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结构概念设计的研讨3篇

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(一)

一、结构概念设计的一般方法

通过案例的学习,我们总结出了结构概念设计的一般方法:

(一)做好结构体系的选型

建筑结构选型,传统上是指根据建筑的形体要求、结构布置要求、构造要求等为其配型相应符合要求的结构体系的过程;而在结构概念设计中,结构选型和建筑设计是一个互相调和、互相指导的关系,因此在选型过程中还要考虑设计者对于设计构思的一些要素以及场地、客户需求等诸多方面的约束。一方面来说,各种结构体系的形式、材料、特点和构造各有优劣之势,再加上近年来出现的一大批新型结构体系和形式,在适应各方面需求上可谓五花八门;另一方面,建筑结构的设计约束在可靠性、实用性、舒适性等方面也各有侧重,如场地自身和周边条件的约束、政府有关部门的规划要求、业主关于建筑尺寸和造价的要求、建筑功能性的要求以及相关规范的强制性指标等。因为每项建筑结构的设计都受到了多项客观目标的影响,而且通常这些目标之间具有一定的矛盾性,若要提高某项目标的要求,往往以降低其他目标的要求为代价。而建筑结构概念设计,首当其冲就要考虑一种最为合理的方案,使这些相互矛盾的客观目标之间达到一定的平衡。所以说,结构体系的选型和优化是结构概念设计的核心。

(二)根据结构体系及其计算简图对结构进行优化

无论是常见的框架结构体系、剪力墙结构体系、筒体结构体系和框剪结构体系,还是各种新型结构,都有着各自的结构特点。在进行结构概念设计时,结构构件受力问题需要通过力学原理来进一步分析,有时甚至可以通过控制变量的方式对构件的形式进行优化。通过结构受力简图,就能更科学而直观的分析出结构的受力薄弱点和最大弯矩点等,尽可能使构件的受力状态以轴向受力为主,尽可能提高构件的截面惯性矩和抗弯、抗剪能力等。

(三)根据建筑的功能需求、空间需求等使用方面的约束对结构进行微调整合

建筑物本来就是一个空间使用体,所以结构概念设计要做到结构合理的同时顺应空间的使用,不造成使用障碍或影响空间质量。甚至可以达到建筑与结构的高度整合,让建筑的结构构件不仅仅只有承重功能,同时又具备建筑使用功能;结构直接作为建筑表达,大幅度精简建筑构件,使结构更加简洁高效。

二、以汽车4S店为例进行建筑结构概念设计

(一)设计课题汽车4s店。

(二)课题描述

为了市场拓展需求,某汽车销售有限公司欲在武汉市光谷创业街修建一个汽车4s专卖店,设计应体现汽车销售公司的企业风貌与特点,优化汽车专卖一条街的城市形态与空间环境。

(三)设计重点

在处理好功能流线以及与环境关系的基础上,关注建筑结构,特别是大跨结构的选择和设计。

(四)模拟过程

1.进行结构选型

根据维修车间的空间特点、跨度要求和该设计的规模,设计时选择了刚架结构中的门式刚架。这种单层刚架为梁柱合一的结构,梁柱截面高度小,造型轻巧,内部净空较大,比较适合维修车间这种较为工业化特征的功能空间,且钢筋混凝土结构门架符合维修车间15米跨度的要求。进一步选型为两铰刚架,考虑其基础无弯矩,可以做得小,既省料,地下施工的工作量也少;且铰接柱基构造简单,有利于梁柱采用预制构件。基于以上这些两铰刚架的优势,最终选取结构原型为门式两铰刚架。

2.对结构体系进行力学分析

两铰刚架为一次超静定结构,在竖向荷载或水平向荷载作用下,刚架内弯矩均比无铰刚架大。两铰刚架在基础处为铰支承,故当基础有转角时,对结构内力没有影响,但当两柱脚发生不均匀沉降时,则将在结构内产生附加内力。

3.根据建筑的各类约束对结构形式进行微调整合

(1)功能需求:为了便于维修,维修车间需要较大空间的前廊,我们考虑通过挑出的悬臂形成檐下空间。对结构受力分析得出弯矩图:可知在跨中和梁柱交接处弯矩最大,故在设计时将梁柱交接处截面尺寸做大一些。

(2)针对跨中弯矩较大的问题,优化结构:门式刚架中间拱起一个弧度,与弯矩图的弧度相对,有利于结构抵抗跨中弯矩。对其的力学定性分析:拱起一个弧度的梁在内力分析时相当于一个拱,与直梁相比,由于内力中轴力的大大加强,使得弯矩和剪力都小很多;从另一角度来看,与在梁上施加预应力道理相同。

