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1、体育馆建筑结构概念设计研究 北京工业大学博士学位论文体育馆建筑结构概念设计研究姓名:李学军申请学位级别:博士专业:结构工程指导教师:霍达20050301摘 要摘要体育馆建筑属于大型公共建筑,建筑规模大、内部功能要求较高,只有在设计前期进行详尽的结构概念设计才能保证结构设计的合理性、安全性和经济性。结构概念设计是运用人的思维和判断能力,在设计前期从宏观上决定结构设计中的重大问题,使结构物既符合功能要求,又有足够的整体性和抗灾害能力。结构概念设计有别于传统的数值计算设计,是从结构概念入手。从整体上考虑结构的合理性。因此,研究体育馆建筑的结构概念设计问题具有较大的工程使用价值。为此,本研究运用末确知
2、测度方法、弹性力学方法、人工神经元网络方法等对体育馆建筑结构概念设计进行了系统研究。全文的主要研究工作概括如下:概念设计方法的研究。结合体育馆建筑的结构特征,对体育馆结构概念设计阶段的方法进行了研究,提出了体育馆建筑结构概念设计中的几个主要过程,即结构方案评价、主体结构选型、简化计算方法、设计概念和经验总结、结构构造与措施五个过程,并分别对其进行深入研究。基于未确知测度的体育馆建筑结构方案评价方法的研究。体育馆建筑结构方案评价是结构概念设计阶段的主要工作,这过程主要是评定结构方案的优劣程度,为最终设计方案的可接受性决策或为再设计决策提供依据和支持。本文采用未确知测度的方法,建立了两种结构方案评
3、价模型,即整体方案评价模型和多因素影响下的结构方案评价模型。系统地论述了因素空间、单因素测度与多因素测度的关系,权向量的设霉及多因素综合铡度的等级识别等方案评价中的关键问题,最后绘出了工程应用实例并加以验证。空间网架结构屋盖结构选型的研究。本文对体育馆建筑中常用的空闻网架结构形式进行了分析,确定了网架绐构在选型时所考虑的多种因素,并对不同类型的网架结构的适用范围和经济性进行了研究。在这一基础上采用弹性力学手段,对正交正放类网架、正交斜放类网架、三向类网架等在矩形、圆形、三角形、六边形等不同平面形式下的内力、位移、动力特性公式进行了推导,并对公式进行了形式上的整合。所得简化计算公式力学概念清晰,
4、形式简单,可满足概念设计阶段的要求。人工神经元方法辅助体育馆结构概念设计研究。在分析了结构概念设计阶段工程师思维形式的基础上,研究了人工神经元网络结构及其工作机理,认为它可以模拟人脑的某些基本特征,并能方便地解决概念设计阶段的某些技术和经济问题。通过对人工神经元网络基本原理与多层网络的误差逆传播算法的详细分析,应用多层网络的误差逆传播算法,研究了人工神经元网络辅助结构概念设计的可行性,并对空间网架结构技术指标和经济指标的预测方法进行了研究。体育馆结构构造和措施。由于土木工程的粗放性、体育馆结构受力的复杂性、结构作用荷载和材料抗力的随机性,很多内在的受力情况不是理想化环境,要作用精确的设计计算是
5、不可能的也是不必要的。结构构造与措旋作为结构设计的补充,对加强结构的稳定性、整体性和抵御突发灾害的能力有很大作用,是体育馆建筑结构概念设计必不可少的一部分。在结构概念设计阶段考虑对整体性有益的结构构造措施,有时是决定方案可行与否的关键。通过对体育馆建筑结构构造措施的研究,对影响体育馆结构设计前期的空间结构构造与措施、下部支撑结构的构造与措施进行了较为系统的分析、比较、优选。体育馆建筑结构概念设计是从宏观上、整体上对结构进行分析和布置,不仅对后续的施工图设计具有较强的指导意义,也对设计前期的成本核算和专业工种日的协调、有序进行创造了有利的环境,因此.本研究具有一定的理论意义和适用价值。关键词:体
6、育馆建筑结构概念设计未确知测度人工神经元网络大跨空间结构摘 蔓 . . . . . 岱 . . .也: . . ., ., .,. . 甜?.? . ., ,. .,., , 口,. 】 . “北京业人学学博学位论文. , . . ., , . . ,.,?.:, ,? 独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名
