建筑结构设计中概念设计与结构措施探析
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摘要：结构概念设计对于建筑工程结构设计工作有着十分重要的作用，合理地结合结构概念设计和结构措施能够将建筑结构的经济性和安全性全面提升。为了进一步探究概念设计在建筑结构设计中的应用措施，本文以具体案例为例，分析建筑结构设计的优化措施，将结构主体损伤问题减少。
1建筑结构设计中概念设计的重要意义
合理应用建筑概念设计能够提高建筑设计的合理性，可以实现工程师实践能力的提升。通过加强概念设计的应用和落实能够将建筑设计师们的概念设计能力全面、科学地提升优化，有助于培养设计人员改革创新意识。在具体应用概念设计过程中，应当明确建筑结构受力概念，从多角度对建筑结构的受力情况进行分析，从而实现结构方案的优化。设计师秉持开拓创新理念，对不同建筑的需求进行合理分析，丰富和完善建筑结构设计，将建筑物的活力提升，可以实现建筑设计方案经济性和安全性的提升。
2概念设计与结构措施在建筑结构设计中的应用
某高层住宅建筑为剪力墙结构体系，包括地上26层+地下1层共计27层，建筑高度为78m。其中，地下室按照4m高度设计，一层按照5.5m高度设计，其余楼层均按照2.9m高度设计，工程建筑面积共计11134.57m2。该住宅建筑抗震设防烈度为8°，按照0.20g的标准设计地震基本加速度。
2.1结构布置
如图1为该建筑设计中两种剪力墙结构布置方案。整体结构形状会受到地震灾害的较大影响，如果建筑物缺乏合理的刚度或者存在不连续的几何结构，那么一旦发生地震可能会产生较大的位移，为了保证建筑结构的承载力和刚度能够达到标准要求，需要在整个建筑平面上均匀对称分布绝大部分结构构件。剪力墙结构有着很强的平面内抵抗侧向的能力，但是却缺乏足够的平面外抵抗侧向能力。当前有的设计师没有充分考虑墙对平面外水平力横向阻力，为了能够实现两个方向抗侧能力提升的效果，一般需要设置两个垂直相交的墙体，从而实现承载力的提升，合理应对两个方向的侧向力。可根据建筑物质量特性设计从而将建筑结构受到地震作用产生的扭转效应减少。抗扭转效果最好的方式是刚度中心靠近所施加侧向力的质心时。该工程按照2.0m~3.5m标准设计剪力墙的长度，壁厚至少为5bw（bw为壁厚）。该工程一层采用的是250mm厚度剪力墙，其他楼层采用的是200m厚度剪力墙。
2.2结果和分析
该工程结构设计以保证建筑结构强度、刚度和稳定性为前提，用PKPM有限元分析软件分析设计方案，得到如下所示结果。第一，对比楼层层间位移角。层间最大位移和层高之比为层间位移角，该指标是控制建筑结构不规则性和整体刚度的主要标准。合理地设置限制层间位移角能够将主题结构弹性优化，避免混凝土构件在发生过度变形后发生开裂等不良问题，有助于提高结构构件的使用状态，能够保证填充墙、各种管道、其他非结构构件不会发生明显的损伤。在地震工况下两种方案具体层间位移角如下。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风荷载工况下两种方案具体层间位移角如下。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地震荷载+风荷载工况下两种方案具体层间位移角如下。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在地震和风荷载作用下，建筑楼层最大层间位移角的限值为X方向1/1000，Y方向1/1100。通过分析方案一和方案二的结果可知，方案一没有达到要求，而方案二满足规范中的要求。第二，对比横向刚度。建筑结构抗侧力构件主要为剪力墙，有将近80%的水平地震和风荷载作用由剪力墙结构承担。建筑结构的安全性能和造价直接受到剪力墙抗侧刚度的影响。《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3—2010）中规定，建筑楼层的侧向刚度应当至少达到上一层的70%，至少为上三层平均刚度的80%。