不需要計(jì)算機(jī)及建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化—概念設(shè)計(jì)

1、不需要計(jì)算機(jī)的建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化概念設(shè)計(jì)李育楷王全鳳(華橋大學(xué)土木工程系泉州362011)摘要:用明了概念設(shè)計(jì)的定義及進(jìn)行概念設(shè)計(jì)的意義,強(qiáng)調(diào)I計(jì)算機(jī)輔助設(shè)汁高度發(fā)達(dá)的今天結(jié)構(gòu)上程師主要.從事概念設(shè)計(jì).并且從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程的一選方面闡述了如何進(jìn)行概念設(shè)I卜關(guān)銳詞:概念設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)STRUCTURAL OPTIMIZATION WITHOUT THE USE OF COMPUTERCONCEPTUAL DESIGN1概述電子計(jì)算機(jī)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,使設(shè)計(jì)水平提高到一個(gè)前所未有的高度.設(shè)計(jì)人員不需要做枯燥繁重的力學(xué)計(jì)算卻能得到更為精確的結(jié)果;較為先進(jìn)的設(shè)計(jì)軟件只要設(shè)計(jì)者將結(jié)構(gòu)布置方案,一些設(shè)計(jì)參數(shù)輸

2、入以后,便能自動(dòng)地進(jìn)行分析計(jì)算,并畫(huà)出施工圖面對(duì)如此方便的設(shè)計(jì)手段,許多人,特別是對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還只是一知半解的本專業(yè)在校學(xué)生不禁感慨:設(shè)計(jì)軟件如此傻瓜化,普通人經(jīng)一兩個(gè)月培訓(xùn)也照樣可以做設(shè)計(jì),學(xué)那么多計(jì)算分析理論有什么用事實(shí)上,這正是在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)高度發(fā)達(dá)的今天,應(yīng)該如何認(rèn)識(shí)人在設(shè)計(jì)過(guò)程中所扮演的角色問(wèn)題人與機(jī)器的不同很重要的一方面就在于人具有主觀能動(dòng)性,計(jì)算機(jī)把設(shè)計(jì)師從機(jī)械的公式運(yùn)算中解放出來(lái),設(shè)計(jì)人員更應(yīng)該依據(jù)基礎(chǔ)理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),把精力放在公式不能解決的問(wèn)題上.通過(guò)主觀分析判斷作出選擇,力求得到最為經(jīng)濟(jì),合理的設(shè)計(jì)方案,也就是說(shuō)設(shè)計(jì)人員主要應(yīng)該從事概念設(shè)計(jì).結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中,所謂的概念設(shè)

3、計(jì),是指設(shè)計(jì)人員在從結(jié)構(gòu)選型,布置,分析計(jì)算,截面設(shè)計(jì)到細(xì)部處理的整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中,對(duì)所遇到的問(wèn)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn),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(jì),合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案對(duì)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(guò)程中設(shè)計(jì)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(wèn)題目前計(jì)算機(jī)是無(wú)法完全解決的,都需要設(shè)計(jì)人員自己作出判斷.而判斷只能在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般規(guī)律指導(dǎo)下,根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行,

4、這便是前面所說(shuō)的概念設(shè)計(jì).因此,概念設(shè)計(jì)存在于設(shè)計(jì)師對(duì)多種備選方案進(jìn)行選擇的過(guò)程中概念設(shè)計(jì)所要處理的問(wèn)題多種多樣但可以肯定的是,希望通過(guò)概念設(shè)計(jì),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(jì)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(jì)過(guò)程中就應(yīng)該未雨綢繆,從計(jì)算及構(gòu)造等各個(gè)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(duì)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(jì)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

5、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(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中都應(yīng)該作為概念設(shè)計(jì)的重要指導(dǎo)思想.提倡深人概念設(shè)計(jì)的意義顯而易見(jiàn).進(jìn)行概念設(shè)計(jì)可以得到相對(duì)合理的方案,這不僅能使結(jié)構(gòu)更為有效地抵抗外來(lái)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(jì)過(guò)程的幾個(gè)方面談?wù)勛约簩?duì)概念設(shè)計(jì)的看法2結(jié)構(gòu)布置過(guò)程中的概念設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)布置時(shí),整體上應(yīng)抓住整體結(jié)構(gòu)的工作原理和抗震設(shè)計(jì)的基本原則,盡量減小對(duì)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(tuán)結(jié)起來(lái)一致對(duì)外,減少不必要的內(nèi)耗;局部上可從單個(gè)構(gòu)件力學(xué)性能及破壞特點(diǎn)

6、出發(fā),使所有構(gòu)件適得其所,各盡所能,揚(yáng)長(zhǎng)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(guò)建筑物表達(dá)自己的設(shè)計(jì)意圖,力求藝術(shù)性和實(shí)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(shí)現(xiàn).對(duì)般的單層和多層建筑,結(jié)構(gòu)上的問(wèn)題一般都可以處理,可以讓建筑師大體完成建筑設(shè)計(jì)方案后,結(jié)構(gòu)再介入,進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).但是對(duì)于高層建筑,就應(yīng)該從概念上清楚地認(rèn)識(shí)到其區(qū)別于低層建筑的特點(diǎn):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(shí)結(jié)構(gòu)師在建筑初步設(shè)計(jì)階段就應(yīng)該開(kāi)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(jì)意圖的基礎(chǔ)上