7、日期:坦生至矽关于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部或部分内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。、签名导师签名:丛日期:论第章绪.背景和研究的意义作为大型公共建筑,很久以来,体育建筑都是以其独特的个性和公众化的形像吸引着民众的目光。进入世纪,国内的体育建筑下经历着同新月异的变化,从亚运工程到奥运工程、从社区健身中心到大学体育场馆,林林总总的体育建筑在走入我们的日常生活中。这一切,都是以经济的快速发展和民众社会生活要求的提高为前题的,反过来,也为体育建筑的发展提供了良好的
8、基础和不可多得的机遇。人们希望体育建筑成为社区的中心、社会进步的象征和城市的标志:同时体育建筑的发展也能带动区域经济的发展和增长,并满足大众对休闲、健身、娱乐等多方面的要求。国内体育建筑的发展具有很强的阶段性,从孵放初期的局部建设,到世纪年代的大规模建设,再到年代的快速发展,形成了带有时代烙印的风格特征。年代以来,国内体育建筑从设计理念到顶目实施都进入了崭新的历史阶段,与以往的体育建筑相比,具有许多新的特点。综合功能加强。以往具有单一、竞赛及训练功能的体育设施已不能满足人们的需要,体育设施越来越成为集竞赛、训练、商业、剧场、住宿、休闲娱乐、健身等多种功能于一体的综合设施,发挥着综合性的社会效益
9、。资源的充分利用。对于象中国这样一个人口众多的发展中国家来说,合理有效地充分利用社会资源,是治国之本。商业运营机制的引入,也为体育设施的发展找到了合理的解决途径。如四川大学体育馆在这方面做了一定的尝试。该馆的设计采用了“场馆合一”的新概念,即体育场与体育馆结合设计,资源共享:利用体育馆的飞檐充当体育场的看台雨蓬,而训练馆的屋顶则设计成体育场的看台;训练馆除用于训练外,还可改为溜冰场等休闲设施。体育馆在举办各种体育赛事之余,还可承接会议、表演等多种社会功能。体育建筑“平民化”。随着人民生活水平的提高,体育设旌的服务重点将从竞赛转向社会化服务,体育建筑已改变了以前的一元化服务而改为多元化的发展,从
10、形式上看也从过去的单一形式向多元形式发展。社区的体育建筑已经不是以前的标志性建筑格式,正在向多层、多功能方向发展。体育馆建筑属于大型公共建筑,不但在功畿上有其自身的特点,在结构布置与形式上也有别于其它建筑。近年柬.随着我国体育事业的不断发展,和全民健身运动的不断深入,体育设施的建设已经成为建设工程的一个重要方面。北京申奥成功之后,需要新建和改建许多比赛和训练训场馆,为此北京工业大学建筑工程学院承担了由奥组委资助的“奥运场馆加固、改造关键技术研究”子课题。本研究就是此课题工作的部分内容,旨在为新建、改扩建的体育馆设计提供合理的结构概念设计方法和理论依据。体育建筑属于公共建筑的范畴,由于大量的建设
11、.公共建筑在造型上和内在含义上的趋同化是社会化大生产的必然趋势,也是其功能社会化的必然反映。随着时代的发展,社会的进步,体育建筑的设计将更加丰富多彩,体育建筑设计的空间会更加广阔。为了创造出更美的体育建筑.需要总结以往的设计经验和研究成果,为建筑师和工程师创造一个良好的概念环境,对今后类似工程设计提供一个峰实的平台,从宏观上掌握体育建筑环境特征和受力特性,进而起到指导工程设计的目的。结构概念设计就是运用人的思维和判断能力,在设计前期从宏观上决定结构设计中的基本问题。结构概念设计包括的范围很广,要考虑的方面很多,不仅仅耍分析总体布置上的原则,也要顾及到关键部位和细节:既要做好结构布置方案,以创造
12、对结构受力有利的条件,并分析内力的传递途径及内力重分布的趋势,有效地布置结构构件,还要能预计结构的破坏过程和破坏机理,以加强结构的关键部位和薄弱环节;同时,注意建筑结构的连接整体性,做好结构的强度和刚度在平面内和沿高度方向的均匀分布,避免应力集中等都是概念设计要考虑的问题【。结构概念设计有别于传统的数值计算设计,是从结构概念入手,从整体上考虑结构的合理与否:但结构概念设计不排除必要的数值计算,简化的数值计算反而是其有力的工具。为此,本研究具有一定的理论意义和适用价值。.结构概念设计的内涵从人类社会开始有明确分工以来,设计活动就一直存在于人类的生产活动中.人类本身也逐步生活在自身所设计的世界中,
