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摘要:随着计算机技术和计算方法的发展,计算机及其结构程序在结构工程中得到大量的应用。文章根据这种现象提出结构概念设计的准则。
关键词:建筑结构；概念设计
一、概述
在不断的结构设计研究与实践中,人们积累了大量有益的经验。随着计算机技术和计算方法的发展,计算机及其结构程序在结构工程中得到大量的应用。结果给部分结构工程师造成一种错觉,觉得结构设计很简单,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),然后再使用计算机去完成它。这不仅不能有效地运用他们的知识、精力和时间,而且还会与建筑师的交流中产生分歧与矛盾。
我国结构计算理论经历了经验估算、容许应力法、破损阶段计算、极限状态计算,到目前普遍采用的概率极限状态理论等阶段。现行的《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068-2001)则采用以概率理论为基础的结构极限状态设计准则,以使建筑结构的设计得以符合技术先进、经济合理、安全适用的原则。概率极限状态设计法更科学、更合理,但该法在运算过程中还带有一定程度近似,只能视作近似概率法,并且仅凭极限状态设计也很难估算建筑物的真正承载力。事实上,建筑物是一个空间结构,各种构件以相当复杂的方式共同工作,并非是脱离结构体系的单独构件。
二、结构概念设计
目前,人们在具体的空间结构体系整体研究上还有一定的局限性,在设计过程中进行了许多假定与简化。作为结构工程师不应盲目地照搬照抄规范,而应该把握规范条文的力学原理及材料学原理,并在实际设计项目中做出正确的选择。这就要求结构工程师对结构体系与构成体系的基本杆件之间的力学关系有透彻的认识,把概念设计应用到实际工作中去。
所谓的概念设计一般指不经数值计算,尤其在一些难以做出精确理性分析或在规范中难以规定的问题中,依据结构体系与杆件之间的力学关系、破坏机理、试验现象和工程经验所获得的基本设计原则和设计思想,从整体的角度来确定建筑结构的总体布置和抗震细部构造措施。
概念设计是指在进行结构设计时,在特定的建筑空间及地理条件下,首先着眼于结构的总体方案,按照结构的破坏机理和破坏过程,灵活且能有意识地利用结构体系与基本杆件之间的力学特性与关系、设计准则、工程当地当时的资源条件,全面合理地解决结构设计中的基本问题。既注意总体布置上的大原则,又顾及到关键部位的细节,从根本上提高结构的可靠度。这种运用工程判断解决或处理具体问题的理念,也可称为设计概念。概念设计的目的是使工程项目的设计、施工、使用都能“又快、又好、又省”,这也符合当前人们对工程建设的要求。
建筑结构的概念设计是建筑工程中结构设计的灵魂。运用概念性近似估算方法,可以在建筑设计的方案阶段迅速、有效地对结构体系进行构思、比较与选择,易于手算。所得方案往往概念清晰、定性正确,避免后期设计阶段一些不必要的繁琐运算,具有較好的经济可靠性能。同时,也是判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。
美国一些著名学者和专家曾警告工业界“误用计算机造成结构破坏而引起灾难只是一个时间的问题”。为了避免这种情况,运用概念设计的思想不失为一个好方法。运用概念设计的思想,使得结构设计的思路得到了拓宽。传统的结构计算理论的研究和结构设计似乎只关注如何提高结构抗力,以致混凝土的等级越用越高,配筋量越来越大,造价越来越高。结构工程师往往只注意到不超过最大配筋率,结果肥梁、胖柱、深基础处处可见。以抗震设计为例,一般是根据初定的尺寸、混凝土等级算出结构的刚度,再由结构刚度算出地震力,然后算配筋。但是大家知道,结构刚度越大,地震作用效应越大,配筋越多,刚度越大,地震力就越强。这样为抵御地震而配的钢筋,增加了结构的刚度,反而使地震作用效应增强。
