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摘要：建筑结构设计中，由于计算机结构计算程序的广泛应用与普及，设计人员越来越依赖计算程序，从而导致结构设计人员忽略了在建筑方案阶段的结构概念设计，为保证建筑结构的安全可靠、适用、经济，对结构设计人员强调结构概念设计的重要性是非常必要的。
关键词：概念设计；高层建筑
高层建筑结构概念设计是指工程结构设计人员运用所掌握的理论知识和工程经验，在方案阶段及初步设计阶段，从宏观上、总体上和原则上去决策和确定高层建筑结构设计中的一些最基本、最本质也是最关键的问题，主要涉及结构方案的选定和布置、荷载和作用传递路径的设置、关键部位和薄弱环节的判定和加强、结构整体稳定性保证和耗能作用的的发挥以及承载力和结构刚度在平面内和沿高度的均匀分配；结构分析理论的基本假定等等。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，采取相应的结构措施。
一、概念设计能帮助建筑师开拓空间形式与功能
建筑师与结构工程师为业主服务的目标是一致的，因此，结构工程不仅要成为结构功能要求的实现者，而且要成为建筑功能要求实现的积极参与者，与建筑师一道创造性的作出总体建筑设计。在建筑方案设计阶段，结构工程师的参与是项目设计所必要的知识投入。结构项目工程师的首要任务，就是在建筑方案设计阶段，凭借整体概念和判断力，去帮助建筑师开拓或实现业主所想要的空间与功能。
二、高层建筑结构概念设计需重视的几个问题：
1、以承载力、刚性、延性为主导的目标：
在特定的空间形式、功能和地理环境条件下，以结构工程师自身确定的理想承载力、刚度和延性为主导目标，用整体构思来设计各个部分有机相连的结构体系，并有意识地利用和发挥结构总体系和主要分体系、以及分体系与构件之间的最佳受力特征与协调关系。
从宏观上分析高层建筑的水平力，就是把高层建筑结构模拟成一根“竖向悬臂梁”，由结构静力计算公式，轴力与高度成正比，在水平力作用下高层结构底部的倾覆力矩与其高度的二次方成正比；由《高规》（JGJ3—2010）第5.4.1的条文说明公式中，结构顶部侧移与其高度的四次方成正比，因而，随着高度越高，高层建筑结构的抗侧力问题尤为突出。过大的侧移，对结构造成危害，影响正常的使用；过明显的摆动，会使居住者感到不舒服，使居住在建筑里面的人们产生恐惧感；同时，也会使填充墙或建筑装饰开裂或损坏，使主体结构构件出现较大的裂缝，甚至破坏。对高层建筑结构来说，通常是地震或风等水平作用控制着结构构件截面尺寸和配件大小，因此，高层建筑结构的结构性能主要指其抗震抗风能力，这里有承载力足够、刚柔适度和延性好三个方面含义，也就是要求：
（1）高层建筑结构沿平面上两个主軸方向具有足够的刚度、结构承载力和结构延性。
（2）结构刚柔适度指结构刚度选择既要顾及场地特征，错开结构自振周期，减少地震作用效应；又要顾及p-Δ效应，控制结构变形；同时更要注重结构刚度的合理配置，以保证高层建筑结构有足够的抗扭转振动能力。因此，需要限制结构扭转为主的第一振型周期与平动为主的第一周期之比值，当限制要求不被满足时，需采取加大两端刚度或增加平动周期（柔化）等方法，调整抗侧移结构的布置，增大结构的抗扭刚度。
（3）高层建筑钢筋混凝土结构的延性有一定的要求，为此结构构件要具有足够大的截面尺寸，满足高层的建筑的轴向变形和剪切变形，也就是满足柱的轴压比、梁和墙的剪压比限制，并且截面配筋率要适宜。
2、结构简单规则均匀
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，这就要求工程师在熟练运用计算机设计程序的同时，更要掌握必要的高层建筑结构简化估算方法。
结构规则均匀要求沿建筑竖向，建筑造型和结构布置比较均匀，避免刚度，承载能力和传力途径的突变，以限制结构在竖向某个楼层出现敏感的薄弱部位。建筑平面要求比较规则，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能以比较短和直接的途径传递，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。
3、加强连接、整体稳定性强：
高层建筑结构的整体稳定性，主要取决于楼盖、结构节点、结构与基础连接的可靠性等。
（1）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结构，而且要使这些子结构能协同承受地震作用，当楼板有大的凹入，大的开洞，平面内削弱过大，会产生显著变形时或结构空旷、平面狭长时，一方面应采用计及楼板变形影响的计算程序计算，另一方面还应在各抗侧力结构协同工作和各竖向子结构有效连接方面加强构造措施。