13、并产生了有意识的工程设计概念。工程设计.从本质上讲,就是人类创造性的思维活动的过程,是人类为了实现某种特定的目的而进行的一项创造性活动。工程设计的历史也可咀说是人类科学技术的发展史,它包含于一切人为物品的形成过程之中,从人类有意识地制造和建造丌始,人类的设计文明就丌始萌发。工程设计是一种形象思维过程,是一个从无到有、从模糊到具体的过程,在整个运作阶段,也存在抽象思维,并逐渐发展成为集推理、运算、多工种协作的学科,所以说工程设计是一项复杂的人类活动。在大多数情况下,设计意味着在现有基础上的一种革新,如同数值方法中的内插。在实际设计过程中,设计人员总希望形成一个封闭域,以便能够获得一个最终解,而不
14、管使用的模型如何。【】设计过程是设计人员在思维上的优化过程,特别是在概念设计阶段,这种思维上的优化过程起到主导作用。这是因为在概念设计阶段,工程的许多方面无法在数值上得到体现,所以也没有可行的办法进行有效的数值优化。随着科学技术的不断发展,工程项目逐步大型化、协同化,人们不再是为单一的改善居住条件进行工程建设。现代工程是在为物质文明创造一个容体,工程设计也逐步向多工种协调工作,多阶段实施建设的方向发展,是人们运用现代科学知识和技术手段,在社会、经济、自然、环境、时问等客观因素的制约下,为满足社会需要而创造新的物质产品的过程。通过设计思想的不断变革,营造出一个更加有利于人类物质与猜神生存发展的良
15、性空间,人的主体地位再一次被强调,工程设计的行为逐步成为自然行为,设计的世界就是一个人为事物的科学世界。土木工程的有两个特点:其一是个性强、连续性差,可描述性和可统计性都很差;其二是具有很强的综合性。使之在难以定量描述时,转变为符合逻辑的定性分析。随着工程项目规模越来越大、技术越来越复杂、设计涉及的影响因素越来越多,特别是工程设计、施工、使用中的不确定性,对工程设计提出了更高的要求 。如何在工程建设初期从整体设计的角度去考虑这些诸多的影响因素,就成为亟待解决的问题。概念设计的思想、方法、手段、理论为解决上述问题提供了一个可行的、科学的、有效的技术平台。随着不确定性数学随机性、模糊性、灰色性、未
16、确知性研究的不断深入,也为处理工程设计中的不确定性影响因素提供了先进的手段。.工程建设程序及设计流程.工程建设程序每一个工程都包括不同功能的构件和设备,因此工程设计是一种协作性很强的工作,根掘项目大小,一般是由一个或几个设计小组分阶段、分专业完成的。工程建设程序是指从项目决策、设计、施工到竣工验收整个工作过程中各阶段及其先后衔接的、彼此配合的互相交叉关系的整个过程。我国工程建设程序从设计全过程的整体关系上看,可分为前期阶段、施工阶段、竣工投产阶段三个过程和十个环节,详见图.。从图.中可以看出,工程设计是工程建设的前期阶段,由项目建议书、可行性研究、设计任务书、初步设计、施工图设计或技术设计五个
17、过程组成的。北京业人学掌博.学位论义在这血个阶段中,工程设计一直是在一定活动目标的指导下,运用科学原理逐步明确工程项目所具有的各项功能,使之步入实施阶段。每一项工程设计,当需求确定后,在社会、经济和时间等制约下,设计师的主要任务就是运用工程的方法和手段.编制出满足要求的工程项目施工图。实际上,工程活动也是一个产出的过程,只不过这个产品的形态不是有形的,而是一种概念物,还需要施工阶段的工程师去实施。所以,下确应用工程方法,是促进设计阶段概念发展和选择合理的设计概念的有效方法,应该说工程设计是科学原理和社会利益的桥梁。工程设计就是在工程建成之前在人们意识中预先构成并由图纸作为载体,以图样、文字表现
