不需要计算机的建筑结构优化―概念设计

发表于2006-08-24 1547人浏览 1人跟帖总热度:10

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不需要计算机的建筑结构优化―概念设计
1概述
电子计算机在建筑结构设计中的应用,使设计水平提高到一个前所未有的高度.设计人员不需要做枯燥繁重的力学计算却能得到更为精确的结果;较为先进的设计软件只要设计者将结构布置方案,一些设计参数输入以后,便能自动地进行分析计算,并画出施工图面对如此方便的设计手段,许多人,特别是对结构设计还只是一知半解的本专业在校学生不禁感慨:设计软件如此傻瓜化,普通人经一两个月培训也照样可以做设计,学那么多计算分析理论有什么用事实上,这正是在计算机辅助设计高度发达的今天,应该如何认识人在设计过程中所扮演的角色问题人与机器的不同很重要的一方面就在于人具有主观能动性,计算机把设计师从机械的公式运算中解放出来,设计人员更应该依据基础理论知识和实践经验,把精力放在公式不能解决的问题上.通过主观分析判断作出选择,力求得到最为经济,合理的设计方案,也就是说设计人员主要应该从事概念设计
结构设过程中,所谓的概念设计,是指设计人员在从结构选型,布置,分析计算,截面设计到细部处理的整个设计过程中,对所遇到的问题依据建筑结构在各种情况下丁作的一般规律(主要是建筑,结构专业的基础理论),结合实践经验,综合考虑各方面因素,确定合理的分析,处理方法,力求得到最为经济,合理的结构设计方案对于同一建筑方案,可以有许多不同的结构(包括基础)布置方案;确定了结构布置的建筑物,即使在同种荷载情况下也存在不同的分析方法;分析过程中设计参数,材料,荷载的取值也不是惟一的;建筑物细部的处理更是不尽相同等等,这些问题目前计算机是无法完全解决的,都需要设计人员自己作出判断.而判断只能在结构设计的一般规律指导下,根据工程实践经验进行,这便是前面所说的概念设计.因此,概念设计存在于设计师对多种备选方案进行选择的过程中概念设计所要处理的问题多种多样但可以肯定的是,希望通过概念设计,结构能够在各种不期而遇的外部作用下坏,或将破坏减小到最小程度因此,分析如何应付建筑物可能遭遇的各种不确定因素成为概念设计的重要内容.其中,地震作用最为难以琢磨,破坏性也最大.故而,设计过程中就应该未雨绸缪,从计算及构造等各个方面都要采取助于提高抗震能力的措施,不利于抗震的作法则应尽量避免.刚度均匀,对称是减小地震在结构中产生不利影响的重要手段;延性设计则能有效防止结构在地震作用下发生脆性破坏;多道设防思想能使建筑在特大地震作用下次要的构件先破坏,消耗一部分地震能量,起到丢车保帅的作用1这些抗震设防思想在整个设计过程中都应该作为概念设计的重要指导思想.提倡深人概念设计的意义显而易见.进行概念设计可以得到相对合理的方案,这不仅能使结构更为有效地抵抗外来因素的作用,以最快的方式将荷载传递到基础,地基中,给人们创造更为安全,舒适的工作和生活环境,而且可以节约大量的建筑材料,资金等以下,作者就设计过程的几个方面谈谈自己对概念设计的看法
a结构布置过程中的概念设计
结构布置时,整体上应抓住整体结构的工作原理和抗震设计的基本原则,尽量减小对杭震十分不利的扭转效应和刚度突变,使所有构件团结起来-致对外,减少不必要的内耗;局部上可从单个构件力学性能及破坏特点出发,使所有构件适得其所,各尽所能,扬长避短与建筑师合作,做好整体的选型和布置.建筑是凝固的艺术,建筑师总是希望通过建筑物表达自己的设计意图,力求艺术性和实用性的完美结合.结构师在保证安全性的前提下,当然应该敢于挑战新的结构形式,使建筑师的意图得以实现.对-般的单层和多层建筑,结构上的问题一般都可以处理,可以让建筑师大体完成建筑设计方案后,结构再介入,进行结构设计.但是对于高层建筑,就应该从概念上清楚地认识到其区别于低层建筑的特点:起控制作用的已不再是竖向荷载,而主要是风和地震作用的水平荷载.这时结构师在建筑初步设计阶段就应该开始介人探讨其平面和竖向布置的合理性在基本满足建筑师设计意图的基础上,平面布置应尽量规则,对称,尽量缩小质量中心和刚度中心的差异;使建筑物在水平荷载作用下不致产生太大的扭转效应.竖向布置上,在满足功能要求的前提下,尽量使竖向承重构件上下贯通,结构中很忌讳那种上部好几层有墙,有柱,下部反而没有,墙,柱直接搁在梁卜的情况;能不使用转换层的就避免,以减小结构分析和设计上的困难,另外也不经济,还容易造成应力集中;竖向刚度最好不要突变,而要渐变,否则突变处在水平荷载作用下会出现严重的应力集中现象,这对结构抵抗水平动力荷载是十分不利的建筑师确定建筑方案后,结构也应综合考虑各面因素,尽量采用最简单,最经济,合理的方案.各个受力构件的布置要全面考虑它可能承受的各种荷载.竖向承重构件(柱,剪力墙)不仅是将竖向荷载传递到基础上,同时还要承受风和地震等水平荷载,有时还有温度应力.因此,布置时还要注意将它放在有利于承受水平荷载和温度应力的位置.如剪力墙的布置,将它对称地布置于两边可以抵抗较大的扭转作用,但又要注意外墙设为剪力墙对太阳照射引起的温度变化敏感,会产生较大的不必要的温度应力;同理,也要尽量避开建筑物内部温度变化较大的热源.除此之外,还要考虑楼板刚度是否满足整体工

