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[摘 要]“概念设计”是指根据理论与试验研究和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想，进行建筑和结构的总体布置并确定细部构造的过程。概念设计对结构的抗震设计具有重要意义。本文论述了概念设计提出的背景及其主要原理；阐述了高层建筑结构设计的特点和高层建筑结构体系对抗震的要求；以及高层建筑结构抗震概念设计的基本原则。
[关键词]高层建筑结构；结构抗震；概念设计
中图分类号：TU973 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）23-0142-02
1 引言
地震灾害是群灾之首，它具有突发性和不可预测性，以及频度较高，并产生严重次生灾害，对社会也会产生很大影响等特点。地震由于其强破坏力和难预见性，对人民生命财产安全造成了极大的威胁。中国地处世界上两个最活跃的地震带之间，是世界上多地震的国家之一。1976 年发生的唐山大地震，震级达到里氏7.8级，震中烈度为11度。直接经济损失近100亿元。2008年5月12日发生的汶川地震， 震中烈度11度，损失极为严重。汶川地震的伤口还没有完全恢复，2010年4月14日青海省玉树县发生7.1级地震，又一次唤醒了人们的沉痛回忆。可见地震作用对于结构安全的影响很大。因此，加强对结构抗震研究，防患于未然，具有非常重要的意义。
地震是一种随机振动，有着难于把握的复杂性和不确定性，目前地震及结构所受地震作用还有许多规律未被认识。要准确预测建筑物所遭遇地震的特性和参数，一时尚难做到。在结构内力分析方面，由于未能充分考虑结构的空间作用、非弹性性质、材料时效、阻尼变化等多种因素，也存在着不确定性。在建筑抗震理论远未达到科学严密程度的今天，单靠计算很难使建筑具有良好的抗震能力。人们在总结历次大地震灾害经验中认识到：一个合理的抗震设计，在很大程度上取决于良好的“概念设计”。因此，着眼于建筑总体抗震能力的概念设计，越来越受到工程界的普遍重视。
2 结构抗震概念设计
“概念设计”是指根据理论与试验研究和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想，进行建筑和结构的总体布置并确定细部构造的过程。
国内外历次大地震及风灾的经验教训，使人们越来越认识到建筑物概念设计阶段中结构概念设计的重要性，尤其是结构抗震概念设计对结构的抗震性能将起决定性作用。从某种意义上讲，概念设计甚至比分析计算更为重要。
概念设计是通过无数的事故分析，历年来国内外震害分析，模拟试验的定量定性分析以及长期以来国内外与使用经验分析、归纳、总结出来的。而这些原则、规定与方法往往是基础性、整体性、全局性和关键性的。有些概念设计的要求，为整个设计设置了二道防线，保证了建筑物的安全、可靠。合理的结构方案是安全可靠的优秀设计的基本保证。
强调结构概念设计的重要性，旨在要求建筑师和结构工程师在建筑设计中应特别重视规范和规程中有关结构概念设计的各条规定，设计中不能陷入只凭计算的误区，认为不管结构规则不规则，只要计算通得过就可以。结构的规则性和整体性是概念设计的核心。若结构严重不规则、整体性差，就算计算通得过，则仅按目前的结构设计计算水平，也难以保证结构的抗震、抗风性能，尤其是抗震性能。建筑结构的抗震设计，是以现有的有限的科学水平和经济条件为前提的。另外，在计算中或在规范中也存在一些难以作出具体规定的问题，必须由工程师运用“概念”进行分析，作出判断，以便采取相应的措施。例如结构破坏机理的概念，力学概念以及由震害试验现象等总结提供的各种宏观和具体的经验等，这些概念及经验要贯穿在方案确定及结构布置过程中，也体现在计算简图或计算结果的处理中。