(3)进一步与功能需求相调节:由于整个汽车4s店的售卖大厅、展厅、维修车间等功能流线之间的互相协调,需要将悬臂的一端远伸,使檐下空间扩大成车道。由弯矩图可知,由于悬臂的远伸,此端梁柱交接处的弯矩明显变大,故应采取一定的措施优化此结构。

(4)为了减轻悬臂端的负担,用拉索将悬臂端部与另一端伸出的突出端连接。在拉索上施加预应力之后,给悬臂一个拉力,使悬臂端下侧受拉,产生的弯矩与与悬臂自身悬挑产生的弯矩抵消,大大减小了结构弯矩,使受力更合理。

(5)综合结构受力分析和结构形态学等方面的因素,再加上造价等实用方面的考虑将维修车间的结构形式最终优化成如图所示的截面造型;最主要经过优化的两点就是结构截面尺寸的具体化以及室内空间天花板的处理(经实验数据表明,天花板由内向外倾斜可改善室内照度,改善了维修车间进深较大采光较差的缺点)。经过一整个过程的模拟,可以对结构概念指导建筑设计有更深层次的理解和体会,它的优势也很明晰的显现出来。我们并没有选择多么标新立异的结构体系,但是经过一系列优化整合,以结构的角度出发探讨建筑约束,再加上建筑美学、结构形态学的考虑,也创造出了令人眼前一亮的以结构为特色的建筑造型。

三、结语

建筑往往被认为是技术与艺术的结合,与建筑造型关系最为重要的是结构技术,结构技术的发展会带来新形式、新功能的需求,并产生新的审美观念,而这些需求又同时促进结构技术的发展。就像时下流行的绿色建筑技术,结构概念指导建筑设计在当今可持续社会、集约型社会的指导政策下也会有很好的发展前景。

作者:奥京单位:华中科技大学建筑与城市规划学院

(二)

一、幕墙结构概念设计

1.1幕墙结构概念设计的意义

首先我们应该明确什么是概念设计。概念设计就是凭借设计师的相关工作经验,以及根据幕墙的力学关系等,在不经过大量计算的情况下,便可以对幕墙的结构有一个从整体到细节的准确把控。其次,在实施概念设计时,我们用估算的方法参与设计,这样同样可以得出比较适合的设计方案。另外,估算法算出的数值可以为后期的精细精算,提供了一个可供参考的数据,是我们验证计算机所得出的精确数据的重要参考。所以幕墙结构的概念设计,对整个幕墙设计起重要作用与意义。

1.2幕墙结构概念设计的内容

1.2.1合理选择结构方案

建筑幕墙的设计成功与否,需要看其所选择的结构设计方案是否合理。结构对于幕墙来说相当重要,结构不同,幕墙就会产生不同的承受力、传感力,继而就会影响到幕墙的质量与稳定性。同时,幕墙结构设计不同,其设计成本也会不同。因此,为了选择出既满足质量要求要符合经济成本的幕墙设计,需要设计师,一方面充分了解施工的条件、材料的质量、幕墙的结构特点等;另一方面,要与其他设计师进行相互的交流与借鉴,集众人的智慧选择最合理的方案。

1.2.2选用恰当的计算简图

“失之毫厘谬以千里”,计算是结构设计的重要一环,数值的准确性,不仅关系到我们结构设计的选取,还关系到工程的施工安全与质量控制,因此,我们要谨慎计算。建筑结构计算不是简单的数值计算,需要在计算简图上开展,即使在计算过程中,小心谨慎,但是若简图选择不当,也会产生计算错误。所以需要选择恰当的计算简图来配合建筑幕墙的结构设计。

1.2.3正确分析计算结果

计算机技术的不断成熟,使得计算机成为了我们生活中必不可少的工具。计算机计算,已经逐渐取代人工计算成为了社会发展的一个趋势。一方面,我们需要选取那些质量过硬、口碑较好、技术水平高,且符合使用条件的软件;另一方面,对于计算机算出的数值,还需要凭借设计师的工作经验来进行分析与校对,以此来保证计算结果的准确性。

1.2.4采取相应的构造措施

连接节点的设计是否合理,直接关系到整个结构的质量是否可靠。因此,在进行幕墙结构设计时,要十分关注结构连接节点的设计,不要出现焊缝的遗漏等。

二、幕墙结构设计应考虑因素及步骤

2.1幕墙结构设计应考虑因素

(1)建筑师提出幕墙的整体面板布局和分格处理。

(2)看建筑师和客户对幕墙有无特殊要求,如选取何种结构型式,选取何种使用材料等。

(3)由于幕墙是在主题结构外的,所以要十分熟悉建筑物的主体框架,让幕墙与主体框架完美结合。

(4)根据受力特点、预算资金、使用条件等因素来选择合理的结构型式。

2.2其他

此外,需要注意的幕墙结构设计有:

