概念设计的意义和应用分析

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刚度理论在概念设计中的运用 在结构设计过程中的结构布置
（ 包括竖向结构体系和水平结构体系 布置） 和结构计算分析（ 包括计算假定 和构件内力分析） 阶段， 一般设计人员 比较关注的是荷载的产生及其数值大 小， 即比较注重‘ 力’ 的概念而往往忽 视或轻视结构或构件抵抗外力的变形 能力、 反映结构构件内在联系、 影响构 件内力及变形相互关系的 “ 刚度” 概 念。事实上， 结构中力的平衡、 变形的 协调及由此产生的构件内力都是通过 构件自身的线刚度 （ 由截面尺寸及三 维空间的第三方向尺度和材料特性三 要素构成）及连接构件之间的相对刚 度的大小来体现的。换言之， 属结构外 部因素的 “ 力” —— —楼层作用荷载、 风 力、地震作用及建筑物的自重等在结 构内部的作用、传递及所引起的结构 反应均通过属结构内部因素的“ 刚度” 来完成， 即为内部因素。从哲学的观点 来说， 它与外部因素相比， 更是事物的 本质； 另一个事实是， 在结构技术书籍 和各类结构设计规范（ 规程） 中有关构 件计算和构造方面的论述，其核心内 容也常以刚度为主线。因此， 结构工程 师应十分重视并透彻理解结构刚度理 论 !"#。
!""# 年第 $ 期
合理的建筑结构体系 应 该 是 刚 柔相济的。结构过刚则变形能力差， 强大的破坏力瞬间袭来时， 需要承受 的力很大， 易造成局部受损最后甚至 全部毁坏； 而过柔的结构虽可很好地 消减外力， 但易造成变形过大而无法 使用， 甚至全部倾覆。结构是刚多还 是柔多好， 刚到什么程度或柔到什么 程度才算合适， 这些问题历来都是专 家们争论的焦点，而最后的共识就 是： 刚柔相济是设计者的追求。刚是 立足之本， 必要刚度不能少， 如此方 能控制变形在可以忍受的范围内， 才 不会失掉本质的东西；柔为护身之 法， 结构的刚度是有限的， 要学会以 柔克刚，提高消化和转换外力的能 力， 有时牺牲一点变形来抵抗突然到 来的摧毁力是必要的，也是值得的， 但应以不失去自我为度。 刚柔相济思想是一种理想的 “ 模 糊概念” ，现实中往往不是想刚就能 刚， 想柔便能柔的， 每种结构本身的 材料各不相同， 且每种结构所处的环 境（ 主要立足的基础） 不同， 所受的外 力更难统一定性， 所以每个工程师要 多思考， 多体会， 多运用刚柔相济理 论，从概念的角度去做好结构设计。 例如结构的抗风设计和抗震设计是 相矛盾的， 抗震设计希望结构适当柔 一点， 能吸收震动的能量； 而抗风设 计则希望结构的刚度大点， 在风的作 用下动力效应及变形能小点。因此要 设计一个抗风和抗震性能都很好的 高层建筑结构很不容易， 而解决这对 矛盾最好的方法就是运用刚柔相济 思想进行分析的设计。著名的美国工 程院院士林同炎教授可以说是概念 设计的鼻祖， 也是刚柔相济思想的集 大成者。%&’( 年林同炎公司设计的美 国银行大楼， 由)个 柔 性 筒 组 成 ， 是具 有很大抗弯刚度的结构总体系， 在抗 风荷载及设防烈度的地震作用下表 现为刚性体系， 使柔性结构与刚性结 构得到完善的统一， 做到了结构的刚 柔相济； 当遭遇强烈地震时， 通过控 制各分体系之间的连接构件的屈服、
为依据，用符合工程客观规律和本质 的方法， 综合考虑各方面因素， 确定合 理的分析、处理方法对所设计的对象 作宏观的控制。 概念设计的目的是力求使设计方 案经济、 合理， 也是设计者根据经验和 专业设计理论，在脑海中进行的一个 优化过程。其依据主要包括结构总体 系与各分体系的工作原理和力学性 质， 材料使用的经济性， 设计和构造处 理原则， 计算程序的力学模型和功能， 吸取或不断积累的实践经验。 概念设计不仅可保证正确的设计
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建
筑
技
术
第 !" 卷
种构件形式。其迅速发展正预示着我 们在结构设计中要从材料效用的角度 出发充分地理解力学概念，才能创新 出更经济更合理的结构。
层粘土作为桩尖持力 桩， 选用（ 1—.） 层， 有效桩长为 -0 +， 算得单桩承载力 标 准 值 !23 4"1) 35。 筏 板 面 积 " 4"-*0 厚度为 )*"1 +， 基础埋深为 . +,--*. +，
