曹亚峰

（中铁十二局集团有限公司，山西 太原 030024）

1 建筑结构概念设计的概念

1.1 概念设计的定义

建筑结构概念设计是依靠结构工程师自身的专业理论知识，丰富的工程设计经验，通过一些震害分析、结构实验等成果研究的基础上对建筑结构进行结构选型、内力传递分布、构件与结构整体的关系处理的思想理念。结构概念设计既要分析总体布置上的大原则，也要关注关键部位的细节问题。建筑结构体系尽量采用抗震能力强、延性好、耗能能力强、便于施工的具有多道设防的结构体系[1]。经常用到的概念设计思想有在结构整体布置上采用多道抗震防线思路，在结构整体计算过程中采用轴压比、剪压比、体积配箍率等参数控制提高结构延性的措施，在结构构件设计中采用强柱弱梁、强剪弱弯、强节点锚固等。

1.2 关于概念设计的一点认识

关于概念设计，笔者结合对专业理论的理解谈一谈看法。概念设计是以较高的站位引导结构设计的理念，要具备“一览众山小”的高度站位，而非“横看成岭侧成峰，远近高低各不同，只缘身在此山中”的低站位状态，更非是“盲人摸象”式的唯心主义观点。所以在概念设计的分析处理中既要尊重科学理论，也要尊重客观事实，看问题要以站得高，望得远的态度分析问题，解决问题。其实大自然中本就存在有助于理解概念设计的元素，比如大家熟悉的竹子，给大家的印象是树干结实，身材修长，竹子其实是名副其实的“高层专家”，竹子有6 个基本特点：①竹子高度与其截面比值较大；②竹子是空心的；③竹子是一节一节组成的；④竹子的截面是圆形的；⑤竹子外皮坚硬且有韧性；⑥竹子整体较柔，随风飘动却不易造成树干损坏。竹子的这6 个基本特点与建筑结构概念设计有异曲同工之妙，竹子高度与其截面比值较大，也就是专业上说的高厚比较大；竹子是空心的，大家都知道建筑构件外形尺寸相同的情况下，空心的比实心的惯性矩大，抗侧刚度较大，抵抗外力能力较强，并且重量较轻，地震作用下受力较小；竹子是一节一节组成的，每一竹节就像是建筑单体的楼板，均匀分割减少竖向构件的计算长度，或者说是超高层建筑设置的加强层，有利于加强建筑单体的整体性，同时降低建筑结构水平位移；圆形截面是结构竖向构件中受力最合理的截面形式，符合概念设计中的布置简单、规则、对称的特点；竹子外皮坚硬且有韧性，就好比是建筑结构平面布置中的周边竖向构件，或者说是竖向构件设置的纵向钢筋，钢筋是弹性材料，有较高的强度和延性，再或者说是剪力墙结构中的边缘构件等等，竹子这一材料特点符合日常所说的“金角银边白肚皮”的竖向构件布置原则；竹子整体较柔，就好比建筑结构强度适中，且具备一定延性，遇到地震作用通过建筑材料的性能提供合理的刚度保证结构安全，通过结构产生位移消耗地震作用以降低结构构件受力[2]。

通过有关结构规范、技术标准的学习，理论联系实际，结合建筑结构设计经验以及与大自然有异曲同工之妙的生物比照，对于结构设计人员加强建筑结构概念设计的思想认识、系统提高概念设计能力、熟练应用结构相关规范条文无疑是一种好的方法。

2 概念设计在建筑结构设计中的应用范围

概念设计贯穿于建筑结构设计始终，其中包括方案设计阶段、初步设计阶段、施工图设计阶段。

2.1 方案设计阶段

方案设计阶段的重点工作是确定结构体系问题，比如根据正式地质勘查报告提供的场地条件和建筑提资条件确定基础型式，是采用天然地基，还是需要地基处理，或是采用桩基础等；根据审定的建筑方案确定主体结构型式，根据建筑材料分为钢筋混凝土结构、钢结构、混合结构、砌体结构等，根据建筑使用功能和建筑高度分为框架结构、框剪结构、剪力墙结构等，需要通过专业理论知识和设计经验综合判断，必要时进行结构设计方案比选，最终选择结构安全、功能适用、经济环保的结构设计方案。

2.2 初步设计阶段

初步设计阶段的概念设计主要工作是对结构方案进行优化和验证，确保结构方案的可行性，同时满足结构专业相关规范、技术规程要求，对结构构件进行深化。比如根据作用于建筑结构的恒、活荷载、地震作用等确定基础截面尺寸大小，框架柱、剪力墙、框架梁、楼板等主要结构构件的尺寸，必要的荷载统计、基础计算、主体结构整体计算等计算文件等，确保主体结构整体强度、刚度、延性等指标符合规范要求。