(1)在进行幕墙结构设计时,要谦虚征求来自设计院的意见,加强和结构设计人员的交流。尽量在设计前期就做好对整个工程的预测与把控,防止设计不当造成后期的工程返工。

(2)虽然幕墙结构本身,对于美观性有一定的要求,但是不能为了追求设计的美观,忽视对建筑安全的考虑。因此,对于幕墙的结构设计要严格按照相关规定来进行合理的结构型式定位,确保把安全作为幕墙结构设计的大前提。

(3)幕墙由于是建筑物的外围结构,所以不用承受主体建筑的负荷,但是这并不意味着,幕墙的设计就无需考虑主体建筑的需求。主体建筑发生形变,同样会影响到幕墙的结构安全。因此,幕墙结构设计要将主体建筑的形变考虑在内。

作者:黄江陵单位:恩施州同欣工程建设监理咨询有限责任公司

(三)

一、协同工作与结构体系

目前状况下,协同工作的概念在工业产品的设计与制造中已经有较为广泛的使用。无论是何种工业产品,我们都希望它能够达到应有的设计寿命,同时希望其破损率越低越好。而从建筑结构方面来看,协同工作的概念就是要求结构内部的各个构建能够进行有效的配合,并在积极配合之下高效工作。这对结构构建提出了更高的要求,不仅要求它能够在承载能力极限状态下共同受力,协同工作,同时又要求其能够达到共同的耐久寿命。对于结构的协同工作而言,它突出表现在基础与上部结构的关系之上,因此必须将基础与上部结构有机的结合起来,并视为一个统一整体。在对协同工作进行理解时,应当充分抓住结构受力状态。在结构受力时,结构中的各个构件同时达到较高的应力水平。而在对多高层结构进行设计时,应当对短柱进行有效的避免,这样做的主要目的是使同层各柱在相同的水平位移时,能同时达到最大承载能力。然而随着建筑物高度以及层数的不断增加,巨大的竖向以及水平荷载促使底层截面逐渐变大,进而导致高层建筑的底部数层出现了大量的短柱。为了对这一现象进行有效的避免,可以对柱截面开竖槽,这样一来,原本的矩形柱就转变成了田形柱,进而使得其长细比得到一定程度上的增加,就达到了避免短柱出现的目的。而对于梁的跨高比的限制来说,由于梁的剪力逐渐增大,会在一定程度上促使支承柱的轴力出现较大程度上的增大,而这种设计是与协同工作的原则相违背的。除此之外,结构的造价必然会出现较大程度的上升。多高层结构设计的主要目的即是为了抵抗水平力的作用,防止扭转,为有效的抵抗水平力作用,平面上两个正交方向的尺寸宜尽量接近,目的是保证这两个方向上的“惯性矩”相等,以防止一个方向强度(稳定性)储备太大,而另一个方向较弱。

二、协同工作与材料利用率

协同工作的设计除了能够对结构体系进行有效维护以外,还能够在一定程度上合理运用材料。一般情况下,材料的利用率越高,即应力水平越高,,相应的该结构的协同工作程度也会发生较大程度上的提高。结合我国的国情,我国仍处于发展中国家,结构设计的目的就是提高资金利用效率,简单来说,就是花最少的钱做最好的建筑,因此,在设计时对材料进行合理而有效的利用就显得十分重要。矩形截面梁是最普通的受弯构件,其材料的利用效率相对较低,这主要有连个方面的原因:一方面,靠近中和轴的材料应力水平较低;另一方面,梁的弯矩沿梁长一般是变化的,这样一来,对于等截面梁而言,其大部分区段,即使是拉、压边缘,其应力水平均较低。对这种受力特点进行充分的结合,并对结构概念进行有效的使用,在此基础之上对其进行分析,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,于是就出现了平面桁架。如果仅仅是对截面进行增大,这样所取得的效果并不明显。尤其是对上弦杆来说,应当努力增加其平面外的刚度,同时提供平面外的约束。如果把这些平面外的支撑再连接成桁架,这样就使平面桁架变为平面交叉桁架,最后发展为空间网架。对于空间网架来说,其材料运用效率相对较高,应力水平高,因此能够在大跨度、大空间的结构中得到较为广泛的使用。

三、结束语

本文主要针对建筑结构设计中的概念设计及结构措施进行研究与分析。首先阐述了概念设计的重要性,然后在此基础之上分别分析了协同工作与结构体系以及协同工作与材料利用率。概念设计日益重要,这就给结构工程师提出了更高的要求,要求他们掌握深厚额基本理论基础,并不断发展、完善与创新,做出更好的设计。希望我们的研究能够够给读者提供参考并带来帮助。

作者:王明单位:辽宁省铁岭市规划设计研究院

结构概念设计的研讨3篇责任编辑:陈老师    阅读:人次