覃飛龍
摘 要:本文介紹了概念設(shè)計與結(jié)構(gòu)措施在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用。首先闡述了概念設(shè)計的重要性與意義,包括為后續(xù)設(shè)計提供指導(dǎo)、實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與節(jié)能設(shè)計等方面的應(yīng)用。接著,分析了概念設(shè)計在結(jié)構(gòu)優(yōu)化與節(jié)能設(shè)計中的具體應(yīng)用,包括結(jié)構(gòu)形式選擇優(yōu)化、材料的優(yōu)化選擇、建筑形態(tài)的優(yōu)化設(shè)計以及節(jié)能系統(tǒng)阿的整合與優(yōu)化。最后,重點介紹了結(jié)構(gòu)措施在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用,包括增加梁柱截面尺寸、采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)以及加強連接和節(jié)點設(shè)計。通過對這些應(yīng)用的論述,旨在提升建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、安全性、經(jīng)濟性和節(jié)能性,實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。
關(guān)鍵詞:概念設(shè)計;結(jié)構(gòu)措施;建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;節(jié)能設(shè)計
1 前言
在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中,概念設(shè)計和結(jié)構(gòu)措施的應(yīng)用對于確保建筑物的穩(wěn)定性、安全性和節(jié)能性起著至關(guān)重要的作用。概念設(shè)計階段是一個關(guān)鍵的起點,它為后續(xù)的設(shè)計和施工提供了重要的指導(dǎo)。通過結(jié)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化和節(jié)能設(shè)計的原則和方法,可以實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計、材料的合理選擇、形態(tài)的優(yōu)化以及節(jié)能系統(tǒng)的整合。
2概念設(shè)計在結(jié)構(gòu)優(yōu)化與節(jié)能設(shè)計中的應(yīng)用
2.1結(jié)構(gòu)形式選擇優(yōu)化
在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中,概念設(shè)計是一個關(guān)鍵階段,它涉及到結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)想、形式和性能等方面的決策。概念設(shè)計的合理運用不僅可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,還能夠在節(jié)能設(shè)計方面發(fā)揮重要作用。結(jié)構(gòu)形式的選擇不僅影響著建筑外觀,還關(guān)系到結(jié)構(gòu)的承載性能和穩(wěn)定性。在概念設(shè)計中,工程師可以通過考慮不同的結(jié)構(gòu)形式,如框架結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)、拱結(jié)構(gòu)等,來尋求最佳的設(shè)計方案。同時,結(jié)合性能化設(shè)計思想,可以通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式,使其更好地滿足特定的使用要求,如抗震性能、變形性能等。此外,還可以考慮采用跨界創(chuàng)新的設(shè)計思想,將不同的結(jié)構(gòu)形式進行融合,以實現(xiàn)更加靈活多樣的結(jié)構(gòu)效果。
此外,性能化設(shè)計在概念設(shè)計中的應(yīng)用也十分重要。性能化設(shè)計強調(diào)以結(jié)構(gòu)性能為導(dǎo)向,以滿足建筑在使用壽命內(nèi)的性能要求為目標(biāo),而不僅僅是滿足規(guī)范的強度和穩(wěn)定性要求。在概念設(shè)計階段,可以通過性能目標(biāo)的設(shè)定,如抗震性能、舒適性能等,來引導(dǎo)結(jié)構(gòu)的形式和材料的選擇。這有助于在早期階段就預(yù)測和評估結(jié)構(gòu)在不同工況下的性能,從而優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計,減少不必要的材料和能源消耗。
最后,隔震技術(shù)作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化和節(jié)能設(shè)計的重要手段之一,也可以在概念設(shè)計中得到應(yīng)用。隔震技術(shù)通過減少地震引起的建筑震動傳遞,保護建筑和內(nèi)部設(shè)備的安全,同時減小地震對建筑造成的損害。在概念設(shè)計階段,工程師可以考慮采用隔震技術(shù),如基礎(chǔ)隔震、減震支座等,來提高建筑的抗震性能,降低震害風(fēng)險。
2.2材料的優(yōu)化選擇
概念設(shè)計階段就是決定采用哪種材料的關(guān)鍵時刻,不同材料具有不同的力學(xué)性能、耐久性能以及隔熱隔音性能等,因此在設(shè)計過程中要根據(jù)具體的建筑功能和環(huán)境要求,選擇最合適的材料。例如,在高層建筑設(shè)計中,需要考慮承受大風(fēng)荷載和地震荷載的能力,可以選擇高強度鋼材或者增強混凝土等材料,以確保建筑的結(jié)構(gòu)安全性。同時,對于需要隔音隔熱的場所,可以選擇具有良好隔音性能的材料,以提高建筑的環(huán)境舒適性。
