建筑结构设计中概念设计与结构分析

建筑结构设计中概念设计与结构分析

 方光银

湖北省咸宁市佳成建筑勘察设计有限公司 湖北 咸宁，437000

摘要：近些年随着城市化进程的加快，城市建筑发展迅猛，建筑物的数量在增加的同时其结构也越发复杂，主要是现代建筑物并非仅仅为了满足居住的基本功能，建筑物向着功能多样化的方向发展，布局样式也在不断变化，这也对建筑结构设计提出了更高的要求。建筑物的施工都是根据结构设计来进行的，结构设计的水平直接影响着建筑的质量和安全性。但是现阶段在设计方面还存在某些细节方面的问题，因此合理的应用概念设计来对结构设计进一步优化完善，最大程度避免某些不利问题，从而提升整个建筑设计品质，促进经济发展。  

关键词：建筑；结构设计；概念设计

1概念设计的概述

1.1概念设计的定义

一般来讲，有关建筑学中所提到的概念设计，其本身是指在没有借助任何数值计算的前提下，通过对建筑体系以及子系统的力学研究，加上相关人员的个人经验以及试验过程，所形成的设计原则，这种设计原则具有极强的整体性与抗风险性，能够针对不同的内容进行优化处理，满足建设单位的经济建设需要。对于设计单位而言，在进行工程建设的过程中，最常使用的便是概念性近似估算，通过对该种手段的应用，能够在短时间内完成全周期方案处理，并以此为基础实现建筑结构的整体性与可靠性，方便后续开展人工计算。在效果上，概念设计所形成的方案内容，受其自身特性的影响，大多都有着极高的清晰度，在进行日常运作时，并不需要人员针对方案内容完成必要的任务，在效率方面能够实现有效的保障。

1.2概念设计的现状

现如今，一部分设计单位在进行建筑设计时，往往会受到各方因素的干扰，尤其是在研究人员上，不同人员的技术方向与理念都存在着较为明显的差异性，工程经验的差别更是使得整个设计内容无法实现统一化管理，人员思维无法向同一方向前进，以至于所构建的工程设计方案无论是在安全性还是可靠性方面都无法满足正常状态下的施工需求。因此，为了满足我国国民的生活与工作需要，设计单位在进行工程建设时，需要加强对概念设计内容的重视程度，并以此为基础进行相关要点的分析与落实，加强技术手段的研发，以此来对后续的工作奠定良好的基础。

2概念设计的重要性分析

设计人员开展概念设计的前提，便是以某一特定空间为基础，利用空间思维配合理论经验完成整体性的设计内容，从而获得相应的结构方案。换句话说，概念设计本身就是结构设计的组成部分，是主导思维，也是整个设计的核心所在。在国民的认知中，随着设计人员从业时间的不断延长，有关结构工程的认知与理解也开始呈现昌盛的趋势，有关概念设计的能力也会随之提升，但从某种角度来看，这种观点过于理想化，只有外在因素无法对整个设计行为产生条件制约时，这一规律才能够得以展现。就目前来看，我国部分设计单位在进行工程建设中，并没有对技术内容进行优化，有关概念设计的创新也止步不前，依旧使用较为传统且陈旧的知识手段，整个过程更偏向于格式化，总是以模仿的姿态进行工程设计，不愿或者是不敢进行创新工作，难以接受并使用全新的建筑工艺，以至于所规划的建筑方案质量不具备应用价值与社会意义。究其原因，则是因为设计单位在进行日常工作中，缺乏对这方面的管控力度，加上人员本身的不自知，也会在一定程度上导致概念设计应用效果难以满足预期标准，对于单位自身的经济建设与发展也会产生较为不利的影响。

此外，在新时代背景下，设计人员对于计算机结构程序的依赖性过于明显，长期的惯性使得这类人员不会去认真检查系统运行是否存在问题，在结果上也没有进行较为明确的处理，当计算机系统出现问题时，设计人员很难对设计问题进行发现并处理，方案缺乏可靠性与有效性，后续的工作内容也会因此受到较为严重的影响。