3 高层建筑结构设计的特点
（1）高层建筑结构设计与低层、多层建筑结构设计相比较，结构专业在各专业中占有更重要的地位，不同结构体系的选择，直接关系到建筑平面布置，立面体型，楼层高度，机电管道的设置，施工技术的要求，施工工期的长短和投资造价的高低。
（2）水平力是设计的主要因素。在低层和多层房屋结构中，水平力产生的影响较小，以抵抗竖向荷载为主，侧向位移小，通长忽略不计。在高层建筑结构中，随着高度的增加，水平力（风荷载或水平地震作用）产生的内力和位移迅速增大。把房屋结构看成一根简单的竖向悬臂构件，轴力与高度成正比；水平力产生的弯矩与高度的二次方成正比；水平力产生的侧向顶点位移与高度的四次方成正比。
（3）高层建筑结构设计中，不仅要求结构具有足够的承载力，而且必须使结构具有足够的抵抗侧向力的刚度，使结构在水平力作用下所产生的侧向位移限制在规范规定的范围内。因此，高层建筑结构所需的侧向刚度由位移控制。
结构的侧向位移过大将产生下列后果：
1）使结构因P-Δ效应产生较大的附加内力，尤其是竖向构件，当侧向位移增大时，偏心加剧，当产生的附加内力值超过一定数值时，将会導致房屋的倒塌；
2）使居住的人感到不适或惊慌。在风荷载作用下，如果侧向位移过大，必将引起居住人员的不舒服，影响正常工作和生活。在水平地震作用下，当侧向位移过大，更会造成人们的不安和惊吓；
3）使填充墙和建筑装饰开裂或损坏，使机电设备管道受损坏，使电梯轨道变形造成不能正常运行；
4）使主体结构构件出现较大裂缝，甚至损坏。
（4）高层建筑减轻自重比多层建筑更有意义。从地基承载力或桩基承载力考虑，如果在同样地基或桩基情况下，减轻房屋自重意味着不增加基础的造价和处理措施，可以多建层数，这在软弱土层上有突出的经济效益。
地震效应是与建筑的质量成正比，减轻房屋自重是提高结构抗震能力的有效办法。高层建筑中质量大了，不仅作用于结构上的地震剪力大，还由于重心高地震作用倾覆力矩大，对竖向构件产生很大的附加轴力，P-Δ效应造成附加弯矩更大。 因此，在高层建筑房屋中，结构构件宜采用高强度材料，非结构构件和维护墙体应采用轻质材料。减轻房屋自重，既减小了竖向荷载作用下构件的内力，使构件截面变小，又可减小结构刚度和地震效应，不但能节省材料，降低造价，还能增加使用空间。
（5）在高层建筑的抗风设计中，应保证结构有足够承载力，必须具有足够的刚度；控制在风荷载作用下的位移值，保证有良好的居住和工作条件；外墙（尤其是玻璃幕墙）、窗玻璃、女儿墙及其他维护和装饰构件，必须有足够的承载力，并与主体结构有可靠的连接，防止房屋在风荷载作用下产生局部破坏。
（6）有抗震设防的高层建筑，应进行详细勘察，摸清地形、地质情况，选择位于开阔平坦地带，具有坚硬场地土或密实均匀中硬场地土的对抗震有利的地段；尽可能避开对建筑抗震不利的地段，如高差较大的台地边缘，非岩质的陡坡、河岸和边坡，较弱土、易液化土、故河道、断层破碎带，以及土质成因、岩性、状态明显不均匀的情况等；任何情况下均不得在抗震危险地段上建造可能引起人员伤亡或较大经济损失的建筑物。
（7）地基基础的承載力和刚度要与上部结构的承载力和刚度相适应。当上部结构与基础连接部位考虑受弯承载力增大时，相邻基础结构及上部结构嵌固部位的地下室结构，应考虑弯矩增大的作用。
4 高层建筑结构体系对抗震的要求
（1）高层建筑不应采用严重不规则的结构体系，并应符合下列要求：
