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概念结构设计

概念结构设计

1.浅议建筑结构设计中的概念设计2

2.概念与措施4

3.新规范抗震概念设计要点7

4.“概念设计”与“结构设计”的区别11

1.浅议建筑结构设计中的概念设计

在过分依赖分析设计软件的今天和明天,"概念设计"越来越应该被重视.故推荐本文给大家.

[关键词]：

概念设计力学特性计算理论设计思想

[摘要]：

针对目前建筑结构设计当中墨守成规的现象，提倡采用概念设计思想来促进结构工程师的创造性，推动结构设计的发展。

所谓的概念设计一般指不经数值计算，尤其在一些难以作出精确力学分析或在规范中难以规定的问题中，从整体的角度来确定建筑结构的总体布置和抗震细部措施的宏观控制。

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，并体现在设计规范、设计手册、标准图集等等。

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地应用，每个设计单位都在为彻底甩掉图板而做努力。

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），使用计算机，然后设法去完成它，自己只不过是一个东拼西凑的计算机画图匠而已。

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《建筑结构设计统一标准》（GBJ68-84）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。

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的近似，只能视作近似概率法。

并且光凭极限状态设计也很难估计建筑物的真正承载力的。

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，且都并非是脱离总的结构体系的单独构件。

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，在设计过程中采用了许多假定与简化。

作为结构工程师不应盲目的照搬照抄规范，应该把它作为一种指南、参考，并在实际设计项目中作出正确的选择。

这就要求结构工程师对整体结构体系与各基本分体系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，尤其在一些难以作出精确理性分析或在规范中难以规定的问题中，依据整体结构体系与分体系之间的力学关系、结构破坏机理、震害、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措施的宏观控制。

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，具有较好的的经济可靠性能。

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。

比如，有的设计人员用多、高层结构三维空间分析程序来计算底层框架，还人为的布置一些抗震墙，即不能满足楼层间的合理刚度比，也不能正确地反映底层框架在地震时受力状态。

问题在于结构概念不明确，没考虑这两种结构体系的差异。

软件的选择和使用不当，造成危害是不容忽视的。

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。

”然而避免这种情况，概念设计的思想不妨是个好方法。

运用概念设计的思想，也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R,以至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、砼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。

其实，为什么不考虑降低作用效应S呢？

目前在抗震设计中，隔

震消能的研究就是一个很好的例子。

隔震消能的一般作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、适用效果。

而我国由于经济、技术和人们认识的限制，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，但天津第二毛纺厂三层的框架厂房，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，仍然倒塌。

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。

然而现在的高校教学中，往往只重视单独构件和孤立的分体系的力学概念讲解。

尤其在专业课教学中，单项计算练习居多，综合练习偏少，并着重体现在考题中，使得相当部分学生养成只知套用公式解题的习惯。

而且近年来强调计算机应用教育，比如，毕业设计用结构设计软件计算、出图。

但由于计算机设计过程的屏蔽，手算过程训练程度的削弱，

造成学生产生一定依赖性,结果综合运用能力下降，整体结构体系概念模糊。

这些对于培养具有创造力、未来的工程师是相当不利的。

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。

因为他们是结构设计革命的推动者和执行者。

这则需要工程界和教育界进行共同的努力。

推广概念设计思想是一种有效的办法。

著名的美国工程院院士林同炎教授在《结构概念和体系》一书中为结构工程师提供了广泛而又有独特见解的结构概念设计基础知识和设计实例。

该书着重介绍用整体概念来规划结果总体方案的方法，以及结构总体系和个分体系尖的相互力学关系和简化近似设计方法。

为结构工程师和建筑师在设计中创造性地相互配合，设计出令人满意的建筑奠定基础。

这本书第二版的出版，为我们更好的加深概念设计的理解，提供有益的帮助。

总之，概念设计必然会成为今后结构设计的主流思想，这就让我们来共同学习、发展它吧，为结构设计的发展作出应有的贡献。

参考文献：

1．高立人，王跃，结构设计的新思路——概念设计，工业建筑，1999

（1）

2．戴国莹，李德虎，建筑结构抗震鉴定及加固的若干问题，建筑结构，1999（4）

3．林同炎，S.D.思多台斯伯利，结构概念和体系，中国建筑工业出版社

2.概念与措施

1概念设计的重要性

概念设计是展现先进设计思想的关键,一个结构工程师的主要任务就是在特定的建筑空间中用整体的概念来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。