概念是一种反映事物本质属性的 思维认识，是人们在实践基础上经过 感性认识上升到理性认识而形成的； 而结构概念设计多指不经数值计算 （ 尤其在一些难以作出精确分析或在 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、 实验现象和工程 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 总体布置和结构措施，并以工程概念
!பைடு நூலகம்
从材料效用的角度考虑概念设计 经济效益对任何业主都是首要问
题，安全又省钱是业主对结构设计水 平考核的重要指标，也应该是结构设 计人员的追求。 对于结构设计来说， 最 主要的经济技术性就是材料效用问 题，一般材料利用率越高的结构设计 也就越经济。 矩形截面梁是普通的受弯构件， 其材料利用率很低，原因一方面是靠 近中性轴的材料应力水平低，另一方 面是梁的弯矩沿梁长一般是变化的， 这样对等截面梁来说， 大部分区段（ 即 使是拉、 压边缘） 应力水平均较低 ,*-。 针 对梁的这种受力特点，从结构概念设 计的角度来看，主要是因为梁截面存 在应变梯度，只有当构件是轴心受力 时， 材料利用率才可能增大， 于是产生 了拱结构及合理拱轴线的概念，但由 于拱结构曲线构造的复杂性，使设计 和施工都比较费劲，于是又出现了平 面桁架形式。 平面桁架可以理解为“ 淘 空” 的梁， 即将梁中多余材料去除， 既 经济， 又可降低自重， 故桁架的上弦相 应于梁的受压边，下弦相应于受拉钢 筋。 规则桁架中弦杆的受力（ 拉、 压） 与 梁中主拉、 压应力方向一致。 根据上述 分析，还可以将桁架的外形设计为与 弯矩图相似的形状，从而使桁架的弦 杆受力均匀。由于桁架中大量存在压 杆， 压杆的强度往往由其稳定性决定， 而不是由杆件截面材料强度决定， 故 在平面桁架的设计过程中，应设法降 低压杆的长细比，单纯增大截面是下
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第 %/ 卷（ 第+期 $&&0 年）
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得好，能使结构尽量满足外部条件并
概念设计的意义和应用分析
朱慈勉 尹小明
（ 同济大学建筑工程系， $&&&’$） 摘 要： 通过阐述结构概念设计的含义、 内容、 依据及其意义， 并从 刚度理论， 材料效用， 协同工作原理三方面对结构概念设计进行多角度 分析， 体现了概念设计的重要性， 指出在结构设计中应如何考虑和运用 结构概念设计思想。 关键词： 概念设计； 刚度理论； 协同工作； 材料效用 中图分类号： 文献标识码： 文章编号： () %*+ , *&&&-
量作出评价和判断至使用时才取得结 论的工程项目，其质量管理必须从施 工工艺上加以严格控制，方可避免出 现定喷墙脚下一处漏水的问题。 之间原考虑联结方案为在旋喷桩的桩 顶插入钢筋，在旋喷桩顶做钢筋混凝 土冠梁，冠梁通过焊接短钢筋与钻孔 灌注挡土桩的主筋锚固，达到两桩体 又误认为旋喷桩能卡入钻孔灌注挡土 桩内形成一体，因而取消了桩间联结 的作法，导致因两桩体错动而造成微 漏水的后果。
朱慈勉， 上海市人， 同济大学， 教 *’". 年 . 月 生 ， 授， 博士， 上海 $&&&’$ ， 收稿日期： $&&0-&%-&+
原则，还可通过它来解决设计中出现 的问题， 提高设计水平。概念设计运用
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! （ 的共同受力； 但实施时认为工序太多， （ $） 对 这 类 施 工 过 程 无 法 对 质 %） 旋 喷 桩 与 钻 孔 灌 注 挡 土 桩
概念设计的意义和应用分析 破坏，而变成具有延性的结构体系， 即各分体系独立工作， 则结构的自振 周期变长， 阻尼增加， 即便超出弹性 极限， 仍持有塑性强度， 可做到摇摆 而不倒塌。%&*! 年 %! 月 !( 日尼加拉瓜 首都马那瓜市发生强烈地震， %" """ 多栋楼房倒塌，该楼虽位于震中， 承 受比设计地震作用 "+"’ !大 ’ 倍的地震 作用 "+(# !而未倒塌， 充分地验证了刚 柔相济思想的正确性及实用性， 引起 了世界结构界同仁的高度重视 ,’- 。