1、浅谈结构概念设计摘 要:结构工程师主要任务是在建筑空间中用整体概念来设计结构的总体方案，并能有意识地利用总结构体系与各基本分体系之间的力学关系。 关键词:整体概念设计；概念设计概念设计；近似估算 中图分类号：TU984 文献标识码：A 文章编号： 习惯性的传统设计往往给结构工程师造成一种错觉，以为结构设计就是“规范+计算” ，甚至在计算机高速发展的今天简化为“规范+一体化计算机结构设计程序” 。其结果是让自己充当着一个东拼西凑的计算机程序的操作者和规范条文限制的查对人，在每个项目设计到一定程度时候，都会感觉到一种莫名其妙的劳累，烦躁，甚至反感。这与习惯做概念设计的结构工程师那种老是兴致勃勃的在
2、不断比较，反馈和优化自己的设计，且每当谈起自己所做的设计时的，并已经竖立在大地上的建筑物和构造物是都有一种乐趣恰恰相反，回忆起来总有一种麻木，甚至痛苦的感觉。 先进的设计思想可以通过概念设计充分地展现。一个结构工程师的主要任务是在特定的建筑空间中用整体概念来设计结构的总体方案，并能有意识地利用总结构体系与各基本分体系之间的力学关系，而不仅仅是能精确地计算和分析一个给定的分体系或构件。著名的美国工程院院士林同炎（T.Y.Lin）教授在结构概念与体系一书中为改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，并反复强调结构概念设计的重要性并给出了下面的表格: 概念设计（Conce
3、pts Design）是指一般不经过数值计算，尤其在一些难以做出精确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。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，定性准确，避免后期设计阶段一些不必要的繁琐运算，具有较好的经济可靠性能。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。 结构设计则是概念设计的逆向过程，其设计是依据概念设计的总体要求、力学和数学的原理由定量
4、（内力、配筋、稳定和变形）过度到定性（规范规定的构造要求）的一个过程。 我们可以对两者的设计过程和要求进行对比见下表： - 内容 ：概念设计 ： 结构设计 - 个人经验：需要丰富的实践经验 ：需要扎实的理论基础 - 设计过程：先粗后细（确定方案后估算几：先细后粗（计算后按构造要 ：何尺寸、估算经济指标）：求设计） - 知识要求：政策、法规、施工技术、建筑：力学、数学、专业知识、规 ：经济、应用专业成果：范应用 - 设计成果：定性 定量 - 主要工作内容：收集分析资料和建筑方案 ：计算和绘制施工图 - 影响造价的方法：结构体系优选：优化理论的应用 - 影响造价幅度：非常大 ：一般 - 决定施工的
5、难度：概念设计决定：影响很小 - 设计低质的危害：致命性的整体危害：局部性的不安全 - 从对比表中我们可以看出概念设计的重要性，然而现在我们许多设计人员过于理论化，任何情况下首先讲的是计算结果，而忽视结构构造。甚至于一些单位的总工不参与设计的前期概念设计阶段，而只对着计算书审核设计图纸。我们有些新参加工作的同志有时那着书本和计算书与审核人员较劲。特别是现在在我们这个行业神话了计算机的应用，一切按计算结果设计，这是一种不正常的现象。 当然不能强调了概念设计的重要性，就轻视设计过程的计算，没有单根构件的安全就没有整体结构的安全，我说的目的是，在我们的设计工作中概念设计和结构设计同等重要。 强调概念
6、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
7、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。 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
8、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
9、程界还未被广泛地应用。 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
10、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。 参考文献 1，构概念和体系 第 2 版/（美）林同炎， （美）斯多台斯伯利著；高立人等译 北京 中国建筑工业出版社 1999TU31 2,建筑结构抗震减震与连续倒塌控制/胡庆昌 孙金墀 郑琪 编著北京中国建筑工业出版社 2007TU352.1 3,高层建筑结构设计/唐兴荣编著 北京机械工业出版社2006.12TU973-44 4,高层建筑结构概念设计/高立人，方鄂华 钱家茹 编著 北京中国计划出版社 2005.11TU973
