)工程師重視和認(rèn)同，必將成為衡量優(yōu)秀結(jié)構(gòu)設(shè)計師的標(biāo)準(zhǔn)之一，也會在未來結(jié)構(gòu)設(shè)計中發(fā)揮更大的作用。

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會  文徑網(wǎng)絡(luò)：尹維維 尚雯瀟 編輯  文徑 審核)