概念设计在建筑结构管理中有着极为重要的作用，即便是在２１世纪的今天，建筑行业所遵循的结构设计理念以及计算技术仍然存在着一定程度的缺陷，在计算过程中极容易受到外在因素的干扰。比如说，在开展混凝土结构设计阶段，需要人员利用弹性理念完成内力的计算工作，利用塑形理念的延伸：极限状态，完成截面工作。在这一背景下，设计人员会面临计算结构与设计结构受力不均的情况，状态规划超出预期标准，为了缩小结构与实际内容的误差，还要进行后续的修补，整个过程所花费的精力与成本支出相对较高。

因此，设计单位在进行日常工作的过程中，应当加强对这方面的重视程度，结合概念设计原理调整结构布置，从而调整在设计前期完善优化建筑方案，提高人员本身所具备的专业能力，确保结构概念能够有效落实到工程之中，这样不但能够有效提高工程设计的整体性与安全性，对于设计单位的发展也会产生积极有效的促进作用。

3建筑结构设计的基本原则

3.1安全性

人是房屋建筑的使用者,建筑的安全性关系着使用者与施工人员的生命财产安全。因此,建筑的安全性是人们关注的重点。一个稳固且安全的施工结构设计,能够保证施工过程中不会出现结构问题而导致安全事故的发生,从而充分保障施工安全。另外,安全的建筑结构设计也能够提高房屋建筑的整体质量,增强房屋的使用年限,从而为使用者的生命财产安全提供保障。随着建筑技术的不断发展,设计人员在进行建筑结构设计时,除了注重建筑整体的安全性以外,也开始关注建筑应对各类自然灾害的能力,如抗震能力、抗台风能力等。因此,设计人员在建筑结构设计中应遵循安全性这一基本原则。

3.2实用性

实用性是设计人员应遵循的重要原则。随着城市化的不断发展以及城市人口的增加,城市用地越来越紧张,城市房价也在不断上涨。在此背景下,许多人无法承担过重的贷款压力,只能选择小户型房屋。同时,随着三孩政策的实施,一些多孩家庭普遍存在着居住环境拥挤的情况。所以,房屋建筑的每一寸空间都需要得到充分利用。如何在有限的空间内建造出实用性强的房屋建筑,满足人们的住房需求,是建筑设计人员应重点解决的问题。

3.3经济性

获得经济效益是建筑企业开发房屋建筑工程的主要目的,设计人员在建筑结构设计中,要遵循经济性的基本原则。目前,在建筑结构设计过程中,建筑材料成本是影响建筑经济性的主要因素。建筑材料的成本一般比较高,建筑企业在钢筋、混凝土、水泥等与建筑结构有关的建筑材料方面,需要投入大量的成本。为了保障建筑企业的经济效益,设计人员在建筑结构设计过程中,要合理控制建筑材料的用量,选择经济实惠的建筑材料,节约建筑材料成本。但是要注意的是,节约建筑材料成本不能以牺牲建筑质量为代价。设计人员不能为了实现经济效益目标而故意选用一些劣质材料,以次充好。有些建筑企业会为了追求经济效益而选择使用一些便宜但质量低下的材料进行建设,从而导致“豆腐渣”工程的出现,威胁到居民的生命财产安全,最终得不偿失。

4建筑结构设计中应用概念设计、结构措施

4.1钢混结构

钢混结构是当前我国建筑行业中，使用频率较高的内容，其本身有着极高的应用特性与质量，在开展相关工作中，应当由设计人员进行创新与优化，加强对新型模式的重视程度，刚度太大地震力相应也会变大，钢筋混凝土用量增加成本增大，合理的控制住建筑结构的总体刚度，这样不但可以优化成本，而且还可以提高建筑物的安全性和稳定性，对于后续的工作也会产生积极影响。有关钢管混凝土结构的原理特征如下所示。１）外部钢管。这类钢管能够针对结构内部的混凝土材料开展有效地约束，提高混凝土强度的同时，还能够根据实际情况完成变形风险的管控。与其他技术相比，钢管混凝土结构的存在，使得建筑物本身所具备的抗震性与安全性大幅度提升，不但减少超高层建筑底柱过大所产生的不利影响，在轴压方面也能够得到有效的控制。２）内部混凝土。混凝土的存在，能够对整个结构的内部空间进行填充化处理，使得外部钢管不会发生较为严重的变形问题，产生支撑力的同时，可以是钢管的特性和混凝土的特性相互结合，相互取长补短达到最佳的受力特性，这样可以很大程度提高建筑结构本身的承载能力，在安全性与稳定性方面也能够得到有效地提升。从最终结果来讲，采用钢混结构后，所形成的承载力是单一承载力代数的十几倍。