此外,材料的可持續(xù)性也是概念設(shè)計中需要考慮的重要因素。隨著人們對環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)注不斷增加,建筑結(jié)構(gòu)材料的選擇也要注重其對環(huán)境的影響。優(yōu)先選擇可再生材料、回收材料或者具有較低碳排放的材料,可以減少資源消耗和環(huán)境污染,實現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。例如,使用木材作為結(jié)構(gòu)材料可以減少能源消耗和二氧化碳排放,同時還能提供良好的隔熱性能。
2.3建筑形態(tài)的優(yōu)化設(shè)計
建筑形態(tài)包括建筑的整體布局、形狀、體量以及立面等方面的要素。優(yōu)化建筑形態(tài)可以在一定程度上實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和節(jié)能設(shè)計的目標(biāo),建筑形態(tài)的合理設(shè)計可以直接影響建筑的受力性能和能源利用效率。在概念設(shè)計階段,通過合理規(guī)劃建筑的形狀、體量和布局,可以降低結(jié)構(gòu)的受力狀況,提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。例如,在地震區(qū)域,可以通過合理的建筑形態(tài)減小結(jié)構(gòu)的投影面積,降低地震作用下的風(fēng)險。此外,優(yōu)化建筑形態(tài)還可以優(yōu)化建筑的采光、通風(fēng)等自然環(huán)境條件,從而減少對機械設(shè)備的依賴,實現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。并且隔震技術(shù)在建筑形態(tài)優(yōu)化中也有其獨特應(yīng)用。隔震技術(shù)通過設(shè)置隔震層,將建筑的上部結(jié)構(gòu)與下部基礎(chǔ)隔離,以減小地震引起的震動傳遞,提高建筑的抗震性能。在概念設(shè)計階段,可以考慮將隔震技術(shù)應(yīng)用于建筑形態(tài)的設(shè)計中,選擇合適的隔震層位置和形式,來實現(xiàn)更加優(yōu)化的抗震性能。例如,在高層建筑中,可以通過合理設(shè)置隔振層,減小頂部的搖擺幅度,提高建筑的安全性。
2.4節(jié)能系統(tǒng)的整合與優(yōu)化
建筑中的節(jié)能系統(tǒng)包括供暖、通風(fēng)、空調(diào)、照明等,整合這些系統(tǒng),可以通過智能化控制、能源回收、熱泵技術(shù)等手段實現(xiàn)能源的高效利用。例如,可以通過建筑能源管理系統(tǒng)(BEMS)對各個節(jié)能子系統(tǒng)進行集中管理和控制,根據(jù)室內(nèi)外溫度、濕度等參數(shù)進行自適應(yīng)調(diào)節(jié),以達到最佳的節(jié)能效果。不同類型的建筑存在著不同的能源消耗特點和需求,優(yōu)化節(jié)能系統(tǒng)可以針對特定建筑的需求進行定制化設(shè)計。例如,在熱帶地區(qū),可以采用被動式設(shè)計手段,如自然通風(fēng)和遮陽,減少空調(diào)的使用;在寒冷地區(qū),可以采用高效的供暖系統(tǒng),如地源熱泵等,減少供暖能耗。
最后,節(jié)能系統(tǒng)的整合與優(yōu)化需要與建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計緊密配合。在概念設(shè)計階段,應(yīng)考慮節(jié)能系統(tǒng)的布置和安裝方式,以及與建筑結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)。合理地布置和設(shè)置可以減少能源傳輸損失和運行成本。例如,在建筑設(shè)計中,可以預(yù)留合適的空間來安裝節(jié)能設(shè)備,合理設(shè)計管道走向,減少能耗。節(jié)能系統(tǒng)的整合與優(yōu)化的相關(guān)分析見表1。
3結(jié)構(gòu)措施在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用
3.1增加梁柱截面尺寸
首先,增加梁柱截面尺寸可以增加其截面面積,從而增加了截面的抗彎強度。根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)理論,梁柱受到的彎矩與截面抗彎強度成正比關(guān)系,因此增大截面尺寸可以有效提高梁柱的承載力。
其次,增大梁柱截面尺寸還可以增加其截面慣性矩和抗彎剛度。根據(jù)撓度的計算公式:δ=(5WL^4)/(384EI),其中,δ表示撓度,W表示集中載荷,L表示跨度,E表示彈性模量,I表示截面慣性矩??梢?,截面慣性矩越大,撓度越小,因此,通過增大截面尺寸,可以減小梁柱的撓度,提高其整體剛度。
需要指出的是,增大梁柱截面尺寸并不意味著盲目地增大,在進行設(shè)計時,需要根據(jù)具體的荷載和使用條件,合理選擇梁柱截面尺寸。同時,還應(yīng)考慮梁柱的布置和連接形式,以確保整個結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)性和一致性。
3.2采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)
(1)預(yù)應(yīng)力技術(shù)的概念和原理。預(yù)應(yīng)力技術(shù)是指在構(gòu)件施加預(yù)先設(shè)定的壓力(稱為預(yù)應(yīng)力)以改變結(jié)構(gòu)材料的內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài),從而提高結(jié)構(gòu)的承載能力和抵抗變形能力。其基本原理是通過在構(gòu)件上施加外力,使預(yù)應(yīng)力鋼束產(chǎn)生拉應(yīng)力,將混凝土壓緊并達到內(nèi)外協(xié)同工作的狀態(tài)。