一般认为概念设计做得好的结构工程师,随着他的不懈追求,其结构概念将随他的年龄与实践的增长而越来越丰富,设计成果也越来越创新、完善。

遗憾的是,随着社会分工的细化,大部分结构工程师只会依赖规范、设计手册、计算机程序做习惯性传统设计,缺乏创新,更不愿（不敢）创新,有的甚至拒绝对新技术、新工艺的采纳（害怕承担创新的责任）。

大部分工程师在一体化计算机结构程序设计全面应用的今天,对计算机结果明显不合理、甚至错误而不能及时发现。

随着年龄的增长,导致他们在大学学的那些孤立的概念都被逐渐忘却,更谈不上设计成果的不断创新。

强调概念设计的重要,主要还因为现行的结构设计理论与计算理论存在许多缺陷或不可计算性,比如对混凝土结构设计,内力计算是基于弹性理论的计算方法,而截面设计却是基于塑性理论的极限状态设计方法,这一矛盾使计算结果与结构的实际受力状态差之甚远,为了弥补这类计算理论的缺

陷,或者实现对实际存在的大量无法计算的结构构件的设计,都需要优秀的概念设计与结构措施来满足结构设计的目的。

同时计算机结果的高精度特点,往往给结构设计人员带来对结构工作性能的误解,结构工程师只有加强结构概念的培养,才能比较客观、真实地理解结构的工作性能。

概念设计之所以重要,还在于在方案设计阶段,初步设计过程是不能借助于计算机来实现的。

这就需要结构工程师综合运用其掌握的结构概念,选择效果最好、造价最低的结构方案,为此,需要工程师不断地丰富自己的结构概念,深入、深刻了解各类结构的性能,并能有意识地、灵活地运用它们。

2协同工作与结构体系

协同工作的概念广泛存在于工业产品的设计和制造中,对于任一个工业产品,我们均不希望其在远未达到其设计寿命（负荷、功能）时,它的某些部件（或零件）即出现破坏。

对于建筑结构,协同工作的概念即是要求结构内部的各个构件相互配合,共同工作。

这不仅要求结构构件在承载能力极限状态能共同受力,协同工作,同时达到极限状态,还要求他们能有共同的耐久寿命。

结构的协同工作表现在基础与上部结构的关系上,必须视基础与上部结构为一个有机的整体,不能把两者割裂开来处理。

举例而言,对砖混结构,必须依靠圈梁和构造柱将上部结构与基础连接成一个整体,而不能单纯依靠基础自身的刚度来抵御不均匀沉降,所有圈梁和构造柱的设置,都必须围绕这个中心。

对协同工作的理解,还在于当结构受力时,结构中的各个构件能同时达到较高的应力水平。

在多高层结构设计时,应尽可能避免短柱,其主要的目的是使同层各柱在相同的水平位移时,能同时达到最大承载能力,但随着建筑物的高度与层数的加大,巨大的竖向和水平荷载使底层柱截面越来越大,从而造成高层建筑的底部数层出现大量短柱,为了避免这种现象的出现,对于大截面柱,可以通过对柱截面开槽,使矩形柱成为田形柱,从而增大长细比,避免短柱的出现,这样就能使同层的抗侧力结构在相近的水平位移下,达到最大的水平承载力;而对于

梁的跨高比的限制,一般还没有充分认识到。

实际上与长短柱混杂的效果一样,长、短梁在同一榀框架中并存,也是极为不利的,短跨梁在水平力的作用下,剪力很大,梁端正、负弯矩也很大,其配筋全部由水平力决定,竖向荷载基本不起作用,甚至于梁端正弯矩钢筋也会出现超筋现象,同时,由于梁的剪力增大,也会使支承柱的轴力大幅增大,这种设计是不符合协同工作原则的,同时,结构的造价必将会上升。