4.2协同工作

对于设计人员而言，在进行建筑结构设计的过程中，应当加强对材料的管控力度，并以此为基础完成相应的协同工作，通过提高利用率的方式，完成工程强度的提升与管理，减少风险干扰，对于工程建设也会产生积极的影响。随着我国社会的不断发展，人们在进行结构设计时，需要加强对材料的分析与处理，并根据梁构件的标准完成相应的改革工作。矩形截面梁是建筑结构设计中不可或缺的重要内容，但其本身所存在的受弯构件却有着极低的利用率，究其原因，则是因为弯曲梁本身是以梁体长度所在的方向为变化趋势，在整个过程中所产生的应力水平相对较低，这就使得有关中心轴附近的材料，在应力水平上也会呈现下降的趋势。因此再设计过程中结合概念设计理念，特别关注应力变化情况和范围，选用平面桁架的方式，利用构件的中心点进行应力作用，满足经济性需求，同时在可靠性方面也能够得到有效保障。与其他结构相比，这种材料的自重相对较低，且经济实惠，能够满足不同状态下的工作需要。桁架形态的设计原理，与矩阵形态大体相同，其所产生的结构特性自然也存在着均衡的特征，利用桁架方式能够对弦杆的受力情况进行平衡控制，在这一过程中，不但能够实现稳定性方面的作用，在建筑材料强度上也能够实现有效的保障。此外，设计人员在对平衡桁架开展设计与管理中，需要依照压杆的实际比值完成后续的应用工作。

对于工业产品来讲，协同工作的存在无疑是极为重要的，良好的协同作业不但能够有效提高产品设计质量，在精度上也能够达到预期标准，为了满足结构设计的相关需求，设计人员在开展建筑结构施工中，应当加强对协同工作的重视程度，并以此为基础完成结构内部构件的有效整合，确保其能够完成同步化工作内容。进行协调设计时候，设计人员要对每个结构构件的强度和刚度以及最大承重限值较为明确，从而完成建筑结构极限状态分析，在完成状态管理后还要加强寿命周期的管控力度，将基础结构与上部结构进行有效整合，使其满足有机整体需求，以此来为后续工作奠定良好基础。

5建筑结构设计的优化方法

5.1优化建筑结构设计流程

在建筑结构设计中，需要考虑的因素较多，建筑结构设计是指建筑承重构件的布置与计算，以及构件使用的材料、形状、大小及内部钢筋构造的工程图样的绘制工作，这是建筑各个施工阶段的重要依据。建筑结构设计的基本流程，目前广泛采用的应用流程为：首先，确定结构布置方案并在结构分析软件中计算通过后，根据计算结果在二维CAD中绘制构件的布置、尺寸及配筋。这种基于CAD的结构施工图设计方式存在不直观、错漏点较多、与其他专业协同性差等问题，二维图纸不能对施工进行准确的指导，造成施工图信息与算量信息割裂，越来越难以适应新的行业工作模式，因此，必须要采用新的建筑结构设计技术。