为什么不考虑降低作用效应呢?运用概念设计的思想,目前在抗震设计中,隔震消能的研究就是一个很好的例子。隔震消能的一般做法是在基础与主体之间设柔性隔震层,加设消能支撑(类似于阻尼器的装置);有的在建筑物顶部装一个“反摆”,地震时它的位移方向与建筑物顶部的位移相反,从对建筑物的振动加大阻尼作用,降低加速度,减少建筑物的位移,来降低地震作用效应。合理设计可降低地震作用效应达60%,并提高屋内物品的安全性。这一研究在国内外正广泛地深入展开。在日本,研究成果已经广泛应用于实际工程中,取得良好的经济效果。而我国由于经济、技术和人们认识的限制,目前在工程界还未被广泛地应用。同时,在目前建筑结构抗震鉴定及加固中,概念设计的思想也应得到延伸。在1976年唐山地震中,天津市加固的2万间民房无一倒塌,但天津第二毛纺厂3层的框架厂房,却因偏重于传统构部件的加固,忽视结构总体抗震性能的判断,造成不合理的加固使抗震薄弱层转移,致使倒塌。
概念设计侧重于定性地用整体的概念完成结构总体方案的设计并能有意识地处理构件与结构、结构与结构的关系,它反映了一个结构工程师对静力平衡、力与变形、力与加速度三者综合理解的深度及综合设计能力。强调概念设计还因为现行的结构设计理念与计算理论存在许多缺陷或不可计算性。为此,不能仅仅只依靠精确计算,还需依据前人及专家们的一些普通经验和定性的结构措施来弥补理论的缺陷,弥补实际存在的大量无法计算的结构设计问题,使概念设计在抗震设计中得到最充分的体现。由于地震性质和地震能量的不确定性,尽管可以建立力学模型进行抗震验算,也可以事先人为地假定几种地震波作用下的时程分析计算,但是均不能保证结构在大震下不倒,而无数的震害分析和理论研究均证明:建筑平立面的规则性和结构的延性是防止大震不倒的最根本途径,所有的抗震验算仅供参考。
三、结语
概念设计的思想被越来越多的结构工程师所接受,并将在结构设计中发挥越来越大的作用。随着社会经济的发展和人们生活水平的提高,对建筑结构设计也提出了更高的要求。发展先进计算理论,加强计算机的应用,加快新型高强、轻质、环保建材的研究与应用,使建筑结构设计更加安全、适用、可靠、经济是当务之急。其中,打破建筑结构设计中的墨守成规,充分发挥结构工程师的创新能力是相当必要的。这就需要工程界和教育界共同进行努力,推广概念设计,使概念设计成为今后结构设计的主流思想。
关键词:建筑结构；概念设计
一、概述
在不断的结构设计研究与实践中,人们积累了大量有益的经验。随着计算机技术和计算方法的发展,计算机及其结构程序在结构工程中得到大量的应用。结果给部分结构工程师造成一种错觉,觉得结构设计很简单,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),然后再使用计算机去完成它。这不仅不能有效地运用他们的知识、精力和时间,而且还会与建筑师的交流中产生分歧与矛盾。
我国结构计算理论经历了经验估算、容许应力法、破损阶段计算、极限状态计算,到目前普遍采用的概率极限状态理论等阶段。现行的《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068-2001)则采用以概率理论为基础的结构极限状态设计准则,以使建筑结构的设计得以符合技术先进、经济合理、安全适用的原则。概率极限状态设计法更科学、更合理,但该法在运算过程中还带有一定程度近似,只能视作近似概率法,并且仅凭极限状态设计也很难估算建筑物的真正承载力。事实上,建筑物是一个空间结构,各种构件以相当复杂的方式共同工作,并非是脱离结构体系的单独构件。
二、结构概念设计
目前,人们在具体的空间结构体系整体研究上还有一定的局限性,在设计过程中进行了许多假定与简化。作为结构工程师不应盲目地照搬照抄规范,而应该把握规范条文的力学原理及材料学原理,并在实际设计项目中做出正确的选择。这就要求结构工程师对结构体系与构成体系的基本杆件之间的力学关系有透彻的认识,把概念设计应用到实际工作中去。
所谓的概念设计一般指不经数值计算,尤其在一些难以做出精确理性分析或在规范中难以规定的问题中,依据结构体系与杆件之间的力学关系、破坏机理、试验现象和工程经验所获得的基本设计原则和设计思想,从整体的角度来确定建筑结构的总体布置和抗震细部构造措施。
