时间：2013-11-29 分类：建筑设计
【摘 要】建筑结构设计及其相关工程是一门古老的学科，要使它在新的历史时期为人类社会发挥更大的应用价值，必须从结构理论和方法上进行全面创新。本文围绕着创新思维在结构设计中的应用，主要介绍了结构分析中关于创新思维的理论、结构设计中运用创新思维的方法及列举了高层建筑结构设计中如何利用创新思维的具体体现。
【关键词】 结构设计 创新思维 高层建筑
一、结构分析中关于创新思维的理论
建筑结构理论分析是伴随着建筑结构体系发展而完善。建筑结构尤其是高层、超高层结构(建筑物高度超过100米)高度日益增加，体形越来越复杂，体系越来越新颖，从而对结构分析及设计提出了新的课题。结构分析已经从简单结构向复杂结构发展，从线性向非线性发展，从静力向动力发展，考虑上部结构与地基的耦合作用。
目前，结构分析方法有许多种形式，都是基于变分原理而通过创新思维建立起来的，现在国内外公认的常用方法不外乎以下几种，1.差分法;2.有限元法;3.有限条法;4.现代加权残数法(QR法);5.边界元法(QR法);6.样条函数法(QR法)等等。后三种方法是著名的秦荣教授在结构分析理论方面的创新，是从有网格到无网格化的突破。为此，我们可以对这些分析方法的创新思维特点作一比较并对当今的结构分析难点作出描述。
其中，QR法对结构分析的创新解决了几方面的难点。对于结构静力问题、动力问题、稳定性问题、几何非线性问题及弹塑性问题，利用样条子域法或QR法导出了新的计算格式;利用样条边界元—QR法或样条无限元—QR法导出了高层建筑上部结构与地基基础相互作用、桩与土相互作用、桩与桩相互作用及结构与结构相互作用的新的计算格式。对结构动力响应分析提出了样条振型叠加法、样条直接积分法、样条子域法、样条向量追赶法及样条逆推法。这些方法比国内、外流行的Wilson-θ法，New-mark法及Hilber-α法稳定性好，收敛性快，精度高且无超越现象。
二、结构设计中如何应用创新思维
2.1 运用逆反思维
逆反思维是利用事物的多样性和差异性，在解决当前问题的已有模式或传统途径之外，独辟蹊径，从已有思路相逆或相异的方面，挖掘出一切其它可能的方案，从中寻优，以获得对现有传统理论或方案的突破和创新。工程建设的逆作工艺技术，就是基于逆反思维的哲学理念，抛开传统的桎梏，应用最新的工程技术，立足于丰富的工程实践经验和严密的组织技术管理，往往在取得显著经济效益的同时，对工程技术的进步和创新产生推动及示范作用。
(1)框架结构填充墙逆作法
传统的框架结构设计对填充及围护墙没有受力性能要求，仅起分隔空间及保温隔热的作用，但实际上承重型砌块墙是具有相当抗力性能的。研究表明，如果采用逆作工艺即先砌墙后施工框架，则可使得填充墙与框架梁柱有可靠的连接，从而保证两者的整体性及协同工作性，使框架在承受水平力时的侧移及内力峰值大大降低，内力分布更趋合理，提高结构的延性及抗变形能力。
(2)桩基逆作法
一般的结构施工程序是先打桩，后基础承台或底板，再上部结构。而逆作法则是先做承台或底板基础，施工一定层数的上部结构后再压桩。此法由于地基土体在先期建筑荷载作用下产生固结压密效应，提高地基承载力，可以大大减少工程桩数量(此时产生桩土耦合作用)，节省投资。另外由于桩施工不占主导工期，且对环境无干扰，有利于缩短工期及文明施工，此法在多、高层建筑中得到成功应用。
(3)结构控制隔震技术
对地震的破坏过去我们总是采取消极或被动措施，如增加结构强度和刚度，从而耗费了大量的社会资源。20世纪后半叶人们提出了控制概念，从逆向思维出发，应用主动控制原理，在上部结构和基础之间设置减震或隔震装置，使地震能量很少传至上部结构，从而以较少的代价避免了地震灾害的影响。我国近年已采用了橡胶支座隔震技术，成功地将隔震技术推向市场。
2.2 充分利用学科之间的相互交叉
结构设计与其它学科的交叉、融合，必定会创造出充满生机和活力的新理论和方法，增强结构工程可持续发展能力，并为其开拓出广泛的发展空间。
(1)控制理论学科与建筑结构设计的结合
结构的传统对策是依靠本身的性能(结构的强度、刚度、变形能力及耗能能力)来达到抵御外动荷载的目的。要确保这样的结构安全可靠，必须具备下列三个条件：(a)完全准确地掌握结构承受的外动荷载;(b)完全准确地掌握材料的特性;(c)合理有效的分析及设计方法。由于结构动荷载的不确定性，根据这种结构对策设计建造的结构可能不满足功能及安全的要求。为达到结构功能及安全满足要求的目的，结构工程师正在将控制理论用于结构工程中，使结构设计由抗震设计进入减震设计，结构对策进入结构振动控制阶段，建立了现代结构控制理论，这是结构工程发展的里程碑。巨型框架悬挂体系就是一种有发展前途的现代结构控制的结构体系。它不仅不依赖于主动控制，而且还可以达到主动控制的减震效果;不仅体现了被动控制的各种减震思想，而且还可以抛弃目前被动控制的各种弊病。