18、出来的建筑物。工程设计是工程建设前期工作的主要内容,是实现工程建设的基础.它是工程计划的具体化体现,是工程建设的重要环节。具有以下特性:图. 群项目建设稃序.特殊性:工程设计最终产品是设计图纸,而非别的有形物,这是工程设计区别于其它产品的主要特征。社会性:设计图纸只有得到社会的许可,才能建成现实的物体。定向性:这是工程设计的一个主要特征,项设计只能为某个特定的用户服务,即工程设计的圉纸不能成为批量化生产的依据。创造性:有别于其它产品。工程设计是无形的,是脑力劳动的产物,是一种知识产品,在已有资料的基础上进行想象,加以构思深化。科学性:设计过程中,一直都在用科学原理去实现某种社会需求,必第章 绪
19、 论须严格遵循科学规律。专业性:专业分工细,专业性强。综合性:强调专业性,但不排除综合性,各专业问的相互密切合作是设计成功的前提。约束性:设计活动要受到很多条件的限制,如科学技术水平、投入资金的限制、建设条件的限制等。.工程设计流程由于工程设计的特殊性,工程设计过程不能以一般的产出模型进行管理,而是在一定工程活动目标的指导下,运用科学原理去发展对人类社会有用的“产品”,当需求确定了之后,在社会、经济和时间等制约下,设计师的责任是运用工程方法,研制出符合社会要求的“产品”。从供需关系上来看,这是一种由需求到产出的单向过程,但工程设计是在不断反复中趋于完美的。工程方法的中间阶段是概念发展和概念设计
20、阶段,这是工程设计中最重要的手段之一。没有明确的概念设计作指导,设计产品就会成为一个没有明确目标,不适应功能要求,投入产出比很小的工程产品。图.是设计过程的主要流程:幽设计阶段流样. 从图.中可以看出,设计阶段是一个不断改进的循环过程,直接涉及到工程建设的效果。在设计的主要过程中,概念的建立处于极为重要的位置,它起着承上起下的作用。在需求确定以后,概念的建立就成为设计阶段的主要任务,这就是工程的概念设计。在概念确定以后,还要进行一系列的确证过程,这其中包括公众利益的要求、规范的要求、技术水平的要求、投资规模的要求、计算手段的要求等。在这个阶段,设计工程师的主要任务就是使工程项目尽量接近业主的需
21、求,从而为工程建设提供一个有形的决策物。建筑设计可分为数个阶段或过程,不同国家或地区对各设计阶段有不同的定义,有的将此划分为两个过程:即概念设计阶段和详细设计阶段;有的将此过程划分为三个阶段:即概念设计、初步设计和详细设计阶段:另一些根据设计特征将全过程划分为:概念设计、设计深化和旌工图文件形成。由资料口】可知,全美建筑师学会 和美国联邦军队工程师组织将建筑设计划分为七个标准过程并对这些过程的收费标准进行了相应的规定。这些过程包括下列内容:设计准备:场地分析;方案设计;设计深化 ;施工图编制;招投标 ;合同签定。注:设计深化相当于我国的初步设计阶段。美国军队工程师组织建议方案阶段方案设计阶段收
22、费为%,深化设计阶段收费为%,施工图阶段为%。忽略其它阶段。虽然方案设计阶段包括概念设计阶段的设计收费仅占全部设计收费的%,却决定了%的建设投资,所以此阶段是设计过程的最重要阶段。我国建筑设计过程可分为四个阶段:项目可行性论证:设计方案;初步设计;施工图设计。其中项目论证阶段单独收费,约占投资总额的%左右:设计阶段的基本特征是智力和技术的双重性,一般占总投资额的%左右,其中设计方案收费占总设计费的%,初步设计阶段收费占总设计费的%,施工图设计阶段收费占总设计费的%。在对工程投资的影响方面,经验数据显示,项目可行性论证阶段对总投资的影响在%:设计阶段对总投资的影响在“/%左右。单项工程一般不进行
23、专门的可行性论证,而把这方面的工作交由设计方案阶段和初步设计阶段,这样.设计阶段对工程总投资的影响可能占到了工程总投资额的%。可以说,设计前期对工程投资额的影响是巨大的。在建筑物设计初期,结构工程师可能提出数套概念设计方案,经过对这些方案的不同规则的一致性、成本分析、结构分析和结构体系功能评价,仅有一套方案最终进入设计流程。出于体育馆建筑的复杂性,其结构设计比其它建筑更值得关注。在设计过程中,建筑师和结构工程师之间的合作非常重要。结构工程师应尽量满足建筑现师的要求,同时建筑师也应当考虑结构的安全性、体系的合理性和结构成本。通常情况下,当建筑师定下概念建筑设计方案后,结构设计也就丌始了其概念设计