多高层结构设计的主要目的即是为了抵抗水平力的作用,防止扭转,为有效的抵抗水平力作用,平面上两个正交方向的尺寸宜尽量接近,目的是保证这两个方向上的“惯性矩”相等,以防止一个方向强度（稳定性）储备太大,而另一个方向较弱,因此,抗侧力结构（柱、剪力墙）宜设置在四周,以增大整体的抗侧刚度及抗扭惯性矩,同时,应加大梁或楼层的刚度,使柱（或剪力墙）能承担较大的整体弯矩,这就是“转换层”的概念。

防止扭转的目的,是因为在扭转发生时,各柱节点水平位移不等,距扭转中心较远的角柱剪力很大,而中柱剪力较小,破坏由外向里,先外后里。

为防止扭转,抗侧力结构应对称布置,宜设在结构两端,紧靠四周设置,以增大抗扭惯性矩。

因此,高层或超高层建筑中,尽管角柱轴压比较小,但其在抗扭过程中作用却很大（若角柱先坏,整个结构的扭转刚度或强度下降,中柱必定依次破坏）,同时,在水平力的作用下,角柱轴力的变化幅度也会很大,这样势必要求角柱有较大的变形能力。

由于角柱的上述作用,角柱设计时在承载力和变形能力上都应有较多考虑,如加大配箍,采用密排箍筋柱、钢管混凝土柱。

目前,部分已建建筑在其四角设置巨

型钢管柱,从而极大地增强了角柱的强度和抗变形能力。

在高层建筑结构设计中,柱轴压比的限值已成为困扰结构工程师的实际问题,随着建筑高度的增加,结构下部柱截面也越来越大,而柱的纵向钢筋却为构造配筋,即使采用高强混凝土,柱截面也不会明显降低。

实际上,柱的轴压比大小,直接反映了柱的塑性变形能力,而构件的变形能力会极大地影响结构的延性。

混凝土基本理论指出:

混凝土构件的曲率延性,即弯曲变形能力主要取决于截面的相对受压区高度和受压区边缘混凝土的极限变形能力。

相对受压区高度主要取决于轴压比、配筋等,混凝土的极限变形能力主要取决于箍筋的约束程度,即箍筋的形式和配箍特征值（入=pfyfc）。

因此，为了增大柱在地震作用下的变形能力，控制柱的

轴压比和改善配箍具有同样的意义,因而采用密排螺旋箍筋柱或钢管混凝土均可以提高柱轴压比的限值。

3协同工作与材料利用率

协同工作设计的另一个目的,还在于对材料的充分利用。

一般来讲,材料利用率越高（即应力水平越高）,该结构的协同工作程度也越高（从优化设计的角度,尽管结构性能最好的方案,不一定是材料利用率最高）,尤其对我国这样一个发展中国家,结构设计的目的即是花最少的钱,做最好的建筑,这就要求设计时对结构材料的充分利用,这从梁类构件的演变可以看出。

矩形截面梁是最普通的受弯构件,它的材料利用率很低,原因有二:

一方面是靠近中和轴的材料应力水平低,另一方面是梁的弯矩沿梁长一般是变化的,这样对等截面梁来说,大部分区段,即使是拉、压边缘,其应力水平均较低。

针对梁的这种受力特点,用结构概念分析,主要是因为梁截面存在应变梯度,只有当构件是轴心受力时,材料利用率才可能增大,于是就出现了平面桁架,平面桁架可以理解成“掏空”的梁———将梁中多余材料去除,既经济,又降低自重;故桁架的上弦相应于梁的受压边,下弦相应于受拉钢筋。

规则桁架中腹杆的受力（拉、压）与梁中主拉、压应力方向一致,根据上述分析,还可以将桁架的外形设计为与弯矩图相似的形状,从而使桁架的弦杆受力均匀。

由于桁架中大量存在压杆,压杆的强度往往由其稳定性决定,而不是由杆件截面材料强度决定,因此,在平面桁架的设计过程中,应设法降低压杆的长细比。

单纯增大截面是下策,特别是上弦杆,应努力增加其平面外的刚度（有时上弦采用双杆形成的复合压杆）,提供平面外约束（增加支撑）,如果把这些平面外的支撑再连接成桁架,这样就使平面桁架变为平面交叉桁架,最后发展为空间网架。