（2）建筑结构抗震概念设计有强节点弱构件的原则，高层建筑结构也一样，确保在地震作用下，节点承载力大于相连接构件的承载力。当构件屈服、刚度退化时，节点仍能保持承载力和刚度不变。尽管结构单元之间要求牢固连接，要求彻底分离是抗震设计的普通原则，但对高层建筑结构而言，最好采取加强连接而不是分离的方法，尽量避免似分不分，似连不连的结构方案，防止因振动不同步产生震害。
（3）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，基础不仅要有足够的整体性，而且与上部结构也要有可靠的连接，同时还必须有足够的埋置深度，以期在满足地基承载力、变形和稳定性要求的基础上，减少建筑物的整体倾斜，防止滑移。
4、轻质高强、多道防线
高层建筑减轻自重比多层建筑更有意义，不仅从地基承载力上有突出的经济效益，而且也是因为地震效应是建筑的质量成正比，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，在高层建筑中，结构构件宜采用高强度材料，非结构构件和围护墙体应采用轻质材料。减轻房屋自重，既减少了竖向荷载作用下构件的内力，使截面变小，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。
三、结语
目前，大部分结构设计人员都依赖计算机程序进行设计，在一定程度上已经被计算机所“绑架”，离开计算机，设计人员无从下手，无法进行结构设计。也因为在设计过程中，计算机结构计算软件总是存在一定的局限性、适用性和近似性，所以在设计过程中对现实工程采用了许多假定和简化，使计算模型与现实工程有一定的差别。这就需要设计人员在前期要有概念设计的水平，运用自身的基础理论、丰富的工程经验，在建筑设计方案中积极参与，确定建筑方案中的合理布置。概念设计是结构设计的核心和灵魂，其宗旨是要求建筑师和结构工程师明白在目前科技发展和设计计算的水平上，如果结构设计得严重不规则、整体性差，只凭结构力学分析来进行计算，是难以保证结构的抗风、抗震功能的。运用结构概念设计从整体上把握结构的各项性能，这样才能对计算分析结果进行科学的判断、合理的采用，保证工程项目的经济性与安全性。
参考文献：
[1]《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010.
[2] 霍达主编 《高层建筑结构设计》,高等教育出版社 2004.8.
[3] 王锦浩 对提高建筑结构概念设计的思考,《城市建设》第27期.
[4] 劳毅 重视概念设计，提高建筑结构设计的质量 《企业科技与发展》2008年第20期.
关键词：概念设计；高层建筑
高层建筑结构概念设计是指工程结构设计人员运用所掌握的理论知识和工程经验，在方案阶段及初步设计阶段，从宏观上、总体上和原则上去决策和确定高层建筑结构设计中的一些最基本、最本质也是最关键的问题，主要涉及结构方案的选定和布置、荷载和作用传递路径的设置、关键部位和薄弱环节的判定和加强、结构整体稳定性保证和耗能作用的的发挥以及承载力和结构刚度在平面内和沿高度的均匀分配；结构分析理论的基本假定等等。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，采取相应的结构措施。
一、概念设计能帮助建筑师开拓空间形式与功能
建筑师与结构工程师为业主服务的目标是一致的，因此，结构工程不仅要成为结构功能要求的实现者，而且要成为建筑功能要求实现的积极参与者，与建筑师一道创造性的作出总体建筑设计。在建筑方案设计阶段，结构工程师的参与是项目设计所必要的知识投入。结构项目工程师的首要任务，就是在建筑方案设计阶段，凭借整体概念和判断力，去帮助建筑师开拓或实现业主所想要的空间与功能。
二、高层建筑结构概念设计需重视的几个问题：
1、以承载力、刚性、延性为主导的目标：
在特定的空间形式、功能和地理环境条件下，以结构工程师自身确定的理想承载力、刚度和延性为主导目标，用整体构思来设计各个部分有机相连的结构体系，并有意识地利用和发挥结构总体系和主要分体系、以及分体系与构件之间的最佳受力特征与协调关系。
从宏观上分析高层建筑的水平力，就是把高层建筑结构模拟成一根“竖向悬臂梁”，由结构静力计算公式，轴力与高度成正比，在水平力作用下高层结构底部的倾覆力矩与其高度的二次方成正比；由《高规》（JGJ3—2010）第5.4.1的条文说明公式中，结构顶部侧移与其高度的四次方成正比，因而，随着高度越高，高层建筑结构的抗侧力问题尤为突出。过大的侧移，对结构造成危害，影响正常的使用；过明显的摆动，会使居住者感到不舒服，使居住在建筑里面的人们产生恐惧感；同时，也会使填充墙或建筑装饰开裂或损坏，使主体结构构件出现较大的裂缝，甚至破坏。对高层建筑结构来说，通常是地震或风等水平作用控制着结构构件截面尺寸和配件大小，因此，高层建筑结构的结构性能主要指其抗震抗风能力，这里有承载力足够、刚柔适度和延性好三个方面含义，也就是要求：