(2)預(yù)應(yīng)力的種類。常見的預(yù)應(yīng)力技術(shù)包括預(yù)應(yīng)力鍵和預(yù)應(yīng)力索。預(yù)應(yīng)力鍵一般由鋼筋或鋼束構(gòu)成,將混凝土構(gòu)件上的應(yīng)力通過預(yù)應(yīng)力鍵進行傳遞;預(yù)應(yīng)力索則是通過固定在兩個錨固點上的高強度鋼索來實現(xiàn)預(yù)應(yīng)力。不同類型的預(yù)應(yīng)力技術(shù)適用于不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計需求。 (3)應(yīng)用舉例。以橋梁結(jié)構(gòu)為例,預(yù)應(yīng)力技術(shù)在橋梁設(shè)計中得到廣泛應(yīng)用。預(yù)應(yīng)力技術(shù)可以增加橋梁的自重承載能力,提高橋梁的整體剛度和抵抗變形的能力。例如,在施工過程中通過預(yù)應(yīng)力技術(shù)對橋梁上的梁段施加預(yù)應(yīng)力,可以降低梁段在使用階段的變形,并提高橋梁的自由度和穩(wěn)定性。
(4) 關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)與公式。在預(yù)應(yīng)力技術(shù)的應(yīng)用中,設(shè)計人員需要考慮一系列關(guān)鍵參數(shù),如預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉力、錨固長度、施工配筋等。以預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉力為例,該參數(shù)可以通過以下公式計算:
F = (A × σ)/e
其中,F(xiàn)為預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉力,A為鋼束的截面面積,σ為鋼束的允許應(yīng)變,e為導(dǎo)線波動系數(shù)。
(5)優(yōu)勢與局限性。預(yù)應(yīng)力技術(shù)具有提高結(jié)構(gòu)剛度和抗變形能力的優(yōu)點,能夠減小結(jié)構(gòu)自重,提高結(jié)構(gòu)的承載能力。然而,預(yù)應(yīng)力技術(shù)也存在一些局限性,如施工難度較大、成本相對較高等問題,在實際應(yīng)用中需要綜合考慮。
3.3加強連接和節(jié)點設(shè)計
在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中,加強連接和節(jié)點設(shè)計是一項重要的結(jié)構(gòu)措施,其中預(yù)應(yīng)力技術(shù)是常用的一種方法。預(yù)應(yīng)力鋼筋可以通過張拉和錨固的方式施加預(yù)應(yīng)力,使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生壓應(yīng)力,從而提高連接和節(jié)點的承載能力和穩(wěn)定性。例如,在梁柱節(jié)點處引入預(yù)應(yīng)力技術(shù),可以有效地減小節(jié)點的位移和變形,提高整體結(jié)構(gòu)的剛度。在連接和節(jié)點設(shè)計中,預(yù)應(yīng)力技術(shù)可以通過施加壓應(yīng)力來減小結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力集中,提高連接部位的抗剪承載能力和抗剪剛度。此外,預(yù)應(yīng)力技術(shù)還可以減小連接和節(jié)點的荷載傳遞路徑,提高荷載的傳遞效率,增強結(jié)構(gòu)的整體性能。
通過預(yù)應(yīng)力技術(shù)施加的預(yù)應(yīng)力,可以減小結(jié)構(gòu)中的內(nèi)應(yīng)力和變形,從而減少材料的應(yīng)力和損傷。在連接和節(jié)點設(shè)計中,預(yù)應(yīng)力技術(shù)可以有效地防止結(jié)構(gòu)的裂縫和開裂,延長結(jié)構(gòu)的使用壽命,并提高結(jié)構(gòu)的耐久性。并且預(yù)應(yīng)力技術(shù)可以通過控制預(yù)應(yīng)力的大小和方向,進行具有定制性的連接和節(jié)點設(shè)計。相比傳統(tǒng)的設(shè)計方法,預(yù)應(yīng)力技術(shù)可以提供更靈活、更優(yōu)化的結(jié)構(gòu)解決方案,實現(xiàn)更高效的空間利用和構(gòu)造設(shè)計。加強連接和節(jié)點設(shè)計的要點及內(nèi)容見表2。
4結(jié)論
概念設(shè)計和結(jié)構(gòu)措施是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中不可或缺的環(huán)節(jié)。通過合理的概念設(shè)計,可以為后續(xù)的設(shè)計和施工提供有效地指導(dǎo),并實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和節(jié)能設(shè)計。同時,結(jié)構(gòu)措施的應(yīng)用可以提升建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、安全性和節(jié)能性,通過概念設(shè)計和結(jié)構(gòu)措施的有效應(yīng)用,可以實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的可持續(xù)發(fā)展,進一步推動建筑行業(yè)的綠色和可持續(xù)發(fā)展。
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