24、阶段。在这个阶段,建筑师和结构工程师之间有许多交流、讨论和妥协。结构概念设计阶段,最重要的事就是决定结构设计形式、结构系统和构件尺寸,而且必需满足建筑空间的分割要求和功能要求。为获得最优解,对相比较有优势第章 绪 论的设计进行评价。一般说来,应该为丌发商和建筑师提供几套方案进行考虑。一旦推荐方案获得通过.就应当进入设计深化阶段。.结构概念设计的提出结构概念设计是指结构工程师根据业主的要求,结合建筑方案、建筑环境分析在现有经济技术的基础上,通过草图构思、模型初步分析等手段,将产生的多种结构设计方案表现在建筑方案中的过程。所以,结构概念设计阶段应包括建筑师和结构工程师对方案的构思、初步筛选、发展与
25、完善、经济比较等步骤。建筑师在初步构思完成后,经与结构工程师卡刀步协商,确定该方案的结构技术可行性,结构工程师是在建筑师有一定的建筑构形的基础上进行初步构思筛选的,这一过程更多的是凭借结构工程师的经验与直觉,有时也可让业主参与到这个过程中。初步筛选的目的是为了淘汰一些没有明显发展前途或偏离设计目标的设计概念,所以所保留设计概念的范围可适当宽一些,以利于进一步深化和提炼。在这一过程中,有的建筑构思可能就被否决而进入下一轮的再构思,这一阶段可耻下场称之为初步概念设计阶段。设计构思进行到一定程度后,可以对草图进行多方案的进一步筛选,此阶段多采用经验性评价方法和数值解析类比评价方法相结合,对其具体的技
26、术合理性和经济性进行客观的评价,这一阶段可以称之为概念设计阶段。在这一过程中,评价项目的总数不宜过多,应抓住重点,考虑那些重要的、基本的要求项目。在概念设计阶段完成后,建筑师和结构工程师以及后续各专业的工程师可集中精力对概念进一步深化和发展,可通过细部比较、效果图、模型等更直观、具体、有效的形式进行表现。然后,再对该方案反复进行进一步的技术分析,使方案达到初步设计阶段要求或直接进入施工图阶段。这一过程可以称之为深化概念设计阶段。这三个过程可用图.表达。幽一概念殴计阶段主要过程.一 北京丁业人学学博学位论义在概念设计的产生过程中,从初步概念设计阶段到概念设计阶段以及发展概念设计阶段,着重从技术性
27、能、材料、造型形态、抗灾害损失方面进行评价,并注重创造性、科学性、可行性和社会性等评价原则,总的特点是由浅入深,由表及里,由粗到精、由无形到有形,所采用的方法和手段也依不同的阶段有不同的选择,其过程呈发展、完善的趋势。不同的工程结构在概念设计阶段其概念设计方法和特点也各不相同。从以上论述可见,结构概念设计是和建筑概念设计是同步进行的,所以结构概念设计实际上是建筑概念设计的延伸,不能将建筑概念设计和结构概念设计完全割裂开去做,需要建筑师和结构工程师的密切配合才能完成。随着工程建设规模的增加和工程复杂程度的加大,在概念设计阶段建筑师和结构工程师及设备工程师之问的关系应该更加密切,这是圆满完成工程设
28、计的前提。在概念设计阶段,建筑师和结构工程师都是为着一个目的进行工作的,只是侧重点不同而已。结构工程师关心更多的是结构的安全性和抵御灾害的能力,建筑师则更关心建筑的协调性和环境适应性。可以说,在概念设计阶段,需要结构工程师不仅具有分析的能力,而且也应该具备综合的能力,关注的对象应该是结构的适用性和建设的可行性。.结构概念设计的研究现状.结构概念设计的特点在概念设计阶段,由于计划任务书仅给出了工程项目的建设意向,对其进行详细描述或特征定性的可能性不大,所以在概念设计阶段存在许多不确定性信息,分析和判断这些信息就需要对这些信息进行科学的处理。以往的概念设计主要是依靠工程师的工程经验进行判断修正,使
29、每一步的概念设计逐步完善,我们可以对这个过程进行以下的描述。一般认为,概念设计阶段是由不断趋于满意的循环过程构成的,基于这个过程的工程设计具有以下三个特点:分析:深入理解问题的过程综合:生成解决方案的过程评估:判断和比较比选方案的过程丑圈豆玎 图.概念设计阶段循环过稃, 弟币 埔 论这三个过程是一个逐步趋于完善的循环,图.可清晰地反映出这一循环的特点。分析过程的特性是信息的模糊性,仅有一些不完整数据及其生成的一些较为准确的陈述可供设计人使用。综合阶段运用各种知识和不准确的经验用纸图的方式表达,这一阶段的特点是设计人员灵感起支配作用,从而产生了建筑物和设计意图的图形表达方式。在评价阶段,设计人员