2.3 施工图阶段

施工图阶段概念设计主要工作是对主要结构构件进行深化设计，满足规范对结构构件截面尺寸和配筋的基本要求，优化结构设计。

在结构设计全过程中应用概念设计做到结构方案合理、计算假定正确、计算模型无误、计算结果有效、对结构关键部位的把握准确等，以保证建筑结构安全可靠、功能适用、经济环保、费用可控的目的。

3 概念设计在建筑设计中的作用

概念设计在建筑结构设计中意义重大，是不可或缺的。当外部荷载和作用无法预估时，特别是地震作用下，作用大小和方向均难以做出判断，所以说抗震概念设计尤为重要。概念设计强调的重概念轻精度，从宏观上对建筑结构的安全性进行把控。

3.1 通过震害分析总结结构设计思路， 提高建筑结构的安全性

我国历次大地震过后都会通过震害分析总结宝贵的经验，提出可行的结构措施保证建筑结构安全。如1966 年邢台地震过后提出“基础埋的深一点，墙体做的厚一点，屋顶做的轻一点”、1976 年唐山地震过后提出构造柱和圈梁的结构形式以及目前应用的“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三级设防标准，这些科学的经验总结被国际工程界公认为行之有效的基于性能的抗震设计理念[3]。

3.2 补充建筑结构设计过程中难以计算的空白

目前对结构设计的理论和计算方法还存在缺陷和不足，使得理论计算和结构实际受力存在差异，比如说在钢筋混凝土结构设计过程中，结构构件内力计算采用弹性理论分析方法，而结构构件截面设计采用塑性理论的极限状态分析法，导致理论和实际不相符合；结构抗震设计中对于地震作用大小、作用方向等问题，理论计算不能准确预判等。基于这种情况，为了弥补这种理论上的不足，或者说存在理论计算难以把控的结构设计，倡导结构概念设计理念无疑是行之有效的方法，通过结构概念设计和结构措施来保证结构安全可靠。

3.3 为计算机软件计算结果简化复核提供依据

计算机和结构计算软件的发展提高了结构设计工作的效率，但也带来了一些弊端。现在一些结构设计师对计算软件的依赖程度较高，目前某些常用结构软件是“傻瓜式”操作，设计师的操作按照既定好的模式进行，通过建立结构模型、输入荷载、设定计算条件、开始计算、查看结果等几个流程，经验欠缺的设计师把计算结果当成唯一可行的依据，计算结果“红了”，反复调整构件截面尺寸，直到计算结果“不红了”，感觉所建模型是合理的。即使计算结果“不红”，计算结果是否合理，是否具有施工可行性却不明白。提倡概念设计，利用基本力学知识进行简化手算很有必要，也是对电算的一个检验和复核。设计过程中应该充分理解结构概念设计，理解结构受力传递及分布，把结构设计软件作为工具，人主导计算软件，而非被计算软件绑架。

4 概念设计在工程设计实践中的应用

通过一些结构实验及历次震害分析，我国建筑结构专家们都总结了不少宝贵的经验，下文根据结构规范标准相关要求，结合笔者的结构设计经验，谈一谈在具体工程中一些概念设计的应用。

4.1 多道抗震防线理念

钢筋混凝土结构中比较常见的结构形式有框架结构和剪力墙结构，框架结构多用于公用建筑，比如办公楼、教学楼等，剪力墙结构多用于高层住宅。框架结构竖向构件截面较小，抗侧刚度不大，属于剪切型变形。在地震作用下，通过形成梁塑性铰，结构产生位移消耗地震能量，只此一道防线对结构安全不利，何况在项目实施过程中未必做到“强柱弱梁”，梁塑性铰难以形成，还容易造成“强梁弱柱”的不合理情况。基于这种情况，可以采取设置柱间支撑（建筑功能允许的情况下）、框架柱翼墙，或者设置部分剪力墙形成少墙框架结构的方法，多一道防线，从概念设计上可以提高建筑结构的安全性。

相较于框架结构来说，剪力墙结构在抗震防线上具有优越性，墙肢间连梁作为第一道防线，在小震作用下，连梁保持完好或者轻微受损，不影响建筑功能的使用，中震作用下，连梁作为消能构件，其与墙肢交接处形成塑性铰，吸收地震能量，作为第一道防线保护了剪力墙墙肢的损坏，从而保证了建筑结构的整体安全。其他结构形式也应从概念设计角度出发采取多道防线的设计理念，比如砌体结构按照要求设置构造柱和圈梁，提高结构延性，在保证结构整体安全上具有举足轻重的作用。

