建筑论文：基于弯矩图的大型建筑设计方法研究

建筑论文：基于弯矩图的大型建筑设计方法研究

摘要: 考虑到传统的大型建筑设计方法，在进行大型建筑设计时没有基于弯矩图获得大型建筑构件的极致尺寸，因此设计出的大型建筑抵抗弯矩小。为此，进行基于弯矩图的大型建筑设计方法研究。首先，确定大型建筑形态，得出符合结构需求的、连续转折的建筑界面；而后，通过计算大型建筑构件允许应力，获得大型建筑构件的极致尺寸；再结合弯矩图中构件与节点的关系，构造大型建筑设计节点；最后，对于大型建筑设计中结构较弱的部位进行持续改进构造，基于弯矩图实现大型建筑的迭代设计。设计仿真实验，结果表明，设计方法设计出的大型建筑抵抗弯矩最高为887.514 N·m，实验对照组为414.378 N·m，设计方法可以实现对大型建筑的合理设计。

关键词：弯矩图; 大型建筑; 设计方法;

中图分类号: TP343.7  文献标识码:A

0引言：

在我国，针对大型建筑设计的需求量不断增加，对于大型建筑设计方法的合理性提出了更高的要求[1]。弯矩图作为将抽象的力学概念以图片的形式进行展示的重要手段，是建筑师与结构师之间最好的沟通理念。弯矩图的诞生是由Galileo Galilei于1584年首次提出，表明建筑-结构一体化设计是未来建筑行业的主要发展趋势。此概念一经提出，立即受到相关学者的重点关注。在国外，针对基于弯矩图的大型建筑设计方法方面的研究起步较早，Claude-Louis Navier在Galileo Galilei的基础上，通过微分方程，使得建筑需求的形态更加贴近符合结构受力的形态，提高了设计结构的合理化。本文以此为理论依据，基于弯矩图提出一种新型大型建筑设计方法，致力于从根本上提高大型建筑设计的一体化，为大型建筑设计方法的优化设计提供更为广阔的发展空间。

1基于弯矩图的大型建筑设计方法

    确定大型建筑形态是大型建筑设计的首要前提，通过弯矩图解决以往大型建筑设计中实际受力形态抽象化的问题。在本文提出的基于弯矩图的大型建筑设计方法中，通过将大型建筑设计中的4个关键步骤，分别为：形态、构件、节点以及整合，进行整合设计，从而确保基于弯矩图的大型建筑设计方法能够实现一体化合理设计的目标。

1.1确定大型建筑形态

由于大型建筑中，必然会涉及到很多简支梁设计，基于弯矩图能够将简支梁的受力情况以图形的方式进行展现，直观表达出挠度概念以及现连续荷载作用下力矩几何形状。基于弯矩图反弯点弯矩为零、上下传力的原理，可以通过对弯矩图的反复折叠，确定符合结构需求的、连续转折的建筑界面[2]。在反复折叠弯矩图的过程中，必须保证折叠点的选取是在垂直方向传力。与此同时，可结合预应力技术，满足悬挑尺度，保证埋置的预应力钢索形态与格贝梁弯矩图受拉侧曲线一致。在此基础上，将一系列弯矩图反弯点连接成线，以受力分布的角度出发，控制大型建筑曲面形态的平滑程度[3]。为满足大型建筑设计的实际需求，必须在尽可能增加建筑底层支座数量的同时，避让出大型建筑设计中所需要的空间，以保证大型建筑的稳定性。基于此，确定大型建筑的基本形态。

1.2获得大型建筑构件的极致尺寸

    在明确大型建筑形态后，权衡大型建筑与构件需求，将上述的形态设计与结构设计相融合[4]。本文基于弯矩图的结构意义，引进大型建筑需求细分结构系统，通过计算大型建筑构件的弯矩，进而得出大型建筑构件允许应力的计算表达式。设大型建筑构件的弯矩为，则其计算公式，如公式（1）所示。

（1）

在公式（1）中，指的是大型建筑构件的集中荷载；指的是大型建筑需求细分结构距离。在通过公式（1）得出大型建筑构件弯矩后，设大型建筑构件允许应力的计算表达式为，则其计算公式，如公式（2）所示。

（2）

在公式（2）中，指的是大型建筑构件到弯矩图中性轴最大距离；指的是大型建筑构件的扰度。通过公式（2），确定大型建筑构件允许应力，根据得出的具体数值，获得大型建筑构件的极致尺寸。

1.3构造大型建筑设计节点

    在获得大型建筑构件的极致尺寸的基础上，结合弯矩图中构件与节点的关系构造大型建筑设计节点[5]。考虑到节点在大型建筑设计中是一种极为微观的存在，与构件的连接方式一般分为：铰接或刚接两种。无论是针对任意一种连接方式，构造大型建筑设计节点的核心内容就是对大型建筑设计中结构较弱的部位进行补强。构造大型建筑设计节点的具体方式可以通过对节点的转动刚度量化进行实现。设大型建筑设计节点的转动刚度为，则其计算公式，如公式（3）所示。