30、用相对严格的功能模型和计算手段对方案比选,从而确定其经济上的合理性和技术上的可行性。这个过程是一个选择循环过程,直到方案达到各方满意为止。结构概念设计初期的一个突出特征是建筑师经常变化设计方案,每个方案所强调的重点也不同。当设计问题被解决或解决方法有了新的进展时,这些重点也在不断地增删。在概念设计阶段,相关问题仍然处于待定状态。在概念设计后期即发展概念设计阶段,这些问题必须搞得更清楚,以便得到简略的解决方法,因而必须有相应的简化计算方法和评价方法检验概念的成果。.,结构概念设计的传统方法作为一种先进的结构设计理念,结构概念设计应该在结构工程师的具体工作中得到大力发扬,也应该在工程设计中被广泛推
31、广。每一个工程项目的设计中都渗透着这一理念,结构工程师都在围绕这一方法进行结构设计。这罩面很多知识是根据多年工程经验总结的内容,文献就是这方面的杰出代表,并将结构概念设计作为主线贯穿书中。林同炎教授认为,先进的设计思想可以通过概念设计充分地展现。结构工程师的主要任务就是在特定的建筑空白中用整体概念来设计结构的总体方案,并能有意识地利用总结构体系与各基本分体系之阳的力学关系.而不仅仅是能精确地计算和分析一个给定的分体系或构件。国际上公认的优秀结构设计,都是由一种或几种基本分体系有机地组合而成的。这就要求结构工程师具有不懈追求尽善尽美的设计思想,同时也要求具备丰富、踏实的整体结构概念和基本分体系的
32、相互比较概念。客观现实是,凡是概念设计做得好的结构工程师,其结构的概念是随着年龄与实践的增长而越来越丰富,设计成果也越来越创新、完美。反之,只会成为依赖规范、设计手册、计算机程序做习惯传统设计的结构工程师,特别是在一体化计算机结构程序全面应用的今天,随着时间的增长导致学过的那些孤立概念都被忘却,更谈不上成果的不断创新。在工程设计中,要求结构工程师把方案阶段的建筑形式看作总结构体系,要求设计者运用他们对结构性能、强度、和功效的知识分析初步的房屋形式。并对结构材料的适用范围及其基本性能有效强的了解,从分析空间组成部分和象征要求得到的房屋形式是个具体的整体。即可以把给定形式方案代表一个整体结构,并以
33、此进行分析确定它的总荷载和总抵抗能力。概念设计可以籍著于概念性简化计算来完成,虽然有一定的误差,但概念清楚、定性准确,计算简便、快捷,能很快选择和确定最佳方案;同时也是施工图设计阶段判别计算机计算结果可靠与否的主要依据。.结构概念设计的软科学方法软科学是研究社会问题的科学方法,常被称为改革社会所必需的一种社会软件。它综合了自然科学、社会科学以及哲学理论的方法,对复杂的社会、经济课题进行预测、规划、管理和评价,从整体思维的角度去探求最优化的解决方案和决策。它有以下三个特点:注重研究人和社会因素在自然现象和科技项目中的作用寻求解决问题的策略和方法综合运用广泛的领域知识,为不同目的服务综上可见,软科
34、学必须基于系统分析的原理,通过对研究对象建立物理模型和数学模型进行定量分析。在整个过程中,以全面、连贯、动态、灵活、发展的辩证的系统思想,进行多元、多值、多测度的网络分析。王光远院士认为,概念设计属于前期决策阶段工作,包括可行性论证、功能优化、结构选型、结构最优设防水平决策这四个过程,这一阶段所研究的对象还没有具体的结构设计方案,因而称之为处于概念设计阶段。概念设计的目标是得出科学确的优化方案,这一目标需要结构理论、建筑经济、施工管理和工业企业各方面的专家共同配合、协商才能建立起合理的评估方法和评价准则。工程项目可行性论证首先要看它在国计民生中的作用,也就是要看它带来的社会经济效益,以及它对环
35、境和生态的影响。它直接决定该工程是否兴建、规模大小和分期建设的规划。这是门亟需大力研究的重大纲领性研究,经政府、工程界和学术界的充分重视和通力合作,彳能逐步实现并完善。现行的建设项目评价方法与参数只是从经济的角度进行论证,从方法论来看还缺乏有力的优化手段,只是论证了可用性、而未能进行更科学的决策以寻求“最优解”。功能优化主要是指经过了可行性论证之后,工程项目的任务、规模、建设地点、建设分期等重大问题已经决定,考虑工程建设的总体布局及规划的过程。这也是一个重大的决策,直接影响工程的社会和经济效益、运行的功能效益和对环境的美学效应。这一过程实际上是对各子系统问的相互关联方式的研究,寻求系统内各部分