空间网架的材料利用率高,应力水平高,故在大跨度、大空间结构中广泛使用,但网架结构中仍然存在压杆,压杆（特别是钢压杆）的应力水平不可能太高（因为随着跨度的增加,网架的高度增大,腹杆的长度将增大,同时节点距离的增大也导致弦杆长度的增大）,这样高强材料就不能使用。

因此,努力减少或消除结构中的压杆,就使我们找到了悬索结构,悬索结构中所有的“杆件”均为拉杆,这样就使悬索结构中杆件的应力水平极高,材料利用率极大,高强材料得以充分利用,还可施加预应力。

因而在超大跨度的结构中,悬索结构（或包括悬索结构的组合结构）是首选的结构类型。

就混凝土基本理论的发展来看,也体现了使各种材料充分发挥性能,并相互协同工作的特点。

林同炎教授认为:

钢筋混凝土与预应力混凝土之间的区别在于钢筋混凝土是将混凝土与钢筋两者简单地结合在一起,并让他们自行地共同工作,预应力混凝土

是将高强钢筋与高强混凝土能动地结合在一起,使两种材料均产生非常好的性能。

反映了人们对混凝土中的协同工作认识和运用过程的加深。

目前广泛使用的钢-混凝土结构,是将钢结构与混凝土结构相互取长补短形成的一种新型的结构形成。

尤其是钢管混凝土,与预应力混凝土相似,更将这两种材料能动地结合起来,实现了结构材料的又一次革命。

钢管混凝土的原理有二:

1）借助钢管对核心混凝土的约束,使核心混凝土有更高的强度和变形能力;

2）核心混凝土又对钢管壁的稳定提供了有效可靠的支撑。

钢管混凝土的极限承载力

远大于钢管和核心混凝土两者的承载力之和，约为两者之和的17〜20倍，其极限变

形能力是普通钢筋混凝土的几倍甚至几十倍,这是钢材与混凝土的又一次理想结合。

它的出现,使传统意义上的受压破坏特征由脆性变为延性,对结构抗震的延性设计意义巨大,也使超高层建筑底层柱的轴压比限制问题迎刃而解。

从上述结构构件的演化,推而广之,

在结构设计中,只有当构件越多处于轴心受力状态,其材料的利用率才可以高,经济性也就越好。

对框架结构,竖向载作用下,框架柱宜处于小偏心受压下工作,若大量柱处于大偏心受压工作状态,则该结构方案的经济性一般不好,故对非地震区的框架结构,其框架柱应优先设计为小偏心受压。

这里就出现了一个矛盾,在地震作用下,大部分柱可能处于大偏心受压状态工作,截面设计时,大量柱的配筋仅仅是为万一发生地震而增加的,这些钢材在不发生地震时,将不起丝毫作用,这显然是不经济的,与抗震设计的整体思想也不相符。

为避免这种现象的出现,一方面应设法加强结构整体性,必要时,在某些楼层设置刚性转换层,从而加大整体弯矩,减小引起柱弯曲变形的局部弯矩;另一方面,对柱的设计,可将整个楼层面的柱设计为多肢柱,使多肢柱的每一根杆件都能处于轴心受力状态,如对钢管混凝土柱,只有在小偏心受压（或接近轴压）时,钢管和核心混凝土才能更好地协同工作,在偏心距较大的受压构件中使用时,更宜将其设计成双肢、三肢或四肢组成的组合构件。

4结语

协同工作的原则也是整体工作的原则。

在概念设计日益重要的今天,要求结构工程师应有深厚的基本理论基础,并能不断吸取他人先进的设计思想。

对自己的作品、设计（即使是已建成的）,应经常进行深刻的反思,对每一项设计都精益求精。

本文在强调概念设计重要性的同时,对一些影响结构经济与安全的因素提出探讨,旨在引起结构设计人员的

3.新规范抗震概念设计要点

1背景材料

七十年代以来,人们在总结大地震灾害经验中发现,对结构抗震设计来说,“概念设计”