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奖励于 2006-08-25 05:28:56

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yaoguobin

发表于2006-08-24 | 只看该作者

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3地基基础中的概念设计
地基土的不确定性很强，至今还没有哪个模型能够对其作精确的描述.因此，在地基基础的设计中，更需要根据基本理论知识以及丰富的实践经验，分析，预见可能出现的各种问题，从而找到最合理的处理方案_可见“概念设计在地基，基础中更为重要建筑结构设计常规的方法是将上部结构，基础和地基二者作为彼此独立，离散的结构单元进行力学分析.实践表明，这种常规法计算得到的基底应力和基础沉降量往往与实测值天差地别.事实上，地基基础问题的解决不宜单纯着眼于地基基础.另一方面，上部结构设计过程中.也应该注意由于地基沉降变形差异而引起的上部结构次应力，开裂等不良现象.故而，更应该把地基，基础与上部结构视为一个统一的整体，从三者相互作用的概念出发来考虑地基基础方案.当然，枯体的相互作用分析相当复杂，合理的方法应该从二者之间满足静力平衡和变形协调两个条件出发进行分析.这种方法还处于进一步研究阶段，必须有专业人员才能实施，，般的房屋建筑通常还是采用常规方法.但是，设计人员除了具备土力学，地基基础的基本理论知识外，还应该掌握地基一基础一r部结构相互作用的基本概念，原理，了解基础刚度变化对上部结构内力的影响，上部结构对基础变形的约束作用，以及采用不同地基计算模型可能在基础和上部结构中产生的差异，这样，在基础选型，布置以及地基模型，参数的选取时，才能够从共同作用的角度加以考虑，力求设计出最为经济，合理的地基基础方案.
4截面设计中的概念设计
截面设计过程中，表面上看只是按照截面的控制内力对构件进行正截面，斜截面等相关计算，而后配筋就行了，事实卜概念设计也无处不在.当然，其中不乏已被设计规范录为条款而明文规定，如框架结构中强柱弱梁，强剪弱弯，强节点，强锚固等重要抗震设防思想.这些在规范中都具体给出了保证其满足的验算公式，设计中定要无条件地遵守.但是，实际设计过程疏忽遗漏的现象屡见不鲜.在高度电算化的今天，使用TAT软件进行内力分析，计算出配筋并画出平面图后，设计人员一般还会凭经验对配筋作适当调招.如感觉框架梁，柱配筋偏小，于是凭经验将梁柱钢筋用量或直径调大.但是调整往往是直接在图卜进行的，而目_调整之后并没有再作一些必要的验算，这时不满足强柱弱梁这一重要抗震计原则的情况可能就出现了计算出钢筋用量后，相同的钢筋用量还有多种不同的配筋方式，因此又到了设计人员发挥卞观能动性进行分析判断的时候.不同构件，同一构件的不同部位所采用钢筋的粗细，类型都是有讲究的，配筋时要注意区别对待.所选钢筋要综合考虑构件在强度，裂缝宽度等方面的要求，甚至要兼顾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，梁板底部钢筋用量算出后，在保持钢筋用量及满足规范规定的前提下，不妨选用直径较小的钢筋.不难看出，减小钢筋直径可以有效地控制裂缝宽度同样的道理，当发现某个构件的裂缝宽度验算不满足时，不要盲目地急于增加钢筋用量，条件允许的情况卜有时只要将钢筋直径适当减小就行了同是在板中，支座钢筋则不然，一般不宜太细，有时甚至不惜增加钢筋用量而提高其直径.这主要是考虑在施工过程中，太细的钢筋刚度小，容易给踩下，压下，截面的有效高度无法保证，起不到抵抗支座弯矩的作用.又如柱子，钢筋也以选用较粗的为宜，因为柱子往往承受较大压力，粗的钢筋刚度大，不易压曲而将混凝上保护层崩裂，造成柱子破坏(地震等动力荷载作用下尤甚，在以往的震害中屡见不鲜)另外，又同是在同一构件的住了中，粗的钢筋应该放在角部因为作为空间构件的柱子是双向受弯的，最大的正应力出现在角部，将粗的钢筋置于角部才能物尽其用.
5构造措施―概念设计的重要内容
结构设计过程中，计算分析只能保证建筑物在静力荷载，地震等动力荷载作用下整休的安全性以往出现的工程质量问题，震害表明，单纯靠计算分析很难避免建筑物在荷载作用下局部的破坏，开裂特别是在地震过程中，建筑物附属部分严重破坏，墙体整片倒塌，某些构件脆性破坏等现象都不是纯粹靠计算能解决的问题.对这种情况，采取必要的构造

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