（3）

    在公式（3）中，指的是大型建筑设计节点相对于弯矩图z轴的惯性矩；指的是大型建筑设计节点的弹性模量；指的是大型建筑设计节点的曲率；指的是大型建筑设计节点截面的荷载。通过公式（3）对大型建筑设计节点的转动刚度的计算，详解构造中大型建筑设计节点的应力情况，为基于弯矩图进行大型建筑迭代设计提供点位支撑。

1.4基于弯矩图的大型建筑迭代设计

    通过构造大型建筑设计节点，对于大型建筑设计中结构较弱的部位进行持续改进构造，直至达到设计的优化迭代。基于弯矩图的复杂形态，折板拱榫卯连接可分为灵活的铰接、抵抗部分弯矩的半刚接，和完全抵抗弯矩的刚接，与之相应的弯矩图能够显示出同样荷载下木 板厚度越来越薄的趋势。可以利用皮数杆将大型建筑结构主体稳定支撑起来后，进行纵向及水平钢筋绑扎[6]。在钢筋绑扎时，必须保证底层竖向钢筋至少伸入基础550mm，并且尽量在根部进行绑扎，提高大型建筑纵向及水平钢筋的稳定承载力。与此同时，纵向钢筋在绑扎过程中不能一次过长，避免在浇筑混泥土时导致钢筋移位，造成安全隐患。水平钢筋绑扎在绑扎过程中必须每砌一皮砌块进行一次绑扎，保证钢筋绑扎的紧密度。至此，基于弯矩图完成大型建筑的迭代设计。

2仿真实验
2.1实验准备

为构建仿真实验，实验对象选取某大型建筑设计工程，并对整体式大型建筑横断面形式、允许误差、检查方法和频率以及权值等参数进行具体设计。某大型建筑设计工程项目及要求，如表1所示。

表1某大型建筑设计工程项目及要求

根据表1所示，分别使用传统设计方法以及本文设计方法进行仿真实验，设置传统的设计方法为实验对照组。仿真实验软件为核查工具 -QAcenter，主要用于对大型建筑设计的仿真模拟。仿真实验主要内容为核查两种设计方法的抵抗弯矩，抵抗弯矩数值越大意味着该设计方法设计出的大型建筑的安全性能越高，从而评定安全性更高的设计方法。在此次的仿真实验中,共进行10次实验。针对核查工具 -QAcenter测得的设计方法抵抗弯矩，记录实验结果，进而判断两种设计方法下大型建筑的安全性。

2.2实验结果分析与结论

根据上述设计的仿真实验步骤，采集10组实验数据，将两种设计方法下的大型建筑抵抗弯矩进行对比，大型建筑抵抗弯矩对比结果，如下表2所示。

表2 设计大型建筑抵抗弯矩对比结果

通过表2可得出如下的结论：运用本文设计方法设计出的大型建筑抵抗弯矩最高为887.514 N·m，实验对照组为414.378 N·m。在10次实验中，设计方法10次大型建筑抵抗弯矩均高于标准差值，对照组仅有2次高于标准差值，设计方法可以实现对大型建筑的合理设计。通过仿真验证结果证明，基于弯矩图的大型建筑设计方法其各项功能均可以满足大型建筑设计总体要求，可以广泛应用于大型建筑设计方面。

3结束语

此次基于弯矩图对大型建筑设计方法进行了研究，提高了大型建筑设计的安全性以及合理度。由于此次研究时间有限，虽然取得了一定的研究成果，能够为大型建筑设计方法的设计提供借鉴，但对于大型建筑设计方法的研究仍有不足，今后还要对其进行进一步研究。通过以上方法设计，为大型建筑设计方法的进一步优化提供参考依据。通过仿真实验证明，基于弯矩图对大型建筑设计方法在保证设计安全方面中的具体优势已经显现出来。为此，有利于加大弯矩图在大型建筑设计方法中的应用力度，以弯矩图作为大型建筑设计方法中的关键指标。本文存在不足之处在于，没有针对弯矩图反弯点弯矩进行深入分析，而这一点可以成为日后弯矩图在大型建筑设计方法中的应用研究方向。

参考文献

[1] 张延,王凤娇. 关键点弯矩值结合各段线形的弯矩图分段绘制方法研究[J]. 安徽水利水电职业技术学院学报,2018,18(004):076-079.

[2] 梁蔚. 大型公共建筑消防设计若干难点问题探析[J]. 智能城市,2018,04(024):030-031.

[3] 徐旻洋,高承勇,周向东等. 基于微服务架构的大型建筑设计企业生产业务平台构建[J]. 土木建筑工程信息技术,2019,11(003):089-095.

[4] 孟宪川. 基于弯矩图的建筑设计方法[J]. 建筑学报,2019,01(006):084-089.

[5] 卢树添. 大型建筑工程项目设计中BIM技术的应用[J]. 智能建筑与智慧城市,2019,01(008):060-062.

[6] 王海涛. 大型综合建筑项目的设计管理分析[J]. 住宅与房地产,2020,01(006):140-141.