結構設計入門(mén)——概念設計(貼圖)
在不斷的結構設計研究與實(shí)踐中，人們積累了大量有益的經(jīng)驗，并體現 在設計規范、設計手冊、標準圖集等等。隨著(zhù)計算機技術(shù)和計算方法的發(fā)展，計算機及其結構程序在結構工程中得到大量地應用，每個(gè)設計單位都在為徹底甩掉圖板而做努力。結果給部分結構工程師造成一種錯覺(jué)，覺(jué)得結構設計很簡(jiǎn)單，只需遵循規范、手冊、圖集，等待建筑師給一個(gè)空間形成的方案（非結構的），使用計算機，然后設法去完成它，自己只不過(guò)是一個(gè)東拼西湊的計算機畫(huà)圖匠而已。這不僅不能有效地運用他們的知識、精力和時(shí)間，而且還會(huì )與建筑師的交流中產(chǎn)生分歧與矛盾。
我國結構計算理論經(jīng)歷了經(jīng)驗估算，容許應力法，破損階段計算，極限狀態(tài)計算，到目前普遍采用的概率極限狀態(tài)理論等階段?，F行的《建筑結構設計統一標準》(GBJ68-84)則采用以概率理論為基礎的結構極限狀態(tài)設計準則,以使建筑結構的設計得以符合技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟合理、安全適用。概率極限狀態(tài)設計法更科學(xué)、更合理。但該法在運算過(guò)程中還帶有一定程度的近似，只能視作近似概率法。并且光憑極限狀態(tài)設計也很難估計建筑物的真正承載力的。事實(shí)上，建筑物是一個(gè)空間結構，各種構件以相當復雜的方式共同工作，且都并非是脫離總的結構體系的單獨構件。目前，人們在具體的空間結構體系整體研究上還有一定的局限性，在設計過(guò)程中采用了許多假定與簡(jiǎn)化。作為結構工程師不應盲目的照搬照抄規范，應該把它作為一種指南、參考，并在實(shí)際設計項目中作出正確的選擇。這就要求結構工程師對整體結構體系與各基本分體系之間的力學(xué)關(guān)系有透徹的認識，把概念設計應用到實(shí)際工作中去。
所謂的概念設計一般指不經(jīng)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(wèn)題中，依據整體結構體系與分體系之間的力學(xué)關(guān)系、結構破壞機理、震害、試驗現象和工程經(jīng)驗所獲得的基本設計原則和設計思想，從整體的角度來(lái)確定建筑結構的總體布置和抗震細部措施的宏觀(guān)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(jìn)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，具有較好的的經(jīng)濟可靠性能。同時(shí)，也是判斷計算機內力分析輸出數據可靠與否的主要依據。
比如，有的設計人員用多、高層結構三維空間分析程序來(lái)計算底層框架，還人為的布置一些抗震墻，即不能滿(mǎn)足樓層間的合理剛度比，也不能正確地反映底層框架在地震時(shí)受力狀態(tài)。問(wèn)題在于結構概念不明確，沒(méi)考慮這兩種結構體系的差異。軟件的選擇和使用不當，造成危害是不容忽視的。美國一些著(zhù)名學(xué)者和專(zhuān)家曾警告工業(yè)界：“誤用計算機造成結構破壞而引起災難只是一個(gè)時(shí)間的問(wèn)題?！比欢苊膺@種情況，概念設計的思想不妨是個(gè)好方法。