36、之间功能与成本的爆佳匹配,使系统各部分的功能寿命大体一致,属于系统工程学的范畴。结构选型是在功能要求确定以后,根据功能的要求进行的结构拓扑和材料拓扑。这个过程具有强烈的综合性、包含大量的不确定性,必须利用模糊综合评判或模糊随机决策的方法进行。这其中要考虑对结构功能、社会效益、结构可靠度和造价有重大影响的决策。但这部分国内外对其理论尚未进行充分的研究。文献?.【”从选型方案的智能生成,选型方案的智能评价,选型方案的智能决策三个方面对结构选型的智能化进行了理论上的研究,并应用专家系统仿真专家的思维方式,即逻辑思维、形象思维和创造性思维,对概念设计阶段的进行了多人、多层次、多目标的综合评价。在建筑结
37、构选型中,设计人员必须根据大量不确定性的因素来确定结构体系方案,这个任务不是普通设计人员所能完成的,只有具备大量工程设计经验的专家才能够自如地处理这个问题,如何进行结构选型已受到国内外一些专家的关注并己开始研究。目前,已开发了些结构选型的专家系统,主要有:何广乾等人根据多年.柬的实践经验,采用有关隶属数进则行综台模糊评定来选择结构体系,该系统适合规则建筑。等人通过引入“虚拟层数”的概念来量化选择结构体系,其实质也是综合模糊量化方法。刘西拉丌发了高层建筑结构仞步设计的专家系统,其中包含“结构体系选择”部分。该系统是一个基于神经网络的专家系统,它利用人工神经网络来存贮专家的设计经验。此外,王光远等
38、人论述了大型复杂结构选型的若干关键科学问题,包括:结构选型在工程全寿命优化和结构优化中的位置、结构选型的知识获取与表示、结构选型的知识推理、结构选型的问题求解、结构选型智能设计系统的建造。陶忠等人分析了高层建筑结构选型设计的决策影响因素,提出如何计算这些影响因素的权重分配系数和评价矩阵,从而达到利用模糊数学,初步建立起模糊综合评判的数学模型。结构最优设防水平是研究工程系统抗御自然灾害的能力,过去主要是靠少量资料拍脑袋决定的。文献】【中详细阐述了基于可靠度求解的最优设防烈度的方法和基于最优荷载的求解最优设防烈度的方法,文献还详细研究了基于最优荷载求解最优设防烈度的工程实用方法。这几种方法都是在考
39、虑项目长期效益和工程直接成本下的数学规划的求解问题。这一理论方法中的结构选型和结构最优设防烈度就是我们酊面所叙述的结构概念设计部分,作为基于软科学的工程概念设计研究,这一方法更具有广义性和科学性,不仅适用于抗灾结构的概念设计,也适用于般情况下的结构概念设计。.结构概念设计中的规范要求建筑物在地震动作用下的受力比静力状念下更为复杂,内力反应更加敏感,所以对建筑物整体性的要求很高,需要从结构整体的体、形以及结构构造处理上深化结构的概念要求。近年来,在抗麓设计中,结构概念设计的方法己为大多数结构工程师所接受,文献【”】从不同方面论述了结构概念设计的具体问题。实际上.结构概念设计不仅仅存在于结构抗震设
40、计中,只是在结构抗震设计中,结构概念设计占有更加突出的位黄。结构概念设计应该具有其广义的定义,结构抗震概念设计的方法可作为一般方法推广到结构概念设计中。龚思礼教授认为,结构抗震设计涉及到地震本身、结构及其在地震作用下的反应等诸多复杂问题,在目前的认知条件下,还不能完全依靠严格的计算柬确保结构安全可靠。鉴于此,研究者们提出了结构抗震概念设计.旨在应用经验和判断柬考虑建筑的总体方案和细部构造,做到合理的抗震设计,从而从根本上提高结构的抗震性能。这一方法已被许多国家的抗震规范采用,其中我国从建筑抗震设计规范 一开始引入了这一方法,现行的建筑抗震设计规范仍在沿用这一方法。概念设计是设计者从结构设计总体
