不需要計算機的建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化-概念設(shè)計

不需要計算機的建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化—概念設(shè)計1概述電子計算機在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用,使設(shè)計水平提高到一個前所未有的高度.設(shè)計人員不需要做枯燥繁重的力學(xué)計算卻能得到更為精確的結(jié)果;較為先進(jìn)的設(shè)計軟件只要設(shè)計者將結(jié)構(gòu)布置方案,一些設(shè)計參數(shù)輸入以后,便能自動地進(jìn)行分析計算,并畫出施工圖面對如此方便的設(shè)計手段,許多人,特別是對結(jié)構(gòu)設(shè)計還只是一知半解的本專業(yè)在校學(xué)生不禁感慨:設(shè)計軟件如此傻瓜化,普通人經(jīng)一兩個月培訓(xùn)也照樣可以做設(shè)計,學(xué)那么多計算分析理論有什么用事實上,這正是在計算機輔助設(shè)計高度發(fā)達(dá)的今天,應(yīng)該如何認(rèn)識人在設(shè)計過程中所扮演的角色問題人與機器的不同很重要的一方面就在于人具有主觀能動性,計算機把設(shè)計師從機械的公式運算中解放出來,設(shè)計人員更應(yīng)該依據(jù)基礎(chǔ)理論知識和實踐經(jīng)驗,把精力放在公式不能解決的問題上.通過主觀分析判斷作出選擇,力求得到最為經(jīng)濟,合理的設(shè)計方案,也就是說設(shè)計人員主要應(yīng)該從事概念設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)過程中,所謂的概念設(shè)計,是指設(shè)計人員在從結(jié)構(gòu)選型,布置,分析計算,截面設(shè)計到細(xì)部處理的整個設(shè)計過程中,對所遇到的問題依據(jù)建筑結(jié)構(gòu)在各種情況下丁作的一般規(guī)律(主要是建筑,結(jié)構(gòu)專業(yè)的基礎(chǔ)理論),結(jié)合實踐經(jīng)驗,綜合考慮各方面因素,確定合理的分析,處理方法,力求得到最為經(jīng)濟,合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案對于同一建筑方案,可以有許多不同的結(jié)構(gòu)(包括基礎(chǔ))布置方案;確定了結(jié)構(gòu)布置的建筑物,即使在同種荷載情況下也存在不同的分析方法;分析過程中設(shè)計參數(shù),材料,荷載的取值也不是惟一的;建筑物細(xì)部的處理更是不盡相同等等,這些問題目前計算機是無法完全解決的,都需要設(shè)計人員自己作出判斷.而判斷只能在結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般規(guī)律指導(dǎo)下,根據(jù)工程實踐經(jīng)驗進(jìn)行,這便是前面所說的概念設(shè)計.因此,概念設(shè)計存在于設(shè)計師對多種備選方案進(jìn)行選擇的過程中概念設(shè)計所要處理的問題多種多樣但可以肯定的是,希望通過概念設(shè)計,結(jié)構(gòu)能夠在各種不期而遇的外部作用下壞,或?qū)⑵茐臏p小到最小程度因此,分析如何應(yīng)付建筑物可能遭遇的各種不確定因素成為概念設(shè)計的重要內(nèi)容.其中,地震作用最為難以琢磨,破壞性也最大.故而,設(shè)計過程中就應(yīng)該未雨綢繆,從計算及構(gòu)造等各個方面都要采取助于提高抗震能力的措施,不利于抗震的作法則應(yīng)盡量避免.剛度均勻,對稱是減小地震在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生不利影響的重要手段;延性設(shè)計則能有效防止結(jié)構(gòu)在地震作用下發(fā)生脆性破壞;多道設(shè)防思想能使建筑在特大地震作用下次要的構(gòu)件先破壞,消耗一部分地震能量,起到丟車保帥的作用1這些抗震設(shè)防思想在整個設(shè)計過程中都應(yīng)該作為概念設(shè)計的重要指導(dǎo)思想.提倡深人概念設(shè)計的意義顯而易見.進(jìn)行概念設(shè)計可以得到相對合理的方案,這不僅能使結(jié)構(gòu)更為有效地抵抗外來因素的作用,以最快的方式將荷載傳遞到基礎(chǔ),地基中,給人們創(chuàng)造更為安全,舒適的工作和生活環(huán)境,而且可以節(jié)約大量的建筑材料,資金等以下,作者就設(shè)計過程的幾個方面談?wù)勛约簩Ω拍钤O(shè)計的看法a結(jié)構(gòu)布置過程中的概念設(shè)計結(jié)構(gòu)布置時,整體上應(yīng)抓住整體結(jié)構(gòu)的工作原理和抗震設(shè)計的基本原則,盡量減小對杭震十分不利的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)和剛度突變,使所有構(gòu)件團結(jié)起來-致對外,減少不必要的內(nèi)耗;局部上可從單個構(gòu)件力學(xué)性能及破壞特點出發(fā),使所有構(gòu)件適得其所,各盡所能,揚長避短與建筑師合作,做好整體的選型和布置.