7、,平面布置應(yīng)盡量規(guī)則,對(duì)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(méi)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(jì)上的困難,另外也不經(jīng)濟(jì),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(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象,這對(duì)結(jié)構(gòu)抵抗水平動(dòng)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(jiǎn)單,最經(jīng)濟(jì),合理的方案.各個(gè)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

8、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(shí)還要承受風(fēng)和地震等水平荷載,有時(shí)還有溫度應(yīng)力.因此,布置時(shí)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(duì)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(duì)太陽(yáng)照射引起的溫度變化敏感,會(huì)產(chǎn)生較大的不必要的溫度應(yīng)力;同理,也要盡量避開(kāi)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(duì)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(jiǎn)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

9、載往往要經(jīng)過(guò)好幾級(jí)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(jì),而且勢(shì)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(jiǎn)單,有利.同時(shí)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(yùn)用力學(xué)基本概念進(jìn)行定性分析,在結(jié)構(gòu)布置時(shí)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?？砂唇?jīng)驗(yàn)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(diǎn),應(yīng)該借助基本理論來(lái)做大體L的分析,有時(shí)根據(jù)需要甚至?xí)〕^(guò)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(shí),往往會(huì)取偏大的值.因?yàn)榭蛞?/p>

10、剪結(jié)構(gòu)協(xié)同工作的原理就是假定樓板的剛度無(wú)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(shí)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(gè)難題,增加板厚可以延長(zhǎng)耐火時(shí)間,對(duì)高層建筑消防爭(zhēng)取時(shí)很有好處3地基基礎(chǔ)中的概念設(shè)計(jì)地基土的不確定性很強(qiáng),至今還沒(méi)有哪個(gè)模型能夠?qū)ζ渥骶_的描述.因此,在地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)中,更需要根據(jù)基本理論知識(shí)以及豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),分析,預(yù)見(jiàn)可能出現(xiàn)的各種問(wèn)題,從而找到最合理的處理方案_可見(jiàn)'概念設(shè)計(jì)在地基,基礎(chǔ)中更為重要建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dú)立,離散的結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行力學(xué)分析

11、.實(shí)踐表明,這種常規(guī)法計(jì)算得到的基底應(yīng)力和基礎(chǔ)沉降量往往與實(shí)測(cè)值天差地別.事實(shí)上,地基基礎(chǔ)問(wèn)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(jì)過(guò)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(kāi)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(gè)統(tǒng)一的整體,從三者相互作用的概念出發(fā)來(lái)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(gè)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(shí)施,般的房屋建筑通常還是采用常規(guī)方法.但是,設(shè)計(jì)人員除了具備土力學(xué),地基基礎(chǔ)的基本理論知識(shí)外,還應(yīng)該掌握地基一基礎(chǔ)一r部結(jié)構(gòu)相

12、互作用的基本概念,原理,了解基礎(chǔ)剛度變化對(duì)上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響,上部結(jié)構(gòu)對(duì)基礎(chǔ)變形的約束作用,以及采用不同地基計(jì)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(shí),才能夠從共同作用的角度加以考慮,力求設(shè)計(jì)出最為經(jīng)濟(jì),合理的地基基礎(chǔ)方案.4截面設(shè)計(jì)中的概念設(shè)計(jì)截面設(shè)計(jì)過(guò)程中,表面上看只是按照截面的控制內(nèi)力對(duì)構(gòu)件進(jìn)行正截面,斜截面等相關(guān)計(jì)算,而后配筋就行了,事實(shí)卜概念設(shè)計(jì)也無(wú)處不在.當(dāng)然,其中不乏已被設(shè)計(jì)規(guī)范錄為條款而明文規(guī)定,如框架結(jié)構(gòu)中強(qiáng)柱弱梁,強(qiáng)剪弱彎,強(qiáng)節(jié)點(diǎn),強(qiáng)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(yàn)算公式,設(shè)計(jì)中定要無(wú)條件地遵守.

13、但是,實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程疏忽遺漏的現(xiàn)象屢見(jiàn)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(jì)算出配筋并畫(huà)出平面圖后,設(shè)計(jì)人員一般還會(huì)憑經(jīng)驗(yàn)對(duì)配筋作適當(dāng)調(diào)招.如感覺(jué)框架梁,柱配筋偏小,于是憑經(jīng)驗(yàn)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(méi)有再作一些必要的驗(yàn)算,這時(shí)不滿足強(qiáng)柱弱梁這一重要抗震計(jì)原則的情況可能就出現(xiàn)了計(jì)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(jì)人員發(fā)揮卞觀能動(dòng)性進(jìn)行分析判斷的時(shí)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(shí)要注意區(qū)別對(duì)待.所選鋼筋要綜合考慮構(gòu)件在強(qiáng)度,裂縫寬度等方面的要求,甚至要兼顧

14、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(gè)構(gòu)件的裂縫寬度驗(yàn)算不滿足時(shí),不要盲目地急于增加鋼筋用量,條件允許的情況卜有時(shí)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(shí)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(guò)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(wú)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?yàn)橹油惺茌^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(dòng)力荷載作用下尤甚,在以往的震害中屢見(jiàn)不鮮)另外,又同是在同一構(gòu)件的住了中