建筑結構設計中概念設計與結構措施探析
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摘要：結構概念設計對于建筑工程結構設計工作有著十分重要的作用，合理地結合結構概念設計和結構措施能夠將建筑結構的經濟性和安全性全面提升。為了進一步探究概念設計在建筑結構設計中的應用措施，本文以具體案例為例，分析建筑結構設計的優(yōu)化措施，將結構主體損傷問題減少。
1建筑結構設計中概念設計的重要意義
合理應用建筑概念設計能夠提高建筑設計的合理性，可以實現(xiàn)工程師實踐能力的提升。通過加強概念設計的應用和落實能夠將建筑設計師們的概念設計能力全面、科學地提升優(yōu)化，有助于培養(yǎng)設計人員改革創(chuàng)新意識。在具體應用概念設計過程中，應當明確建筑結構受力概念，從多角度對建筑結構的受力情況進行分析，從而實現(xiàn)結構方案的優(yōu)化。設計師秉持開拓創(chuàng)新理念，對不同建筑的需求進行合理分析，豐富和完善建筑結構設計，將建筑物的活力提升，可以實現(xiàn)建筑設計方案經濟性和安全性的提升。
2概念設計與結構措施在建筑結構設計中的應用
某高層住宅建筑為剪力墻結構體系，包括地上26層+地下1層共計27層，建筑高度為78m。其中，地下室按照4m高度設計，一層按照5.5m高度設計，其余樓層均按照2.9m高度設計，工程建筑面積共計11134.57m2。該住宅建筑抗震設防烈度為8°，按照0.20g的標準設計地震基本加速度。
2.1結構布置
如圖1為該建筑設計中兩種剪力墻結構布置方案。整體結構形狀會受到地震災害的較大影響，如果建筑物缺乏合理的剛度或者存在不連續(xù)的幾何結構，那么一旦發(fā)生地震可能會產生較大的位移，為了保證建筑結構的承載力和剛度能夠達到標準要求，需要在整個建筑平面上均勻對稱分布絕大部分結構構件。剪力墻結構有著很強的平面內抵抗側向的能力，但是卻缺乏足夠的平面外抵抗側向能力。當前有的設計師沒有充分考慮墻對平面外水平力橫向阻力，為了能夠實現(xiàn)兩個方向抗側能力提升的效果，一般需要設置兩個垂直相交的墻體，從而實現(xiàn)承載力的提升，合理應對兩個方向的側向力?？筛鶕?jù)建筑物質量特性設計從而將建筑結構受到地震作用產生的扭轉效應減少。抗扭轉效果最好的方式是剛度中心靠近所施加側向力的質心時。該工程按照2.0m~3.5m標準設計剪力墻的長度，壁厚至少為5bw（bw為壁厚）。該工程一層采用的是250mm厚度剪力墻，其他樓層采用的是200m厚度剪力墻。
2.2結果和分析
該工程結構設計以保證建筑結構強度、剛度和穩(wěn)定性為前提，用PKPM有限元分析軟件分析設計方案，得到如下所示結果。第一，對比樓層層間位移角。層間最大位移和層高之比為層間位移角，該指標是控制建筑結構不規(guī)則性和整體剛度的主要標準。合理地設置限制層間位移角能夠將主題結構彈性優(yōu)化，避免混凝土構件在發(fā)生過度變形后發(fā)生開裂等不良問題，有助于提高結構構件的使用狀態(tài)，能夠保證填充墻、各種管道、其他非結構構件不會發(fā)生明顯的損傷。在地震工況下兩種方案具體層間位移角如下。方案1：X方向——1/846，Y方向——1/870方案2：X方向——1/1421，Y方向——1/1366風荷載工況下兩種方案具體層間位移角如下。方案1：X方向——1/1579，Y方向——1/1549方案2：X方向——1/1328，Y方向——1/1275地震荷載+風荷載工況下兩種方案具體層間位移角如下。方案1：X方向——1/1204，Y方向——1/1153方案2：X方向——1/1102，Y方向——1/1021在地震和風荷載作用下，建筑樓層最大層間位移角的限值為X方向1/1000，Y方向1/1100。通過分析方案一和方案二的結果可知，方案一沒有達到要求，而方案二滿足規(guī)范中的要求。第二，對比橫向剛度。建筑結構抗側力構件主要為剪力墻，有將近80%的水平地震和風荷載作用由剪力墻結構承擔。建筑結構的安全性能和造價直接受到剪力墻抗側剛度的影響。《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》（JGJ3—2010）中規(guī)定，建筑樓層的側向剛度應當至少達到上一層的70%，至少為上三層平均剛度的80%。