建筑是凝固的藝術(shù),建筑師總是希望通過建筑物表達(dá)自己的設(shè)計意圖,力求藝術(shù)性和實用性的完美結(jié)合.結(jié)構(gòu)師在保證安全性的前提下,當(dāng)然應(yīng)該敢于挑戰(zhàn)新的結(jié)構(gòu)形式,使建筑師的意圖得以實現(xiàn).對-般的單層和多層建筑,結(jié)構(gòu)上的問題一般都可以處理,可以讓建筑師大體完成建筑設(shè)計方案后,結(jié)構(gòu)再介入,進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計.但是對于高層建筑,就應(yīng)該從概念上清楚地認(rèn)識到其區(qū)別于低層建筑的特點:起控制作用的已不再是豎向荷載,而主要是風(fēng)和地震作用的水平荷載.這時結(jié)構(gòu)師在建筑初步設(shè)計階段就應(yīng)該開始介人探討其平面和豎向布置的合理性在基本滿足建筑師設(shè)計意圖的基礎(chǔ)上,平面布置應(yīng)盡量規(guī)則,對稱,盡量縮小質(zhì)量中心和剛度中心的差異;使建筑物在水平荷載作用下不致產(chǎn)生太大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng).豎向布置上,在滿足功能要求的前提下,盡量使豎向承重構(gòu)件上下貫通,結(jié)構(gòu)中很忌諱那種上部好幾層有墻,有柱,下部反而沒有,墻,柱直接擱在梁卜的情況;能不使用轉(zhuǎn)換層的就避免,以減小結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計上的困難,另外也不經(jīng)濟,還容易造成應(yīng)力集中;豎向剛度最好不要突變,而要漸變,否則突變處在水平荷載作用下會出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象,這對結(jié)構(gòu)抵抗水平動力荷載是十分不利的建筑師確定建筑方案后,結(jié)構(gòu)也應(yīng)綜合考慮各面因素,盡量采用最簡單,最經(jīng)濟,合理的方案.各個受力構(gòu)件的布置要全面考慮它可能承受的各種荷載.豎向承重構(gòu)件(柱,剪力墻)不僅是將豎向荷載傳遞到基礎(chǔ)上,同時還要承受風(fēng)和地震等水平荷載,有時還有溫度應(yīng)力.因此,布置時還要注意將它放在有利于承受水平荷載和溫度應(yīng)力的位置.如剪力墻的布置,將它對稱地布置于兩邊可以抵抗較大的扭轉(zhuǎn)作用,但又要注意外墻設(shè)為剪力墻對太陽照射引起的溫度變化敏感,會產(chǎn)生較大的不必要的溫度應(yīng)力;同理,也要盡量避開建筑物內(nèi)部溫度變化較大的熱源.除此之外,還要考慮樓板剛度是否滿足整體工作的要求,對剪力墻間距進(jìn)行限制.水平承重構(gòu)件(梁,板)的布置同樣也要考慮多方面的因素.首先,力求傳力路徑簡潔.以最快的方式將樓面上的荷載傳遞到主梁上,再由柱,剪力墻等傳遞到基礎(chǔ),地基.不合理的布置方案,荷載往往要經(jīng)過好幾級次梁的傳遞后才到達(dá)主梁,這種傳力路線的不明確不僅不經(jīng)濟,而且勢必使構(gòu)件處于復(fù)雜受力狀態(tài).其次,使構(gòu)件的受力盡量簡單,有利.同時承受多種力作用的構(gòu)件容易破壞,特別是受剪,受扭的構(gòu)件經(jīng)常產(chǎn)生脆性破壞,這是我們所不希望看到的.所以,應(yīng)該運用力學(xué)基本概念進(jìn)行定性分析,在結(jié)構(gòu)布置時盡量避免構(gòu)件處于復(fù)雜受力狀態(tài),能受彎的就不要受扭.結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸的確定,通常可按經(jīng)驗公式初步確定,如框架梁截面高度一般取t/8一1/12但在這范圍內(nèi)到底應(yīng)該取大些,還是小一點,應(yīng)該借助基本理論來做大體L的分析,有時根據(jù)需要甚至?xí)〕^該范圍的值.如高層框一剪結(jié)構(gòu)的房中,確定樓板厚度時,往往會取偏大的值.因為框一剪結(jié)構(gòu)協(xié)同工作的原理就是假定樓板的剛度無限大,使框架和剪力墻兩種性質(zhì)截然不同的結(jié)構(gòu)在同一層的水平位移相等,以達(dá)到共同工作的目的因此,樓板布置時可以有意地增加板厚,提高其剛度.此外,高層建筑消防也是個難題,增加板厚可以延長耐火時間,對高層建筑消防爭取時很有好處。3地基基礎(chǔ)中的概念設(shè)計地基土的不確定性很強，至今還沒有哪個模型能夠?qū)ζ渥骶_的描述.