浅析结构概念设计

    【摘要】结构概念设计就是依靠结构工程师正确的判断力，在特定的建筑空间中，主动的
参与建筑师的空间布置方案设计，并利用总结构体系与各基本分体系的空间力学关系，从
整体的角度来构思建筑结构方案。本文对结构概念设计进行了调查研究，总结了结构概念设
计的基本分析方法、设计阶段及设计思想。

 

　　【关键词】结构工程；结构概念设计；力流；基印

 

　　

 

　　结构工程师所接受的高等教育普遍是偏重于学习基本构件的性能以及其设计施工知识。
这样培养出的结构工程师能够配合建筑师的设计意图来布置结构构件，但独立创新意识颇
低，无法充分发挥主观能动性。如果在早期的设计阶段，结构工程师没有给建筑师提出合理
的意见或在力学概念和体系应用方面有一些小失误，那么对早期建立的方案进行大改动的
可能性会很大，在后期设计阶段会造成很大的损失，这方面的教训很多

[1,2]。随着建筑的发

展，对结构的功能、经济指标和安全性提出了更高的要求，更突显了结构概念设计的重要性
[3]。 
　　

1 基本分析方法 

　　建筑结构的本质就是其承载作用，并将水平、竖直荷载传递到基础。基于结构的立面布
置与水平布置，结构概念设计分别可以采用力流与基印的分析方法。海诺

•恩格尔有创见的

对结构体系进行详细的分类，并介绍了基于力流的结构体系概念设计理论

[4]。结构在竖直

方向的整体上有三个操作顺序在运作：荷载的接受、传递与释放。有学者形象的这样比喻力
流：

“一根梁，是在一个力的场中发生突然的收缩；一根柱子，是一个漩涡点，他将一池的

荷载拽向自己

[5]。”这个过程就是力量的流动，简称力流。按照结构的最小作用量原理，力

流总是按照最短并且最流畅的几何路径将荷载传递到地基。结构工程师在概念设计中的任务
就是设计或策划力流导向，找到一条尽量短的流畅力流轨迹线，根据力流密度设置构件尺
寸，并且尽量的避免力流突变。基印是力流汇集的最终结果，反应在设计中就是建筑结构基
础平面布置图。基印的布置反应了结构整体受力性能，决定了结构整体刚度和承载力，因此
基印的优化设计要求确定柱的大体分布与截面尺寸，这些对建筑总造价有很大的影响。海诺
将结构体系与建筑造型相结合，说明了力流与基印是结构概念设计的基本表象，并且力流
的轨迹是否顺畅是衡量建筑结构经济型与安全性的重要指标之一。

 

　　

2 设计阶段 

　　结构概念设计应划分为三个层次，分别对应结构设计的三个阶段。首先是三维的方案阶
段：建筑师提出最初的建筑概念性方案时，一般考虑其总体空间及各个分空间的组合形式
而不会确定其具体结构。这时需要结构工程师其看作一个整体，也就是整体性假定

[1]。这样

就可以根据建筑师的方案考虑一些简单的基本结构概念与体系的问题、大体的荷载与承载力
和稳定性之间的关系，通过分析力流与基因可以得到总恒载分配到水平与竖直构件的粗略
情况。在三维的方案阶段，结构工程师应从整体进行考虑，协调处理空间与结构形式。比如
高层建筑需要竖向交通与运输，在方案构思之前就可以确定利用这些竖向构件作为抗水平
荷载的结构分体系。然后是二维的初步设计阶段：在整体概念设计确定后，就应开始水平与
竖向分体系这些二维的设计，并且从连接形式、刚度比值、传力方式等方面确定其性能与相
互关系。最后是一维的设计阶段：设计方案的总体构思最终要反映到细部设计中，因此应该