4.2 强柱弱梁、强剪弱弯

“强柱弱梁、强剪弱弯”是结构设计过程中非常重要的结构概念，下文分别从设计过程中如何实践应用进行论述。

钢筋混凝土框架结构中框架柱和框架梁是主要的受力构件，为了满足“强柱弱梁”的设计理念，规范要求在内力计算的基础上对框架柱端节点承载力乘以放大系数，有利于形成梁塑性铰的效果。但实际操作过程中不易保证，原因有3 个方面：①弹性计算分析加大了梁端负弯矩值，一般情况下，框架梁跨度为相邻框架柱中心之间的距离，无疑计算框架梁端最大负弯矩位置位于相关框架柱中心，这与实际情况是不符的，设计中建议按照框架梁净跨度进行计算，读取框架梁与框架柱交接处的梁端负弯矩进行配筋，从而降低框架梁端负弯矩钢筋配筋量，有效实现强柱弱梁效果。②框架梁底伸入框架柱钢筋超出计算配筋值，影响强柱弱梁概念的形成，若梁底配置两排钢筋，问题更麻烦。这里说明两个概念，框架梁底正弯矩钢筋与框架梁端底部钢筋不是一个概念，在实际结构设计过程中，宜将适量框架梁底部钢筋伸入框架柱，其余梁底钢筋在框架柱以外截断，既保证了强柱弱梁的效果，又有利于保证节点核心区混凝土浇筑质量。③设计过程中出现钢筋的超配现象普遍，框架梁端和框架柱端钢筋的超配加大了梁端实际承载力和计算承载力的差距，使强柱弱梁的实现增加困难。在具体设计过程中，根据配筋计算值，框架梁端顶部配筋不宜超过计算值，结合项目具体情况，配筋量宜为计算值的0.9~0.95 倍，框架梁底正弯矩钢筋配筋量适当超配，但不大于计算值的10%。

强剪弱弯概念是指结构构件的跨高比较小，容易形成剪切破坏，剪切破坏属于脆性破坏，对结构受力不利，为了避免该现象发生，从概念上加强结构构件抗剪能力，结构构件延性有所增加，使结构受力趋于合理。在结构设计过程中会遇到短柱、框架结构角柱、框支梁等，设计要求箍筋全长加密，就是要提高构件的抗剪能力[4]。

4.3 不同结构体系的楼梯做法

为了满足建筑单体的使用功能，大多建筑单体需设置楼梯，楼梯作为重要疏散通道，其重要性可想而知。楼梯梯板为斜板，从结构受力上来讲，楼梯等同于支撑构件，能提供较大的侧向刚度。在地震作用下，刚度越大，受力越大，对结构整体刚度的均匀性产生影响，无形中对楼梯安全度有所降低。以下对不同结构体系中楼梯做法进行简单论述。

剪力墙结构楼梯间周边一般设置混凝土剪力墙，其抗侧刚度较大，楼梯支撑刚度与楼梯间周边剪力墙刚度相比可以忽略不计，所以说，剪力墙结构体系的楼梯做法采用传统现浇式对整体结构和楼梯自身安全性影响不大。

框架结构楼梯做法按照传统现浇方法就有些牵强了。历次震害表明，框架结构楼梯间损坏严重，根据震害分析，楼梯板的支撑效应对整体结构的刚度均匀性造成很大影响，由于其抗侧刚度较框架柱大很多，楼梯受力加大，造成梯板损害，逃生通道堵塞，使人身财产受到较大损失。此问题可通过以下2 种方法解决。①根据现行结构相关规范要求，楼梯间四周设置构造柱和圈梁，以加强该区域的整体性；②楼梯结构做法优化，一种做法是将梯板与休息平台交接处设置滑动支座，降低梯段抗侧刚度，使整体结构刚度区域均匀，改善受力传递路径。另一种做法是在休息平台垂直梯梁方向长度较小时，采用梯板与休息平台交接处设置构造柱和梯梁，作为休息平台嵌固端，休息平台为悬挑构件，且休息平台与主体结构框架柱设置结构伸缩缝，从而打破梯板形成斜支撑的受力传递。在结构设计过程中需结合建筑条件灵活掌握，利用概念设计的理念解决工程设计实际问题[5]。