(2)仿生学是研究生物系统的结构和性质以及为工程技术提供新的设计思想和工作原理的科学#p#分页标题#e#
结构工程中的力学仿生，是研究并模仿生物体大体结构与精细结构的静力学性质，以及生物体各组成部分在体内相对运动和生物体在环境中运动的动力学性质，包括拱形结构类、薄壳结构类、充气结构类等多种类型。例如，结构专家们发现，恐龙巨大的躯体、长颈和粗长尾巴的重力中心是在腰部，身体的重量通过身体重心传递到粗壮的四肢上，整个身体的上部犹如一座拱桥;从力学角度来看，它的确是一种承受巨大负荷的理想结构的造型，这就是建筑结构工程史上\"拱形结构\"的历史渊源。这种\"拱形结构\"的仿生建筑用料省，坚固耐压，外观美观大方。生物界的各种蛋壳、贝壳、海螺壳以及人的头盖骨等都是一种曲度均匀，质地轻巧的\"薄壳结构\"。这种\"薄壳结构\"的表面虽然很薄，但非常耐压。模仿它们壳体在外力作用下，内力都沿着整个表面扩散和分布的力学特征，在建筑工程尤其是需要大空间的体育场馆、剧院等都已得到广泛应用。充气结构类，植物和动物的细胞内能充满液体或气体。这些液体或气体对细胞壁产生一定的压力，这种压力称之为液体静压力和气体静压力，统称为细胞胀压。应用细胞胀压原理，结构工程师设计出各种新颖别致的充气充液结构。
(3)医学科学与建筑结构设计的结合
医学科学关于诊断、理疗、康复、补救等概念和模式，正在渗透到建筑结构理论和建筑工程中，通过运用数理统计学和模糊数学的原理，形成结构工程防灾减灾理论的基础。建筑诊断学的建立，对结构工程的防灾减灾，古、旧建筑结构的维护和修复提供了可操作性的依据。一种基于人体学破损自愈合原理的混凝土结构工程裂缝自我修复的研究，已经成为混凝土结构设计前沿的课题，并给现实生活带来重大的意义。神经网络法是一种计算模式，它从结构上来模拟大脑的生物神经系统。业已证明神经网络法对于多变量、非线性问题是一种非常有用的方法，比传统的信息、数据处理具有明显优势。
三、创新思维在高层建筑结构设计中的应用分析
3.1 高层建筑结构体系的新变化及其对选型决策的影响
高层建筑发展到至今，层数已经是越来越多，建筑的样式与造型也越来越独特和丰富，结构体系也在向更加新颖的方向发展，传统的剪力墙等结构体系不断的被完善和创新。总得来说，高层建筑的结构体系呈现出以下的新特点。
(1)结构体系的巨型化。建筑高度的不断提高和建筑使用功能上对特大空间的要求，促使巨型结构体系产生。
(2)结构体系自重的轻型化。结构体系中越来越重视采用轻质高强材料以减轻结构自重。
(3)柱网、开间扩大化。近几年，高层框架内柱网尺寸及高层剪力墙的开间尺寸有渐趋扩大之势。
(4)高层建筑结构体系中设置转换层。近年来国内外流行集办公、居住、商贸、娱乐为一体的高层综合体。为实现这种功能的综合化，结构选型往往是根据各部分建筑功能要求选择各自适宜的结构体系及合理的柱网尺寸，然后通过转换层的特殊处理将它们联系，组合在同一栋高层建筑中。
(5)高层建筑结构体系中设置加强层。设置加强层可以使外柱参与整体抗弯，增强结构体系整体抗侧能力，减小芯筒的弯矩，减小结构的侧移。
作为建筑结构设计人员，在面对这些新变化新情况时，要不断的提升自己的设计水平，一方面在做建筑结构的选型分析时应充分试验，充分论证，提高设计的正确性和可信度，另一方面就是要建立起选型的新概念，积极掌握新的研究成果，吸收工程建设经验，在工程实例中正确选型，更重要的是要善于发散思考，充分利用创造性思维，创造出新的适应时代需要的建筑结构体系。
3.2 如何运用创新思维优化高层建筑结构体系
我们知道，对于不同的建筑结构体系其适用的经济高度也是不相同的，设计师在面对同一栋建筑时，往往有多种结构体系可供选择。但是到底选择哪一种结构体系更加经济合理，这就需要设计师充分掌握结构体系优化方面的相关知识。当然，在设计中也有一些基本的方法可以在提高结构的受力性能和抗震能力的同时，又不明显的增加建筑的成本，下面作者将这些基本的方法简要介绍如下。