1）应具有必要的承载能力、刚度和变形能力；
2）应避免因部分结构或构件的破坏而导致整个结构丧失承受重力荷载、风荷载和地震作用的能力；应避免连续倒塌；
3）对可能出现的薄弱部位，应采取有效措施。
（2）高层建筑的结构体系尚宜符合下列要求：
1）结构的竖向和水平布置宜具有合理的刚度和承载力分布，避免因局部突变和扭转效应而形成薄弱部位；
2）宜具有多道抗震防线。
5 高层建筑结构抗震概念设计的基本原则
结构抗震概念设计的目标是使整理结构能发挥耗散地震能量的作用，避免结构出现敏感的薄弱部位，地震能量的耗散仅集中在极少数薄弱部位，导致结构过早破坏。现有抗震设计方法的前提之一是假定整个结构能发挥耗散地震能量的作用，在此前提下，才能以多遇地震作用进行结构计算、构件设计并加以构造措施，或采用动力时程分析进行验算，试图达到罕遇地震作用下结构不倒塌的目标。高层结构抗震概念设计的基本原则：
（1）结构的简单性
结构简单是指结构在地震作用下具有直接和明确的传力途径，结构的计算模型、内力和位移分析以及限制薄弱部位出现都易于把握，对结构抗震性能的估计也比较可靠。
（2）结构的规则和均匀性
1）沿建筑物竖向，建筑造型和结构布置比较均匀，避免刚度、承载力和传力途径的突变，以限制结构在竖向某一楼层或极少数几个楼层出现敏感的薄弱部位。这些部位将产生过大的应力集中或过大的变形，容易导致结构过早地倒塌。
2）建筑平面比较规则，平面内结构布置比较均匀，使建筑物分布质量产生的地震惯性力能以比较短的途径传递，并使质量分布与结构刚度分布协调，限制质量与刚度之间的偏心。建筑平面规则、结构布置均匀，有利于防止薄弱的子结构过早破坏、倒塌，使地震作用能在各子结构之间重分布，增加结构的赘余度数量，发挥整个结构耗散地震能量的作用。
（3）结构的刚度和抗震能力
1）水平地震作用是双向的，结构布置应使结构能抵抗任意方向的地震作用。通常，可使结构沿平面上两个主轴方向具有足够的刚度和抗震能力。结构的抗震能力则是结构承载力及延性的综合反映。
2）结构刚度选择时，虽可考虑场地特征，选择结构刚度，以减少地震作用效应，但也要注意控制结构变形的增大，过大的变形将会因P-Δ效应过大而导致结构破坏。
3）结构除需要满足水平方向的刚度和抗震能力外，还应具有足够的抗扭刚度和抵抗扭转振动的能力。现有抗震设计计算中不考虑地震地面运动的扭转分量，在概念设计中应注意提高结构的抗扭刚度和抵抗扭转振动的能力，
（4）结构的整体性
1）高层建筑结构中，楼盖对于结构的整体性起到非常重要的作用。楼盖相当于水平隔板，它不仅聚集和传递惯性力到各个竖向抗侧力子结构，而且要使这些子结构能协同承受地震作用，特别是当竖向抗侧力子结构布置不均匀或布置复杂或各抗侧力子结构水平变形特征不同时，整个结构就要依靠楼盖使各抗侧力子结构能协同工作。楼盖体系重要的作用是提供足够的面内刚度和抗力，并与竖向各子结构有效连接，当结构空旷、平面狭长或平面凹凸不规则或楼盖开大洞口时，更应特别注意。设计中不能误认为，在多遇地震作用计算中考虑了楼板平面内弹性变形影响后，就可削弱楼盖体系。
2）高层建筑基础的整体性以及基础与上部结构的可靠连接是结构整体性的重要保证。
参考文献
[1] 建筑抗震设计规范GB500l1—2010.
[2] 高层建筑混凝土结构技术规程JGJ 3-2010
[3] 方鄂华.高层建筑结构设计.北京：高等教育出版社，l994.
[4] 丰定国等.工程结构抗震.北京：地震出版社，1994.
[5] 丰定国，王社良.抗震结构设计.武汉：武汉理工大学出版社，2003.
[6] 童岳生，梁兴文，等.钢筋混凝土构件设计.北京：科学技术文献出版社，1995.