通过分析方案一和方案二可知，两种设计方案的侧向刚度都符合标准规定。第三，对比振动周期。扭转周期与平动周期之比即为周期比。建筑扭转控制的重要指标就是周期比，周期比可以对扭转刚度和转动惯量分布情况进行直观的反应。为了能够合理有效地布置建筑结构，避免扭转效应过大，需要合理设计控制周期比，也就是保证扭转形变比平动变形小，计算方式如下。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的振动周期；t3——振型3的振动周期。通过计算结果可知，方案一和方案二都能够达到标准规定。第四，对比刚重比和剪重比。《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3—2010）中规定，建筑结构在竖向重力荷载作用下很少会发生整体结构失稳的现象。在设计高层建筑结构时，为了提高建筑结构的稳定性，需要重点对风荷载和水平地震作用下重力荷载引起的二阶效应进行控制。两个方案的刚重比如下。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剪重比结果如下。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%规范中要求建筑结构刚重比要＞1.4，剪重比＞0.048。通过上述结构可知，两种方案的刚重比都达到了稳定性方面的要求，但是剪重比方面，方案一没有达到规范要求。最终设计结果选择方案二。
3概念设计与结构措施的应用优化措施分析
3.1提升设计人员能力以及设计方案内容
建筑工程结构的稳定性和设计效果直接受到设计人员结构设计水平和资质能力的影响。为此，应当加强设计人员专业能力的提升，从而达到优化设计方案内容的效果。设计人员需要加强对建筑结构工程整体实际情况的分析，明确掌握当前建筑结构工程的抗震性能需求、主体构造强度情况，定期组织培训，将设计人员的资质能力提高。
3.2建筑结构材料的科学选用
建筑结构主体性能从很大程度上受到建筑结构材料选择合理性的影响。通过以往结构设计经验可知，在地震作用下，建筑物所遭受的地震作用率会随着建筑结构刚度的增加而提高，也就是说，建筑结构构件刚度越大，那么表现出的遭受地震灾害的影响也就越大。为此，在建筑材料选择过程中，需要充分考虑建筑材料的抗震性能。比如在选择建筑屋面构件过程中，可以用轻质材料将传统厚重材料取代，从而将建筑结构构件重量减少，将地震带来的危害影响降低。此外，施工人员在现场应用建筑材料过程中应当加强检查抗震材料的质量情况，保证材料合格方可应用于施工当中。
3.3建筑结构体系的协同工作
建筑结构构件设计、构件耐久性等方面都是建筑结构设计中需要重点关注的内容。我国近些年建筑行业持续发展，促使涌现出了越来越多的高层建筑、超高层建筑，有的工程中会发生短柱现象，这不利于保证建筑结构的抗震性，所以需要采取加固措施。在设计过程中，通常需要采用加强构造柱的方式发挥建筑结构中所有构件的水平应力。此外，成本是现代企业非常关注的一项工作内容，通过优化建筑工程结构设计有助于将成本降低，从而达到提升建筑企业经济效益和社会效益的作用。为此，可以采用协同设计的方法，充分发挥建筑结构中每个构建的作用，将建筑材料的利用率提高，真正地落实结构措施和概念设计的方式，在保证建筑物质量水平的同时加强节约，为企业创造更多的经济效益。
4结语
在设计建筑工程结构过程中，需要涉及诸多的内容，设计人员应当加强建筑结构设计需求的把控，将结构设计的要点明确，同时应当加强对施工现场情况的充分考虑，科学地分析前期勘察资料，动态把控施工现场环境，根据实际情况做好结构设计方案的设计。设计人员应当加强融合应用概念设计和结构设计措施，将建筑工程结构设计的效果优化，将建筑工程主体结构、抗震性能、结构强度等方面提升。
作者:孙国红 单位:华东建筑设计研究院有限公司大连分公司