（1）高层建筑结构沿平面上两个主軸方向具有足够的刚度、结构承载力和结构延性。
（2）结构刚柔适度指结构刚度选择既要顾及场地特征，错开结构自振周期，减少地震作用效应；又要顾及p-Δ效应，控制结构变形；同时更要注重结构刚度的合理配置，以保证高层建筑结构有足够的抗扭转振动能力。因此，需要限制结构扭转为主的第一振型周期与平动为主的第一周期之比值，当限制要求不被满足时，需采取加大两端刚度或增加平动周期（柔化）等方法，调整抗侧移结构的布置，增大结构的抗扭刚度。
（3）高层建筑钢筋混凝土结构的延性有一定的要求，为此结构构件要具有足够大的截面尺寸，满足高层的建筑的轴向变形和剪切变形，也就是满足柱的轴压比、梁和墙的剪压比限制，并且截面配筋率要适宜。
2、结构简单规则均匀
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，这就要求工程师在熟练运用计算机设计程序的同时，更要掌握必要的高层建筑结构简化估算方法。
结构规则均匀要求沿建筑竖向，建筑造型和结构布置比较均匀，避免刚度，承载能力和传力途径的突变，以限制结构在竖向某个楼层出现敏感的薄弱部位。建筑平面要求比较规则，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能以比较短和直接的途径传递，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。
3、加强连接、整体稳定性强：
高层建筑结构的整体稳定性，主要取决于楼盖、结构节点、结构与基础连接的可靠性等。
（1）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结构，而且要使这些子结构能协同承受地震作用，当楼板有大的凹入，大的开洞，平面内削弱过大，会产生显著变形时或结构空旷、平面狭长时，一方面应采用计及楼板变形影响的计算程序计算，另一方面还应在各抗侧力结构协同工作和各竖向子结构有效连接方面加强构造措施。
（2）建筑结构抗震概念设计有强节点弱构件的原则，高层建筑结构也一样，确保在地震作用下，节点承载力大于相连接构件的承载力。当构件屈服、刚度退化时，节点仍能保持承载力和刚度不变。尽管结构单元之间要求牢固连接，要求彻底分离是抗震设计的普通原则，但对高层建筑结构而言，最好采取加强连接而不是分离的方法，尽量避免似分不分，似连不连的结构方案，防止因振动不同步产生震害。
（3）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，基础不仅要有足够的整体性，而且与上部结构也要有可靠的连接，同时还必须有足够的埋置深度，以期在满足地基承载力、变形和稳定性要求的基础上，减少建筑物的整体倾斜，防止滑移。
4、轻质高强、多道防线
高层建筑减轻自重比多层建筑更有意义，不仅从地基承载力上有突出的经济效益，而且也是因为地震效应是建筑的质量成正比，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，在高层建筑中，结构构件宜采用高强度材料，非结构构件和围护墙体应采用轻质材料。减轻房屋自重，既减少了竖向荷载作用下构件的内力，使截面变小，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。
三、结语
目前，大部分结构设计人员都依赖计算机程序进行设计，在一定程度上已经被计算机所“绑架”，离开计算机，设计人员无从下手，无法进行结构设计。也因为在设计过程中，计算机结构计算软件总是存在一定的局限性、适用性和近似性，所以在设计过程中对现实工程采用了许多假定和简化，使计算模型与现实工程有一定的差别。这就需要设计人员在前期要有概念设计的水平，运用自身的基础理论、丰富的工程经验，在建筑设计方案中积极参与，确定建筑方案中的合理布置。概念设计是结构设计的核心和灵魂，其宗旨是要求建筑师和结构工程师明白在目前科技发展和设计计算的水平上，如果结构设计得严重不规则、整体性差，只凭结构力学分析来进行计算，是难以保证结构的抗风、抗震功能的。运用结构概念设计从整体上把握结构的各项性能，这样才能对计算分析结果进行科学的判断、合理的采用，保证工程项目的经济性与安全性。
参考文献：
[1]《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010.
[2] 霍达主编 《高层建筑结构设计》,高等教育出版社 2004.8.
[3] 王锦浩 对提高建筑结构概念设计的思考,《城市建设》第27期.
[4] 劳毅 重视概念设计，提高建筑结构设计的质量 《企业科技与发展》2008年第20期.