[7] T.鲍雷，戴瑞同，等.钢筋混凝土和砌体结构的抗震设计.北京：中国建筑工业出版社，l999.
[关键词]高层建筑结构；结构抗震；概念设计
中图分类号：TU973 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）23-0142-02
1 引言
地震灾害是群灾之首，它具有突发性和不可预测性，以及频度较高，并产生严重次生灾害，对社会也会产生很大影响等特点。地震由于其强破坏力和难预见性，对人民生命财产安全造成了极大的威胁。中国地处世界上两个最活跃的地震带之间，是世界上多地震的国家之一。1976 年发生的唐山大地震，震级达到里氏7.8级，震中烈度为11度。直接经济损失近100亿元。2008年5月12日发生的汶川地震， 震中烈度11度，损失极为严重。汶川地震的伤口还没有完全恢复，2010年4月14日青海省玉树县发生7.1级地震，又一次唤醒了人们的沉痛回忆。可见地震作用对于结构安全的影响很大。因此，加强对结构抗震研究，防患于未然，具有非常重要的意义。
地震是一种随机振动，有着难于把握的复杂性和不确定性，目前地震及结构所受地震作用还有许多规律未被认识。要准确预测建筑物所遭遇地震的特性和参数，一时尚难做到。在结构内力分析方面，由于未能充分考虑结构的空间作用、非弹性性质、材料时效、阻尼变化等多种因素，也存在着不确定性。在建筑抗震理论远未达到科学严密程度的今天，单靠计算很难使建筑具有良好的抗震能力。人们在总结历次大地震灾害经验中认识到：一个合理的抗震设计，在很大程度上取决于良好的“概念设计”。因此，着眼于建筑总体抗震能力的概念设计，越来越受到工程界的普遍重视。
2 结构抗震概念设计
“概念设计”是指根据理论与试验研究和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想，进行建筑和结构的总体布置并确定细部构造的过程。
国内外历次大地震及风灾的经验教训，使人们越来越认识到建筑物概念设计阶段中结构概念设计的重要性，尤其是结构抗震概念设计对结构的抗震性能将起决定性作用。从某种意义上讲，概念设计甚至比分析计算更为重要。
概念设计是通过无数的事故分析，历年来国内外震害分析，模拟试验的定量定性分析以及长期以来国内外与使用经验分析、归纳、总结出来的。而这些原则、规定与方法往往是基础性、整体性、全局性和关键性的。有些概念设计的要求，为整个设计设置了二道防线，保证了建筑物的安全、可靠。合理的结构方案是安全可靠的优秀设计的基本保证。
强调结构概念设计的重要性，旨在要求建筑师和结构工程师在建筑设计中应特别重视规范和规程中有关结构概念设计的各条规定，设计中不能陷入只凭计算的误区，认为不管结构规则不规则，只要计算通得过就可以。结构的规则性和整体性是概念设计的核心。若结构严重不规则、整体性差，就算计算通得过，则仅按目前的结构设计计算水平，也难以保证结构的抗震、抗风性能，尤其是抗震性能。建筑结构的抗震设计，是以现有的有限的科学水平和经济条件为前提的。另外，在计算中或在规范中也存在一些难以作出具体规定的问题，必须由工程师运用“概念”进行分析，作出判断，以便采取相应的措施。例如结构破坏机理的概念，力学概念以及由震害试验现象等总结提供的各种宏观和具体的经验等，这些概念及经验要贯穿在方案确定及结构布置过程中，也体现在计算简图或计算结果的处理中。
3 高层建筑结构设计的特点