比“计算设计”更为重要。

1990年1月开始施行的《建筑抗震设计规范》GBJ1

1-89（以下

简称89抗震规范）中列出了工程设计中必须遵守的规定,来保证“概念设计”在实际工程中的实现。

概念设计在实际工程设计中提高结构抗震能力方面发挥了重要作用。

概念设计就是以工程概念为依据从有利于提高结构抗震力的概念上,用符合工程客观规律和本质的方法,对所设计的对象作宏观的控制。

1990年以来,结构工程师将概念设计应用于实际工程中取得了很好的效果。

同时随着建筑业的发展,建筑的体型、功能的日新月异的变化与要求,我们发现89抗震规范中规定的概念设计内容不够全面。

200

2年1月实施的GB50011-2001《建筑抗震设计规范》（以下简称新抗震规范）

对概念设计的要求作了更全面、更符合实际的规定,尤其是增加了“不规则建筑结构的概念设计”,使得概念设计在工程中的应用更具体更明确地落到实处,切实提高了结构的抗震能力。

“概念设计”愈来愈受到国内外工程界的普遍重视。

2概念设计的主要内容

为了保证结构具有足够的抗震可靠性而对建筑工程结构做的概念设计主要考虑了以下因

素:

场地条件和场地土的稳定性;建筑物的平、立面布置及其外形尺寸;抗震结构体系的选

取、抗侧力构件的布置以及结构质量的分布;非结构构件与主体结构的关系及其两者之间的锚拉;材料与施工质量等。

下面按照新抗震规范的精髓归纳为以下几点:

1.选择对建筑抗震有利的场地,宜避开对建筑抗震不利的地段,不应在危险地段建造

甲、乙、丙类建筑。

对于不利地段,结构工程师应提出避开要求,当无法避开时,应采取有

效措施,这就考虑了地震因场地条件间接引起结构破坏的原因,诸如地基土的不均匀沉陷、

地震引起的地表错动与地裂。

2.建筑的平立面布置应符合概念设计的要求,不应采用严重不规则的方案。

不规则的

建筑,在结构设计时要进行水平地震作用计算和内力调整,并应对薄弱部位采取有效的抗震

构造措施。

借鉴国际的通行做法,参考外国规范,使我们的设计更加完善合理

3.结构材料选择与结构体系的确定应符合抗震结构的要求。

采用哪一种结构材料,什么样的结构体系,经技术经济条件比较综合确定。

同时力求结构的延性好、强度与重力比值大、匀质性好、正交各向同性,尽量降低房屋重心,充分发挥材料的强度,并提出了结构两个主轴方向的动力特性（周期和振型）相近的抗震概念。

4.尽可能设置多道抗震防线。

地震有一定的持续时间,而且可能多次往复作用,根据

地震后倒塌的建筑物的分析,我们知道地震的往复作用使结构遭到严重破坏,而最后倒塌则

是结构因破坏而丧失了承受重力荷载的能力。

适当处理构件的强弱关系,使其形成多道防

线,是增加结构抗震能力的重要措施。

例如单一的框架结构,框架就成为唯一的抗侧力构

件,那么采用“强柱弱梁”型延性框架,在水平地震作用下,梁的屈服先于柱的屈服,就可

以做到利用梁的变形消耗地震能量,使框架柱退居到第二道防线的位置。

5.具有合理的刚度和承载力分布以及与之匹配的延性。

提高结构的抗侧移刚度,往往

是以提高工程造价及降低结构延性指标为代价的。

要使建筑物在遭受强烈地震时,具有很强

的抗倒塌能力,最理想的是使结构中的所有构件及构件中的所有杆件都具有较高的延性,然

而实际工程中很难做到。

有选择地提高结构中的重要构件以及关键杆作的延性是比较经济有

效的办法。

例如上刚下柔的框支墙结构,应重点提高转换层以下的各层的构件延性。

对于框

架和框架筒体,应优先提高柱的延性。

在工程设计中另一种提高结构延性的办法是结构承载

力无明显降低的前提下,控制构件的破坏形态,减小受压构件的轴压比（同时还应注意适当

降低剪压比）,提高柱的延性。

6.确保结构的整体性。

各构件之间的连接必须可靠,符合下列要求:

1）构件节点的承

载力不应低于其连接构件的承载力,当构件屈服、刚度退化时,节点应保持承载力和刚度不

变。

2）予埋件的锚固承载力不应低于连接件的承载力。

3）装配式的连接应保证结构的整体

性,各抗侧力构件必须有可靠的措施以确保空间协同工作。

4）结构应具有连续性,

、，、