通過分析方案一和方案二可知，兩種設計方案的側向剛度都符合標準規(guī)定。第三，對比振動周期。扭轉周期與平動周期之比即為周期比。建筑扭轉控制的重要指標就是周期比，周期比可以對扭轉剛度和轉動慣量分布情況進行直觀的反應。為了能夠合理有效地布置建筑結構，避免扭轉效應過大，需要合理設計控制周期比，也就是保證扭轉形變比平動變形小，計算方式如下。方案1：t3（1.5429）/t1（1.8644）=0.827＜0.9方案2：t3（1.4510）/t1（1.6929）=0.857＜0.9式中：t1——振型1的振動周期；t3——振型3的振動周期。通過計算結果可知，方案一和方案二都能夠達到標準規(guī)定。第四，對比剛重比和剪重比?！陡邔咏ㄖ炷两Y構技術規(guī)程》（JGJ3—2010）中規(guī)定，建筑結構在豎向重力荷載作用下很少會發(fā)生整體結構失穩(wěn)的現(xiàn)象。在設計高層建筑結構時，為了提高建筑結構的穩(wěn)定性，需要重點對風荷載和水平地震作用下重力荷載引起的二階效應進行控制。兩個方案的剛重比如下。方案1：X方向——7.73，Y方向——7.71方案2：X方向——8.66，Y方向——8.71剪重比結果如下。方案1：X方向——4.17%，Y方向——5%方案2：X方向——4.72%、Y方向——5.40%規(guī)范中要求建筑結構剛重比要＞1.4，剪重比＞0.048。通過上述結構可知，兩種方案的剛重比都達到了穩(wěn)定性方面的要求，但是剪重比方面，方案一沒有達到規(guī)范要求。最終設計結果選擇方案二。
3概念設計與結構措施的應用優(yōu)化措施分析
3.1提升設計人員能力以及設計方案內容
建筑工程結構的穩(wěn)定性和設計效果直接受到設計人員結構設計水平和資質能力的影響。為此，應當加強設計人員專業(yè)能力的提升，從而達到優(yōu)化設計方案內容的效果。設計人員需要加強對建筑結構工程整體實際情況的分析，明確掌握當前建筑結構工程的抗震性能需求、主體構造強度情況，定期組織培訓，將設計人員的資質能力提高。
3.2建筑結構材料的科學選用
建筑結構主體性能從很大程度上受到建筑結構材料選擇合理性的影響。通過以往結構設計經驗可知，在地震作用下，建筑物所遭受的地震作用率會隨著建筑結構剛度的增加而提高，也就是說，建筑結構構件剛度越大，那么表現(xiàn)出的遭受地震災害的影響也就越大。為此，在建筑材料選擇過程中，需要充分考慮建筑材料的抗震性能。比如在選擇建筑屋面構件過程中，可以用輕質材料將傳統(tǒng)厚重材料取代，從而將建筑結構構件重量減少，將地震帶來的危害影響降低。此外，施工人員在現(xiàn)場應用建筑材料過程中應當加強檢查抗震材料的質量情況，保證材料合格方可應用于施工當中。
3.3建筑結構體系的協(xié)同工作
建筑結構構件設計、構件耐久性等方面都是建筑結構設計中需要重點關注的內容。我國近些年建筑行業(yè)持續(xù)發(fā)展，促使涌現(xiàn)出了越來越多的高層建筑、超高層建筑，有的工程中會發(fā)生短柱現(xiàn)象，這不利于保證建筑結構的抗震性，所以需要采取加固措施。在設計過程中，通常需要采用加強構造柱的方式發(fā)揮建筑結構中所有構件的水平應力。此外，成本是現(xiàn)代企業(yè)非常關注的一項工作內容，通過優(yōu)化建筑工程結構設計有助于將成本降低，從而達到提升建筑企業(yè)經濟效益和社會效益的作用。為此，可以采用協(xié)同設計的方法，充分發(fā)揮建筑結構中每個構建的作用，將建筑材料的利用率提高，真正地落實結構措施和概念設計的方式，在保證建筑物質量水平的同時加強節(jié)約，為企業(yè)創(chuàng)造更多的經濟效益。
4結語
在設計建筑工程結構過程中，需要涉及諸多的內容，設計人員應當加強建筑結構設計需求的把控，將結構設計的要點明確，同時應當加強對施工現(xiàn)場情況的充分考慮，科學地分析前期勘察資料，動態(tài)把控施工現(xiàn)場環(huán)境，根據(jù)實際情況做好結構設計方案的設計。設計人員應當加強融合應用概念設計和結構設計措施，將建筑工程結構設計的效果優(yōu)化，將建筑工程主體結構、抗震性能、結構強度等方面提升。
作者:孫國紅 單位:華東建筑設計研究院有限公司大連分公司