（1）高层建筑结构设计与低层、多层建筑结构设计相比较，结构专业在各专业中占有更重要的地位，不同结构体系的选择，直接关系到建筑平面布置，立面体型，楼层高度，机电管道的设置，施工技术的要求，施工工期的长短和投资造价的高低。
（2）水平力是设计的主要因素。在低层和多层房屋结构中，水平力产生的影响较小，以抵抗竖向荷载为主，侧向位移小，通长忽略不计。在高层建筑结构中，随着高度的增加，水平力（风荷载或水平地震作用）产生的内力和位移迅速增大。把房屋结构看成一根简单的竖向悬臂构件，轴力与高度成正比；水平力产生的弯矩与高度的二次方成正比；水平力产生的侧向顶点位移与高度的四次方成正比。
（3）高层建筑结构设计中，不仅要求结构具有足够的承载力，而且必须使结构具有足够的抵抗侧向力的刚度，使结构在水平力作用下所产生的侧向位移限制在规范规定的范围内。因此，高层建筑结构所需的侧向刚度由位移控制。
结构的侧向位移过大将产生下列后果：
1）使结构因P-Δ效应产生较大的附加内力，尤其是竖向构件，当侧向位移增大时，偏心加剧，当产生的附加内力值超过一定数值时，将会導致房屋的倒塌；
2）使居住的人感到不适或惊慌。在风荷载作用下，如果侧向位移过大，必将引起居住人员的不舒服，影响正常工作和生活。在水平地震作用下，当侧向位移过大，更会造成人们的不安和惊吓；
3）使填充墙和建筑装饰开裂或损坏，使机电设备管道受损坏，使电梯轨道变形造成不能正常运行；
4）使主体结构构件出现较大裂缝，甚至损坏。
（4）高层建筑减轻自重比多层建筑更有意义。从地基承载力或桩基承载力考虑，如果在同样地基或桩基情况下，减轻房屋自重意味着不增加基础的造价和处理措施，可以多建层数，这在软弱土层上有突出的经济效益。
地震效应是与建筑的质量成正比，减轻房屋自重是提高结构抗震能力的有效办法。高层建筑中质量大了，不仅作用于结构上的地震剪力大，还由于重心高地震作用倾覆力矩大，对竖向构件产生很大的附加轴力，P-Δ效应造成附加弯矩更大。 因此，在高层建筑房屋中，结构构件宜采用高强度材料，非结构构件和维护墙体应采用轻质材料。减轻房屋自重，既减小了竖向荷载作用下构件的内力，使构件截面变小，又可减小结构刚度和地震效应，不但能节省材料，降低造价，还能增加使用空间。
（5）在高层建筑的抗风设计中，应保证结构有足够承载力，必须具有足够的刚度；控制在风荷载作用下的位移值，保证有良好的居住和工作条件；外墙（尤其是玻璃幕墙）、窗玻璃、女儿墙及其他维护和装饰构件，必须有足够的承载力，并与主体结构有可靠的连接，防止房屋在风荷载作用下产生局部破坏。
（6）有抗震设防的高层建筑，应进行详细勘察，摸清地形、地质情况，选择位于开阔平坦地带，具有坚硬场地土或密实均匀中硬场地土的对抗震有利的地段；尽可能避开对建筑抗震不利的地段，如高差较大的台地边缘，非岩质的陡坡、河岸和边坡，较弱土、易液化土、故河道、断层破碎带，以及土质成因、岩性、状态明显不均匀的情况等；任何情况下均不得在抗震危险地段上建造可能引起人员伤亡或较大经济损失的建筑物。
（7）地基基础的承載力和刚度要与上部结构的承载力和刚度相适应。当上部结构与基础连接部位考虑受弯承载力增大时，相邻基础结构及上部结构嵌固部位的地下室结构，应考虑弯矩增大的作用。
4 高层建筑结构体系对抗震的要求
（1）高层建筑不应采用严重不规则的结构体系，并应符合下列要求：
1）应具有必要的承载能力、刚度和变形能力；
2）应避免因部分结构或构件的破坏而导致整个结构丧失承受重力荷载、风荷载和地震作用的能力；应避免连续倒塌；
3）对可能出现的薄弱部位，应采取有效措施。