運用概念設計的思想，也使得結構設計的思路得到了拓寬。傳統的結構計算理論的研究和結構設計似乎只關(guān)注如何提高結構抗力R，以至混凝土的等級越用越高，配筋量越來(lái)越大，造價(jià)越來(lái)越高。結構工程師往往只注意到不超過(guò)最大配筋率，結果肥梁、胖柱、深基礎處處可見(jiàn)。以抗震設計為例，一般是根據初定的尺寸、砼等級算出結構的剛度，再由結構剛度算出地震力，然后算配筋。但是大家知道，結構剛度越大，地震作用效應越大，配筋越多，剛度越大，地震力就越強。這樣為抵御地震而配的鋼筋,增加了結構的剛度,反而使地震作用效應增強。其實(shí)，為什么不考慮降低作用效應S 呢？目前在抗震設計中，隔震消能的研究就是一個(gè)很好的例子。隔震消能的一般作法是在基礎與主體之間設柔性隔震層；加設消能支撐（類(lèi)似于阻尼器的裝置）；有的在建筑物頂部裝一個(gè)“反擺”，地震時(shí)它的位移方向與建筑物頂部的位移相反，從對建筑物的振動(dòng)加大阻尼作用，降低加速度，減少建筑物的位移，來(lái)降低地震作用效應。合理設計可降低地震作用效應達60%，并提高屋內物品的安全性。這一研究在國內外正廣泛地深入展開(kāi)。在日本，研究成果已經(jīng)廣泛應用于實(shí)際工程中，取得良好的經(jīng)濟、適用效果。而我國由于經(jīng)濟、技術(shù)和人們認識的限制，在工程界還未被廣泛地應用。同時(shí)，在目前建筑結構抗震鑒定及加固中，概念設計的思想也應得到延伸。在1976 年唐山地震中，天津市加固的2 萬(wàn)間民房無(wú)一倒塌，但天津第二毛紡廠(chǎng)三層的框架廠(chǎng)房，卻因偏重于傳統構部件的加固，忽視結構總體抗震性能的判斷，造成不合理的加固使抗震薄弱層轉移，仍然倒塌。
概念設計的思想被越來(lái)越多的結構工程師所接受，并將在結構設計中發(fā)揮越來(lái)越大的作用。然而現在的高校教學(xué)中，往往只重視單獨構件和孤立的分體系的力學(xué)概念講解。尤其在專(zhuān)業(yè)課教學(xué)中，單項計算練習居多，綜合練習偏少，并著(zhù)重體現在考題中，使得相當部分學(xué)生養成只知套用公式解題的習慣。而且近年來(lái)強調計算機應用教育，比如，畢業(yè)設計用結構設計軟件計算、出圖。但由于計算機設計過(guò)程的屏蔽，手算過(guò)程訓練程度的削弱，造成學(xué)生產(chǎn)生一定依賴(lài)性,結果綜合運用能力下降，整體結構體系概念模糊。這些對于培養具有創(chuàng )造力、未來(lái)的工程師是相當不利的。
隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，對建筑結構設計也提出了更高的要求。發(fā)展先進(jìn)計算理論，加強計算機的應用，加快新型高強、輕質(zhì)、環(huán)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(jīng)濟是當務(wù)之急。其中，打破建筑結構設計中的墨守成規，充分發(fā)揮結構工程師的創(chuàng )新能力，是相當必要的。因為他們是結構設計革命的推動(dòng)者和執行者。這則需要工程界和教育界進(jìn)行共同的努力。推廣概念設計思想是一種有效的辦法。著(zhù)名的美國工程院院士林同炎教授在《結構概念和體系》一書(shū)中為結構工程師提供了廣泛而又有獨特見(jiàn)解的結構概念設計基礎知識和設計實(shí)例。該書(shū)著(zhù)重介紹用整體概念來(lái)規劃結果總體方案的方法，以及結構總體系和個(gè)分體系尖的相互力學(xué)關(guān)系和簡(jiǎn)化近似設計方法。為結構工程師和建筑師在設計中創(chuàng )造性地相互配合，設計出令人滿(mǎn)意的建筑奠定基礎。這本書(shū)第二版的出版，為我們更好的加深概念設計的理解，提供有益的幫助?？傊?，概念設計必然會(huì )成為今后結構設計的主流思想，這就讓我們來(lái)共同學(xué)習、發(fā)展它吧，為結構設計的發(fā)展作出應有的貢獻。
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