41、方案上考虑,利用震后实际观察的资料以及自身的经验判断来确定合理的结构方案。其出发点是整个结构体系,这对于结构抗震是很合理的.也是十分重要的。可是概念设计中的一些概念,大多来自实践经验和震害调查总结,且多为宏观定性描述。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,并能有意识地处理构件与结构、结构与结构的关系。一般认为,概念设计做得好的结构工程师,随着他的不懈追求.其结构概念将随他的年龄与实践的增长而越来越丰富,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
42、性传统设计,缺乏创新,更不愿不敢创新,有的甚至拒绝对新技术、新工艺的采纳害怕承担创新的责任。大部分工程师在一体化计算机结构程序设计全面应用的今天,对计算机结果明显不合理、甚至错误则不能及时发现。强调概念设计的重要,主要还因为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。同时计算机结果的高精度特点,往往给结构设计
43、人员带来对结构工作性能的误解,结构工程师只有加强结构概念的培养,才能比较客观、真实地理解结构的工作性能。概念设计之所以重要,还在于在方案设计阶段,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其掌握的结构概念,选择效果最好、造价最低的结构方案,为此,需要工程师不断地丰富自己的结构概念,深入、深刻了解各类结构的性能,并能有意识地、灵活地运用它们。概念设计一词,引自“ ”,是指依靠设计者的知识和经验,运用合理的思维和判断,正确地决定建筑的总体方案和细部构造,做到合理的抗震设计。概念设计区别于数值设计,即区别于依靠计算分析为手段得出的数据以进行抗震设计。但概念设计不排除计算分析,
44、恰恰还要为币第幸 绪 论确的计算分析创造有利的条件使计算分析的结果尽可能地反映地震时的结构地震反应的实际情况。做好建筑物的抗震设计,应改考虑以下的一些因素:对建筑所在地区的地震历史、地震特点、环境小区因素、地质因素有较全面的了解,以便所选取的建筑总体方案能适应这种地震运动,应对地震的破坏作用。要同建筑的功能、建筑美学的需要取得良好的配合,即在与建筑师的密切合作下做好抗震设计。对建筑结构的地震反应有较为切实的估计,估计结构可能存在的薄弱环节,以便于采取必要的抗震措施。应估计到所采取的结构构件的细部构造、措施的性能及其有效性,以便能保证构件在地震时的良好工作状态。应估计到所采取方案在地震作用分析方
45、面的可行性能否取得符合客观实际的计算简图和分析方法。应注意到为施工创造有利的条件,保证工程质量以提高建筑物的抗震能力。结构概念设计涉及地震工程的各方面的知识,需要更多的地震工程方面的科学素养和实践经验。现阶段,抗震设计还是一项“艺术”,而不完全是一项“科学”,要求设计者根据工程地震和地震工程各方面的知识和经验,做出正确的工程判断,得到更合理的抗震设计。在这方面的研究中,首次把结构构造设计作为结构概念设计的一个有机的组成部分,实际上是把结构概念设计的范畴扩展到了技术设计即施工图设计这一个阶段,即要求结构工程师在设计的全过程中都要运用概念设计的理论和知识进行结构的概念设计。.体育馆建筑结构概念设计
46、存在的问题体育馆是在室内进行体育比赛和体育锻炼的建筑。按使用性质可分为比赛馆、练习馆和综合馆三类。一般而言,体育馆的主要室内使用空间是由大跨度的屋盏结构及其支撑结构构筑而成。结构技术在相当大的程度上影响着体育馆的功能组织、空间构成、流线安排、形象表现、经济效能、环境创造等诸多方面【。困此,工程设计中必须视和重视结构的作用,从结构视角入手,追求建立在新结构、新材料、新技术基础之上所形成的体育馆建筑结构概念设计理念。.体育馆建筑结构体系的特点就空问观点而占,体育馆建筑可被认为是由一个主要的观赛厅大空间和许多附属的低矮的小空间所共同构成。因此,结构设计的难点是根据建筑的需要确定合适的大跨度结构型式和形态。目前常用于体育馆建筑的大跨度结构体系屋盖及其支撑结构主要有三类。平面结构体系;空间结构体系:组合结构体系。三种结构体系组成了一个适应面较宽的系列,其中尤以空结构体系应用最广,这是因为它受力好、跨度大,且能充分发挥材料性能,能够