（2）高层建筑的结构体系尚宜符合下列要求：
1）结构的竖向和水平布置宜具有合理的刚度和承载力分布，避免因局部突变和扭转效应而形成薄弱部位；
2）宜具有多道抗震防线。
5 高层建筑结构抗震概念设计的基本原则
结构抗震概念设计的目标是使整理结构能发挥耗散地震能量的作用，避免结构出现敏感的薄弱部位，地震能量的耗散仅集中在极少数薄弱部位，导致结构过早破坏。现有抗震设计方法的前提之一是假定整个结构能发挥耗散地震能量的作用，在此前提下，才能以多遇地震作用进行结构计算、构件设计并加以构造措施，或采用动力时程分析进行验算，试图达到罕遇地震作用下结构不倒塌的目标。高层结构抗震概念设计的基本原则：
（1）结构的简单性
结构简单是指结构在地震作用下具有直接和明确的传力途径，结构的计算模型、内力和位移分析以及限制薄弱部位出现都易于把握，对结构抗震性能的估计也比较可靠。
（2）结构的规则和均匀性
1）沿建筑物竖向，建筑造型和结构布置比较均匀，避免刚度、承载力和传力途径的突变，以限制结构在竖向某一楼层或极少数几个楼层出现敏感的薄弱部位。这些部位将产生过大的应力集中或过大的变形，容易导致结构过早地倒塌。
2）建筑平面比较规则，平面内结构布置比较均匀，使建筑物分布质量产生的地震惯性力能以比较短的途径传递，并使质量分布与结构刚度分布协调，限制质量与刚度之间的偏心。建筑平面规则、结构布置均匀，有利于防止薄弱的子结构过早破坏、倒塌，使地震作用能在各子结构之间重分布，增加结构的赘余度数量，发挥整个结构耗散地震能量的作用。
（3）结构的刚度和抗震能力
1）水平地震作用是双向的，结构布置应使结构能抵抗任意方向的地震作用。通常，可使结构沿平面上两个主轴方向具有足够的刚度和抗震能力。结构的抗震能力则是结构承载力及延性的综合反映。
2）结构刚度选择时，虽可考虑场地特征，选择结构刚度，以减少地震作用效应，但也要注意控制结构变形的增大，过大的变形将会因P-Δ效应过大而导致结构破坏。
3）结构除需要满足水平方向的刚度和抗震能力外，还应具有足够的抗扭刚度和抵抗扭转振动的能力。现有抗震设计计算中不考虑地震地面运动的扭转分量，在概念设计中应注意提高结构的抗扭刚度和抵抗扭转振动的能力，
（4）结构的整体性
1）高层建筑结构中，楼盖对于结构的整体性起到非常重要的作用。楼盖相当于水平隔板，它不仅聚集和传递惯性力到各个竖向抗侧力子结构，而且要使这些子结构能协同承受地震作用，特别是当竖向抗侧力子结构布置不均匀或布置复杂或各抗侧力子结构水平变形特征不同时，整个结构就要依靠楼盖使各抗侧力子结构能协同工作。楼盖体系重要的作用是提供足够的面内刚度和抗力，并与竖向各子结构有效连接，当结构空旷、平面狭长或平面凹凸不规则或楼盖开大洞口时，更应特别注意。设计中不能误认为，在多遇地震作用计算中考虑了楼板平面内弹性变形影响后，就可削弱楼盖体系。
2）高层建筑基础的整体性以及基础与上部结构的可靠连接是结构整体性的重要保证。
参考文献
[1] 建筑抗震设计规范GB500l1—2010.
[2] 高层建筑混凝土结构技术规程JGJ 3-2010
[3] 方鄂华.高层建筑结构设计.北京：高等教育出版社，l994.
[4] 丰定国等.工程结构抗震.北京：地震出版社，1994.
[5] 丰定国，王社良.抗震结构设计.武汉：武汉理工大学出版社，2003.
[6] 童岳生，梁兴文，等.钢筋混凝土构件设计.北京：科学技术文献出版社，1995.
[7] T.鲍雷，戴瑞同，等.钢筋混凝土和砌体结构的抗震设计.北京：中国建筑工业出版社，l999.