因此，在地基基礎(chǔ)的設(shè)計中，更需要根據(jù)基本理論知識以及豐富的實踐經(jīng)驗，分析，預(yù)見可能出現(xiàn)的各種問題，從而找到最合理的處理方案_可見“概念設(shè)計在地基，基礎(chǔ)中更為重要建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計常規(guī)的方法是將上部結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)和地基二者作為彼此獨立，離散的結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行力學(xué)分析.實踐表明，這種常規(guī)法計算得到的基底應(yīng)力和基礎(chǔ)沉降量往往與實測值天差地別.事實上，地基基礎(chǔ)問題的解決不宜單純著眼于地基基礎(chǔ).另一方面，上部結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中.也應(yīng)該注意由于地基沉降變形差異而引起的上部結(jié)構(gòu)次應(yīng)力，開裂等不良現(xiàn)象.故而，更應(yīng)該把地基，基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)視為一個統(tǒng)一的整體，從三者相互作用的概念出發(fā)來考慮地基基礎(chǔ)方案.當(dāng)然，枯體的相互作用分析相當(dāng)復(fù)雜，合理的方法應(yīng)該從二者之間滿足靜力平衡和變形協(xié)調(diào)兩個條件出發(fā)進(jìn)行分析.這種方法還處于進(jìn)一步研究階段，必須有專業(yè)人員才能實施，，般的房屋建筑通常還是采用常規(guī)方法.但是，設(shè)計人員除了具備土力學(xué)，地基基礎(chǔ)的基本理論知識外，還應(yīng)該掌握地基一基礎(chǔ)一r部結(jié)構(gòu)相互作用的基本概念，原理，了解基礎(chǔ)剛度變化對上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，上部結(jié)構(gòu)對基礎(chǔ)變形的約束作用，以及采用不同地基計算模型可能在基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的差異，這樣，在基礎(chǔ)選型，布置以及地基模型，參數(shù)的選取時，才能夠從共同作用的角度加以考慮，力求設(shè)計出最為經(jīng)濟，合理的地基基礎(chǔ)方案.4截面設(shè)計中的概念設(shè)計截面設(shè)計過程中，表面上看只是按照截面的控制內(nèi)力對構(gòu)件進(jìn)行正截面，斜截面等相關(guān)計算，而后配筋就行了，事實卜概念設(shè)計也無處不在.當(dāng)然，其中不乏已被設(shè)計規(guī)范錄為條款而明文規(guī)定，如框架結(jié)構(gòu)中強柱弱梁，強剪弱彎，強節(jié)點，強錨固等重要抗震設(shè)防思想.這些在規(guī)范中都具體給出了保證其滿足的驗算公式，設(shè)計中定要無條件地遵守.但是，實際設(shè)計過程疏忽遺漏的現(xiàn)象屢見不鮮.在高度電算化的今天，使用TAT軟件進(jìn)行內(nèi)力分析，計算出配筋并畫出平面圖后，設(shè)計人員一般還會憑經(jīng)驗對配筋作適當(dāng)調(diào)招.如感覺框架梁，柱配筋偏小，于是憑經(jīng)驗將梁柱鋼筋用量或直徑調(diào)大.但是調(diào)整往往是直接在圖卜進(jìn)行的，而目_調(diào)整之后并沒有再作一些必要的驗算，這時不滿足強柱弱梁這一重要抗震計原則的情況可能就出現(xiàn)了計算出鋼筋用量后，相同的鋼筋用量還有多種不同的配筋方式，因此又到了設(shè)計人員發(fā)揮卞觀能動性進(jìn)行分析判斷的時候.不同構(gòu)件，同一構(gòu)件的不同部位所采用鋼筋的粗細(xì)，類型都是有講究的，配筋時要注意區(qū)別對待.所選鋼筋要綜合考慮構(gòu)件在強度，裂縫寬度等方面的要求，甚至要兼顧施工上的方便和可操作性.在此，基本概念又一次起到了重要的作用例如，梁板底部鋼筋用量算出后，在保持鋼筋用量及滿足規(guī)范規(guī)定的前提下，不妨選用直徑較小的鋼筋.不難看出，減小鋼筋直徑可以有效地控制裂縫寬度同樣的道理，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某個構(gòu)件的裂縫寬度驗算不滿足時，不要盲目地急于增加鋼筋用量，條件允許的情況卜有時只要將鋼筋直徑適當(dāng)減小就行了同是在板中，支座鋼筋則不然，一般不宜太細(xì)，有時甚至不惜增加鋼筋用量而提高其直徑.這主要是考慮在施工過程中，太細(xì)的鋼筋剛度小，容易給踩下，壓下，截面的有效高度無法保證，起不到抵抗支座彎矩的作用.又如柱子，鋼筋也以選用較粗的為宜，因為柱子往往承受較大壓力，粗的鋼筋剛度大，不易壓曲而將混凝上保護(hù)層崩裂，造成柱子破壞(地震等動力荷載作用下尤甚，在以往的震害中屢見不鮮)另外，又同是在同一構(gòu)件的住了中，粗的鋼筋應(yīng)該放在角部因