概念设计是指在进行结构设计时,在特定的建筑空间及地理条件下,首先着眼于结构的总体方案,按照结构的破坏机理和破坏过程,灵活且能有意识地利用结构体系与基本杆件之间的力学特性与关系、设计准则、工程当地当时的资源条件,全面合理地解决结构设计中的基本问题。既注意总体布置上的大原则,又顾及到关键部位的细节,从根本上提高结构的可靠度。这种运用工程判断解决或处理具体问题的理念,也可称为设计概念。概念设计的目的是使工程项目的设计、施工、使用都能“又快、又好、又省”,这也符合当前人们对工程建设的要求。
建筑结构的概念设计是建筑工程中结构设计的灵魂。运用概念性近似估算方法,可以在建筑设计的方案阶段迅速、有效地对结构体系进行构思、比较与选择,易于手算。所得方案往往概念清晰、定性正确,避免后期设计阶段一些不必要的繁琐运算,具有較好的经济可靠性能。同时,也是判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。
美国一些著名学者和专家曾警告工业界“误用计算机造成结构破坏而引起灾难只是一个时间的问题”。为了避免这种情况,运用概念设计的思想不失为一个好方法。运用概念设计的思想,使得结构设计的思路得到了拓宽。传统的结构计算理论的研究和结构设计似乎只关注如何提高结构抗力,以致混凝土的等级越用越高,配筋量越来越大,造价越来越高。结构工程师往往只注意到不超过最大配筋率,结果肥梁、胖柱、深基础处处可见。以抗震设计为例,一般是根据初定的尺寸、混凝土等级算出结构的刚度,再由结构刚度算出地震力,然后算配筋。但是大家知道,结构刚度越大,地震作用效应越大,配筋越多,刚度越大,地震力就越强。这样为抵御地震而配的钢筋,增加了结构的刚度,反而使地震作用效应增强。
为什么不考虑降低作用效应呢?运用概念设计的思想,目前在抗震设计中,隔震消能的研究就是一个很好的例子。隔震消能的一般做法是在基础与主体之间设柔性隔震层,加设消能支撑(类似于阻尼器的装置);有的在建筑物顶部装一个“反摆”,地震时它的位移方向与建筑物顶部的位移相反,从对建筑物的振动加大阻尼作用,降低加速度,减少建筑物的位移,来降低地震作用效应。合理设计可降低地震作用效应达60%,并提高屋内物品的安全性。这一研究在国内外正广泛地深入展开。在日本,研究成果已经广泛应用于实际工程中,取得良好的经济效果。而我国由于经济、技术和人们认识的限制,目前在工程界还未被广泛地应用。同时,在目前建筑结构抗震鉴定及加固中,概念设计的思想也应得到延伸。在1976年唐山地震中,天津市加固的2万间民房无一倒塌,但天津第二毛纺厂3层的框架厂房,却因偏重于传统构部件的加固,忽视结构总体抗震性能的判断,造成不合理的加固使抗震薄弱层转移,致使倒塌。
概念设计侧重于定性地用整体的概念完成结构总体方案的设计并能有意识地处理构件与结构、结构与结构的关系,它反映了一个结构工程师对静力平衡、力与变形、力与加速度三者综合理解的深度及综合设计能力。强调概念设计还因为现行的结构设计理念与计算理论存在许多缺陷或不可计算性。为此,不能仅仅只依靠精确计算,还需依据前人及专家们的一些普通经验和定性的结构措施来弥补理论的缺陷,弥补实际存在的大量无法计算的结构设计问题,使概念设计在抗震设计中得到最充分的体现。由于地震性质和地震能量的不确定性,尽管可以建立力学模型进行抗震验算,也可以事先人为地假定几种地震波作用下的时程分析计算,但是均不能保证结构在大震下不倒,而无数的震害分析和理论研究均证明:建筑平立面的规则性和结构的延性是防止大震不倒的最根本途径,所有的抗震验算仅供参考。
三、结语
概念设计的思想被越来越多的结构工程师所接受,并将在结构设计中发挥越来越大的作用。随着社会经济的发展和人们生活水平的提高,对建筑结构设计也提出了更高的要求。发展先进计算理论,加强计算机的应用,加快新型高强、轻质、环保建材的研究与应用,使建筑结构设计更加安全、适用、可靠、经济是当务之急。其中,打破建筑结构设计中的墨守成规,充分发挥结构工程师的创新能力是相当必要的。这就需要工程界和教育界共同进行努力,推广概念设计,使概念设计成为今后结构设计的主流思想。