(1)增大最有效承受荷载构件的面积，充分发挥材料的自身强度，是结构工程师应该时刻考虑的问题以及应该具有的基本结构概念。例如，增大较低楼层框架柱和框架梁的截面高度或受压翼缘面积，就能够直接增大结构的抗侧刚度，有效减小侧向位移，从而改善结构的抗震性能。
(2)设计结构分体系时，应使其构件以最有效的方式相互作用。例如，采用具有有效受力状态的弦杆和斜杆的桁架体系;在钢筋混凝土抗震墙内配置交叉钢筋，以增强其抗剪能力;调整构件刚度，使框架的刚度比达到最优以取得良好的受力效果。
(3)增加抗弯结构体系的有效宽度，以提高结构的抗侧刚度。这样做，是非常直接的，也是非常有效的。增加结构宽度可以直接增大抵抗力臂，从而增大结构的抗倾覆力矩。从材料力学的基本知识可以知道，相同截面面积、不同的截面形状，可以获得不同的截面几何特征。例如：相等面积的条件下，工字形截面的截面惯性矩要大于矩形截面，而矩形截面又要大于圆形截面。根据这个原理，不难理解加大宽度以后，整个结构的抗侧刚度得到很大提高。在其它条件不变的前提下，侧移将按宽度增加的三次方的比例减小。当然，必须考虑\"剪力滞后\"\"的不利影响，结构体系中竖向构件的水平连接应具有足够的刚性，才能真正达到上述效果。#p#分页标题#e#
(4)水平作用的传递主要是依靠楼板，并且目前几乎所有的结构分析理论所采用的基本假定都是楼板水平刚度无限大。故此，每一层楼盖应该具有足够的刚度和连续性，以起到水平隔板的作用，使各抵抗外力的构件能够协同工作成为整体，而非各自独立。
3.3 结构构件的优化设计
在前文中我们主要探讨了如何运用创新思维优化高层建筑结构体系，在这一节中作者将主要从微观的角度介绍建筑结构构件的优化设计问题，主要包括构件截面优化设计，梁计算，柱、剪力墙轴压比计算等。
(1)构件截面的优化设计。经上述得出初始设置的构件截面和合理形状，但还应进行优化设计，使构件在满足受力要求的前提下节省材料。需要注意的是，在进行截面优化设计时，要考虑到构件截面的减小将对结构的周期、位移、地震力等一系列参数产生影响，降低结构的整体安全性，不可盲目地减小构件的截面尺寸。
(2)软件对混凝土梁计算显示超筋信息有四种情况。1)当梁的弯矩设计值M大于梁的极限承载弯矩Mu时，提示超筋。2)在四级抗震等级及非抗震时，混凝土截面受压区相对高度ζ>ζb(不考虑配置受压钢筋时);二、三级抗震等级时ζ>O.35(计算时取受压钢筋面积AS\"=0.3AS);一级抗震时ζ>0.25(计算时取受压钢筋面积AS\"=0.5AS)，提示超筋。3)当大于《抗震规范》要求框架梁端纵向受拉钢筋的最大配筋率2.5%时，提示超筋。4)混凝土梁斜截面计算结果不满足最小截面的要求时，则提示超筋。
(3)剪力墙超筋的情况。1)剪力墙暗柱超筋。软件中设定的暗柱最大配筋率是4%，而各规范以边缘构件方式给出了剪力墙主筋的配筋面积，没有最大配筋率。所以当程序给出剪力墙超筋的警告信息时，可以酌情考虑;2)当剪力墙水平筋超筋时则说明该结构抗剪承载力不够，应予以调整;3)当剪力墙连梁超筋时，通常表明其在水平地震力作用下抗剪承载力不够。规范中允许在地震作用下对剪力墙连梁的刚度进行折减，折减后的剪力墙连梁都会出现塑性变形，即开裂。但在进行剪力墙连梁设计时，应考虑其配筋是否满弹性变形时承载力的要求。
(4)柱的轴压比计算。软件在计算考虑地震作用下柱的轴压比时，采用的是地震作用组合下的柱轴力设计值;软件在不考虑地震作用下柱的轴压比时，采取的是非地震作用组合下的柱轴力设计值。因此对于同一个工程，考虑地震力和不考虑地震力时柱的轴压比计算结果会不一样。
(5)剪力墙的轴压比计算。为了保证结构在地震力作用下的延性，新的《高规》和《抗震规范》对剪力墙的轴压比均作了限制。需要指出的是，软件是按单向计算短肢剪力墙的轴压比，与《高规》中规定按双向计算短肢剪力墙的轴压比有所不同。
结束语
总之，建筑结构设计及其相关工程是一门古老的学科，要使它在新的历史时期为人类社会发挥更大的应用价值，必须从结构理论和方法上进行全面创新，这是时代赋予我们从事结构工程人员的历史重任。无论是运用克服思维定势，另辟思维蹊径的逆向思维法，还是由此及彼，由属性相同而推出新事物属性的仿生学维法，这些创造性的思维活动将给结构工程发展注入新的活力。传统的不同研究对象相互贯穿形成的横断领域以及相互渗透的交叉领域也成为人们思维的新客体。掌握创新思维方法，对创造工程结构分析与设计的新理论、新方法无疑会产生巨大的作用。
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