概念設計在高層建筑設計中的應用
朱占琴

摘要：對一個結構工程師來說，在設計一個業主所夢寐以求的高層建筑物時，結構設計人員到底應該做些什么，是行業工作要深究的問題。本文針對目前建筑結構設計當中墨守成規的現象，提倡采用概念設計思想來促進結構工程師的創造性，推動結構設計的發展。
關鍵詞：高層建筑；結構設計；概念設計；概念設計原則

近年來，我國經濟的發展和人們生活水平的不斷提高，對建筑結構設計也提出了更高的要求。對于一座高層建筑的結構設計，既應保證高層建筑具有足夠的安全性，即具有足夠的抗震和抗風的能力及具有足夠的承載力和變形的能力，又應保證結構的經濟性、合理性。發展先進計算理論，加強計算機的應用，加快新型高強、輕質、環保建材的研究與應用，使建筑結構設計更加安全、適用、可靠、經濟是當務之急。為達到以上目標，一要進行合理的概念設計，二要明確合理的結構體系，三要合理的結構計算分析與調整，四要采取必要的構造措施。
1.概念設計的定義
概念設計一般指不經數值計算，尤其在一些難以作出精確理性分析或在規范中難以規定的問題中，依據整體結構體系與分體系之間的力學關系、結構破壞機理、震害、試驗現象和工程經驗所獲得的基本設計原則和設計思想，從整體的角度來確定建筑結構的總體布置和抗震細部措施的宏觀控制。運用概念性近似估算方法，可以在建筑設計的方案階段迅速、有效地對結構體系進行構思、比較與選擇，易于手算。所得方案往往概念清晰、定性正確，避免后期設計階段一些不必要的繁瑣運算，具有較好的經濟可靠性能。同時，也是判斷計算機內力分析輸出數據可靠與否的主要依據。
2.高層建筑概念設計的基本原則
第一，以承載力、剛度、延性為主導目標，實施多道防線、剛柔結合的結構形式。即應具有一定大的剛度和承載力來抵御風荷載和小震，隨著第一道防線破壞，結構變柔后仍有足夠大的彈塑性變形能力和延性耗能能力來抵御未來可能遭遇的罕遇大震。第二，在對結構進行分析計算時，應該運用最簡單、最直接、概念最清楚的計算方法，將結構的受力與傳力途徑設計成簡單、直接、明確。盡可能避免出現以抗扭為主導的關鍵性傳力構件。第三，盡可能使結構平面布置的正交抗側力剛度中心(簡稱剛心)和建筑物表面力(風力)作用中心或質量重心(質心)靠近或重合，以避免或減小在風荷載或地震作用下產生的扭轉效應。第四，建筑物豎向布置的抗側力剛度構件也最好設計成均勻、連續，避免出現軟弱層和上下層間的剪切剛度、彎曲剛度和軸壓剛度的突變。第五，應重視上部結構與其支承結構整體共同作用的機理，即傳力與受力結構兩者之間的共同作用；例如，在高層建筑的箱基和筏基的底板設計中，計算軟件無法進行上部結構－地下室－地基基礎的相互作用分析，計算出來的底板內力遠遠大于底板實際受到的內力。
3.結構設計要經濟合理
結構設計工程師通過高層建筑結構的簡化計算，可以在正式電算前得到主體抗側力結構及其樓蓋結構的合理布置和截面的合理確定，下一步的電算時間，使電算更快捷有效，電算結果也容易比較放心；另一方面結構的布置、斷面的確定比較快的得到經濟合理的實現，從而使結構設計更加經濟合理。
4.結構平面布置剛度宜均勻，減少扭轉
高層建筑的平面布置宜簡單、規則,盡量減少突出、凹進等復雜平面。更重要的是結構平面布置時要盡可能剛度均勻，即結構的剛心與質心盡量接近，減少地震作用下的扭轉，扭轉對結構的危害很大。減少結構的扭轉，一是減少地震作用引起的扭轉，二是增加結構抵抗扭轉的能力。平面剛度布置均勻，可減少地震作用下的扭轉。而影響平面剛度均勻的主要因素是剪力墻的布置。剪力墻集中布置在結構平面的一端或一側是不好的。大剛度抗側力單元偏置的結構在地震作用下扭轉大，而對稱布置剪力墻、井筒有利于減少扭轉。周邊布置剪力墻，或周邊布置剛度很大的框筒等，都是增加結構抗扭剛度的重要措施，有利于抵抗扭轉。為了減少地震作用下的扭轉，還要注意平面上質量分布，質量偏心會引起扭轉，質量集中在周邊會加大扭轉。
5.結構豎向剛度宜均勻,避免薄弱層，減少鞭梢效應
結構宜做成上下等寬或由下向上向心逐漸減小的體型，更重要的是結構的抗側剛度應當沿高度均勻分布，或沿高度向心逐漸減小。各層剪力墻的布置是影響結構豎向剛度是否均勻的主要因素。框支剪力墻結構是典型的結構豎向剛度有突變的結構，框支層的變形大，為薄弱層，容易發生地震震害。故在結構設計時，不允許將全部或大部分剪力墻設計成框支，必須有一定數量的落地剪力墻，讓框支剪力墻的軟弱層由落地剪力墻加強，將框支剪力墻轉換層以上的剪力較均勻的轉移到落地剪力墻上，從而避免軟弱層引起的震害。由于建筑立面有較大的收進或頂部有小面積的凸出房間造成建筑立面體型沿高度變化，或者為了加大建筑空間而頂部減少剪力墻等，都可能使結構頂部少數層剛度突然變小，這可能加劇地震作用下的鞭梢效應，頂部的側向甩動變形過大也會使結構遭受破壞，所以在概念設計中，應當考慮到這些方面的影響，在方案階段進行調整或采取加強措施。總之，通過概念設計，應力求達到抗震體系選擇恰當，經濟合理，較好滿足設計規范的各項要求。
6.合理的結構計算分析與調整
開始計算前，應根據高層結構的實際工作狀況，建立正確的計算模型，根據概念設計做必要的簡化計算與處理。計算軟件技術條件的輸入應符合規范及有關標準的規定，并應根據具體工程注意需要特殊處理的內容。對于復雜結構進行多遇地震作用下的內力和變形分析時，應采用不少于兩個不同的力學模型，并對其計算結果進行分析比較。對計算機的計算結果，應經分析判斷確認其合理、有效后方可用于工程設計。在結構外圍增加墻體或調整墻厚、減少核心筒的剛度、增加外圍連梁的高度等加強四周結構的剛度，均可以使結構的扭轉周期靠后。對于豎向不規則的高層建筑，根據層間剛度比的結果確定薄弱層（薄弱層為該樓層抗側剛度小于其上一層的70%或小于其上相鄰三層側向剛度平均值的80%，或該樓層層間抗側力結構的承載力小于其上一層的80%，或該樓層豎向抗側力構件不連續）并對薄弱層地震作用標準值的地震剪力乘以1.15的增大系數。另外，地下室水平位移嵌固位置，轉換層剛度是否滿足要求等，都要求有層剛度作為依據。高層結構計算很難一次完成，應根據試算結果，按上述要求多次調整，才能得到較為合理的計算結果，以保證建筑物的安全。
7.結束語
隨著社會的進步，高層建筑的發展很快，日新月異。高層建筑的結構設計人員應不斷學習和提高，通過力學知識和力學規律建立結構受力與變形規律的各種概念，在設計中創造性地相互配合，設計出令人滿意的作品，為每一個嶄新的工程奠定基礎，把概念設計推向主流。

參考文獻：
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