概念设计于结构设计中的重要性
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摘 要：本文诠释了概念设计对结构工程师的重要，讲述了概念设计的内涵、重要性，并从结构总体概念设计、结构细部构造及材料利用率三方面来分析如何重视概念设计。
关键词：结构设计；概念设计；重要性
前言：一般认为，结构工程师会随着经验的不断积累，其设计成果也越来越创新完善。遗憾的是，随着社会分工的细化，大部分结构工程师只会依赖规范、设计手册、计算机程序做习惯性传统设计，缺乏创新，更不愿创新。究其原因他们对结构概念设计研究的不深入、重视度不够。
1.概念设计的内涵
概念设计是建筑工程师从宏观原则上对建筑物进行评价、鉴别、选择等处理，再辅以必要的计算和构造措施，从而消除建筑物抗震的薄弱环节，以达到合理的抗震设计目的。即从结构总体方案设计一开始，就运用人们对建筑结构抗震已有的知识去处理结构设计中遇到的问题。由于概念设计的范围极广，因此不仅要分析总体方案确定的原则，还要顾及材料的合理利用和关键部位的细部构造。
2.概念设计的重要性
2.1概念设计是展现先进设计思想的关键，一个结构工程师的主要任务就是在特定的建筑空间中用整体的概念来完成结构总体方案的设计，并有意识地处理构件与结构、结构与结构的关系。
2.2可以弥补结构设计理论与计算理论的缺陷
现行的结构设计理论与计算理论存在许多缺陷或不可计算性，比如对混凝土结构设计，内力计算是基于弹性理论的计算方法，而截面设计却是基于塑性理论的极限状态设计方法，这一矛盾使计算结果与结构的实际受力状态差之甚远，为了弥补这类计算理论的缺陷，或者实现对实际存在的大量无法计算的结构构件的设计，都需要优秀的概念设计与结构措施来满足结构设计的目的。
2.3可以弥补方案设计阶段的缺陷
方案初步设计过程是不能借助于计算机来实现的，这就需要结构工程师综合运用结构概念设计，选择经济合理且效果最佳的结构方案。为此，需要工程师不断地丰富自己的结构概念，了解各类结构的性能，并能有意识地、灵活地运用它们。
3.重视结构总体概念设计
3.1多道防线设计理念
当建筑结构受到强烈地震动主脉冲卓越周期的作用时，一方面利用结构中增设的赘余杆件的屈服和变形，来耗散地震输入能量；另一方面利用赘余杆件的破坏和退出工作，使整个结构从一种稳定体系过渡到另一种稳定体系，实现结构周期的变化，以避开地震动卓越周期长时间持续作用所引起的共振效应。这种通过对结构动力特性的适当控制，来减轻建筑物的破坏程度，是对付高烈度地震的一种经济有效的方法。
3.2延性耗能的控制
结构延性一般用延性系数表示，它表示的是结构极限变形与屈服变形的比值，也可以分别用位移延性系数，转角延性系数等来表示，该比值越大，结构的延性越好。在建筑结构的整体设计上要注意加强薄弱环节，尽量做到等强度。同时，应使建筑结构在一个恰当的部位能消耗大量的能量。
3.3妥善处理非结构部件
非结构部件一般是指在通常结构分析中不考虑承受重力荷载以及风、地震等侧力荷载的部件，如内隔墙，框架填充墙，建筑处围墙板，楼梯等。实际上，在地震作用下，高层建筑中的这些部件或多或少地参与工作，从而改变了整个结构或局部构件的刚度，承载力和传力路线，造成未曾估计到的局部震害。在钢筋混凝土框架体系的高层建筑中，这些影响最为普遍。
(1)砌体填充墙的抗震作用：①使结构刚度增大，自振周期缩短，水平地震力增大30%~50%。②改变了结构的地震剪力分布状况。③砌体填充墙具有较大的抗推刚度，限制了框架的变形，从而减小了整个结构的地震侧移幅值。
(2)柱端震害，在地震中，角柱上端被嵌砌于框架间的砖墙顶断。这是典型的柱端震害。在框架体系设计中必须考虑，并采取恰当的预防措施。
(3)形成短柱破坏。采用钢筋混凝土框架的高层建筑，就框架柱的受力状况和破坏形态而言，一般情况下属于长柱。由于窗裙墙对框架柱的刚性约束，减短了柱的有效长度，使它变成了短柱，承担的地震力大增，发生剪切破坏。因此，采用贴砌围护方案或墙、柱柔性连接方案都是防止短柱破坏的有效手段。否则沿柱的全高，柱身箍筋的配置均应符合短柱的规定。
4.加强结构细部构造的设计
4.1当结构受力时，结构中的各个构件能同时达到较高的应力水平。在多高层结构设计时，应尽可能避免短柱，其主要的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，但随着建筑物的高度与层数的加大，巨大的竖向和水平荷载使底层柱截面越来越大，从而造成高层建筑的底部数层出现大量短柱，为了避免这种现象的出现，对于大截面柱，可以通过对柱截面开竖槽，使矩形柱成为田形柱，从而增大长细比，避免短柱的出现，这样就能使同层的抗侧力结构在相近的水平位移下，达到最大的水平承载力。
4.2对于梁的跨高比的限制，实际上与长短柱混杂的效果一样，长、短梁在同一榀框架中并存，也是极为不利的，短跨梁在水平力的作用下，剪力很大，梁端正、负弯矩也很大，其配筋全部由水平力决定，竖向荷载基本不起作用，甚至于梁端正弯矩钢筋也会出现超筋现象，同时，由于梁的剪力增大，也会使支承柱的轴力大幅增大，这种设计是不符合协同工作原则的，同时，结构的造价必将会上升。
4.3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储备太大，而另一个方向较弱，因此，抗侧力结构宜设置在四周，以增大整体的抗侧刚度及抗扭惯性矩，同时，应加大梁或楼层的刚度，使柱能承担较大的整体弯矩，这就是“转换层”的概念。
5.充分提高材料利用率
5.1材料利用率越高，说明该结构的协同工作程度也越高。结构设计对材料的充分利用，可从梁类构件的演变看出。矩形截面梁是最普通的受弯构件，它的材料利用率很低，原因有二：一方面是靠近中和轴的材料应力水平低，另一方面是梁的弯矩沿梁长一般是变化的，这样对等截面梁来说，大部分区段，即使是拉、压边缘，其应力水平均较低。
5.2针对梁的这种受力特点，用结构概念分析，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，平面桁架可以理解成“掏空”的梁――将梁中多余材料去除，既经济，又降低自重；故桁架的上弦相应于梁的受压边，下弦相应于受拉钢筋。规则桁架中腹杆的受力（拉、压）与梁中主拉、压应力方向一致，根据上述分析，还可以将桁架的外形设计为与弯矩图相似的形状，从而使桁架的弦杆受力均匀。由于桁架中大量存在压杆，压杆的强度往往由其稳定性决定，而不是由杆件截面材料强度决定，因此，在平面桁架的设计过程中，应设法降低压杆的长细比。
5.3空间网架的材料利用率高，应力水平高，故在大跨度、大空间结构中广泛使用，但网架结构中仍然存在压杆，压杆的应力水平不可能太高，这样高强材料就不能使用。因此，努力减少或消除结构中的压杆，就使我们找到了悬索结构，悬索结构中所有的“杆件”均为拉杆，这样就使悬索结构中杆件的应力水平极高，材料利用率极大，高强材料得以充分利用，还可施加预应力。因而在超大跨度的结构中，悬索结构是首选的结构类型。就混凝土基本理论的发展来看，也体现了使各种材料充分发挥性能，并相互协同工作的特点。