5.2创建结构设计优化模型

建筑结构优化计算方案及优化设计模型在建筑结构优化设计中发挥着十分重要的作用。结构设计优化存在多个变量中，选择最为关键的参数，并以此为基础建立函数模型，得出最佳参数。在建立模型的过程中，首先要合理选择设计变量，这直接关系到模型建立的科学性与合理性，之后再确定目标函数，还要筛选满足函数条件的最优解后确定约束条件，如尺寸、强度、弹塑性和应力等要求。另外，设计人员务必保障约束条件均满足设计要求，进行编制优化设计方案，在计算过程中采取有效措施将约束条件变为非约束条件，促进设计优化工作的有序开展，还要全面考虑变量因素的影响，采取切实可行的计算方式，达到建筑结构优化设计的总体目标。最后，将程序直接导入计算机，后期计算中将数据输入系统，计算机在数据分析和计算后方可得出最终结果，以直观生动的方式展现给设计人员，但该过程需要具有计算机编程技术的专业人员才能实现，设计人员应该加强对设计软件计算原理的理解，灵活运用软件，对计算结果的可靠性进行判断。

5.3优化组件布局设计

剪力墙结构、框架结构是建筑工程的重要组成部分，优化结构的过程就是对这些组件进行合理的优化和设计。在剪力墙结构的优化设计中，在保证剪力墙竖向刚度的同时，侧向刚度必须满足设计要求。此外，在设计时在控制剪力墙的数量和刚度，降低计算难度。框架梁采用宽而平的横梁，其可以降低断面高度，又能增加建筑物的净高，轴压比对框架柱的安全性至关重要，在上部轴力明确的情况下应对框架柱部分进行适当加固。

5.4基础及地下室结构设计优化方法

基础及地下室楼盖的设计优化，应充分结合地基承载力、施工场地水位条件、地上覆土情况等。常用的基础及地下室楼盖选型方案优化如下：①进行桩基设计时，应充分结合灌注桩与预制桩的优缺点，一般预制桩承载力较低，造价较高，灌注桩反之。故裙楼基底压力较小部位采用预制桩，主楼部分采用灌注桩。②基础底板的设计时，筏板基础+柱墩与止水板+独基的基础方案比选应根据项目而定。一般而言，使用天然基础时采用筏板基础+柱墩更优，采用桩基基础且存在地下水位时，止水板+独基方案更优，止水板抗浮计算配筋远小于筏板基础，且构造厚度及最小配筋率要求均小于筏板基础。③住宅类地下室楼盖设计条件较为单一，多为覆土厚度控制并叠加消防车及人防荷载。经多轮方案比选，含钢量排序：单向次梁楼盖方案＜十字梁楼盖方案≈无梁楼盖＜井字梁楼盖方案。最后，基础及地下室楼盖的设计优化时应确保结构安全，避免出现由于结构体系优化而出现地下室开裂漏水等现象。

5.5BIM技术及装配式设计引领的节能优化

在后期优化设计中可以引入BIM技术提升设计参数的精准性，优化结构设计中的空间布局。BIM技术最大的优势在于能够实现设计可视化目标，解决一些技术性问题，如组件碰撞、参数设置误差等。在实际应用过程中，可以将目标建设区域的相关参数输入到系统中，能够进行自主计算，还能将其用于工程造价核算和施工进度预测等方面，这样能够有效控制成本提升建模的科学性，与节能可持续发展理念相一致。

结语

现代建筑的复杂性不断提升，涉及到方方面面的内容，对于设计人员来说，需要充分分析建筑结构设计的具体需求，明确建筑结构的设计关键点，并且要进一步提升对施工所在区域的剖析力度，掌握更详细的勘查信息，对作业现场加以动态剖析，将其作为根基制定最恰当的结构设计计划。设计工作者应该综合运用概念设计与结构设计举措，改进建筑项目架构设计成效，实现建筑结构强度、抗震性能的显著优化。

参考文献

[1]余咏红.概念设计与结构措施在建筑结构设计中的应用[J].房地产世界,2021(08):15-17.

[2]孙国红.建筑结构设计中概念设计与结构措施的应用[J].绿色环保建材,2021(07):105-107.

[3]李敬超.概念设计与结构措施在建筑结构设计中应用[J].建筑技术开发,2021(07):88-91.

作者简介：方光银（1971.1-），男，汉族，湖北省咸宁市人，单位为：湖北省咸宁市佳成建筑勘察设计有限公司，工程师，一级注册结构工程师，本科。研究方向为建筑结构设计。