建筑論文：基于彎矩圖的大型建筑設計方法研究

摘要: 考慮到傳統的大型建筑設計方法，在進行大型建筑設計時沒有基于彎矩圖獲得大型建筑構件的極致尺寸，因此設計出的大型建筑抵抗彎矩小。為此，進行基于彎矩圖的大型建筑設計方法研究。首先，確定大型建筑形態，得出符合結構需求的、連續轉折的建筑界面；而后，通過計算大型建筑構件允許應力，獲得大型建筑構件的極致尺寸；再結合彎矩圖中構件與節點的關系，構造大型建筑設計節點；最后，對于大型建筑設計中結構較弱的部位進行持續改進構造，基于彎矩圖實現大型建筑的迭代設計。設計仿真實驗，結果表明，設計方法設計出的大型建筑抵抗彎矩最高為887.514 N·m，實驗對照組為414.378 N·m，設計方法可以實現對大型建筑的合理設計。

關鍵詞：彎矩圖; 大型建筑; 設計方法;

中圖分類號: TP343.7  文獻標識碼:A

0引言：

在我國，針對大型建筑設計的需求量不斷增加，對于大型建筑設計方法的合理性提出了更高的要求[1]。彎矩圖作為將抽象的力學概念以圖片的形式進行展示的重要手段，是建筑師與結構師之間最好的溝通理念。彎矩圖的誕生是由Galileo Galilei于1584年首次提出，表明建筑-結構一體化設計是未來建筑行業的主要發展趨勢。此概念一經提出，立即受到相關學者的重點關注。在國外，針對基于彎矩圖的大型建筑設計方法方面的研究起步較早，Claude-Louis Navier在Galileo Galilei的基礎上，通過微分方程，使得建筑需求的形態更加貼近符合結構受力的形態，提高了設計結構的合理化。本文以此為理論依據，基于彎矩圖提出一種新型大型建筑設計方法，致力于從根本上提高大型建筑設計的一體化，為大型建筑設計方法的優化設計提供更為廣闊的發展空間。

1基于彎矩圖的大型建筑設計方法

    確定大型建筑形態是大型建筑設計的首要前提，通過彎矩圖解決以往大型建筑設計中實際受力形態抽象化的問題。在本文提出的基于彎矩圖的大型建筑設計方法中，通過將大型建筑設計中的4個關鍵步驟，分別為：形態、構件、節點以及整合，進行整合設計，從而確保基于彎矩圖的大型建筑設計方法能夠實現一體化合理設計的目標。

1.1確定大型建筑形態

由于大型建筑中，必然會涉及到很多簡支梁設計，基于彎矩圖能夠將簡支梁的受力情況以圖形的方式進行展現，直觀表達出撓度概念以及現連續荷載作用下力矩幾何形狀。基于彎矩圖反彎點彎矩為零、上下傳力的原理，可以通過對彎矩圖的反復折疊，確定符合結構需求的、連續轉折的建筑界面[2]。在反復折疊彎矩圖的過程中，必須保證折疊點的選取是在垂直方向傳力。與此同時，可結合預應力技術，滿足懸挑尺度，保證埋置的預應力鋼索形態與格貝梁彎矩圖受拉側曲線一致。在此基礎上，將一系列彎矩圖反彎點連接成線，以受力分布的角度出發，控制大型建筑曲面形態的平滑程度[3]。為滿足大型建筑設計的實際需求，必須在盡可能增加建筑底層支座數量的同時，避讓出大型建筑設計中所需要的空間，以保證大型建筑的穩定性。基于此，確定大型建筑的基本形態。

1.2獲得大型建筑構件的極致尺寸

    在明確大型建筑形態后，權衡大型建筑與構件需求，將上述的形態設計與結構設計相融合[4]。本文基于彎矩圖的結構意義，引進大型建筑需求細分結構系統，通過計算大型建筑構件的彎矩，進而得出大型建筑構件允許應力的計算表達式。設大型建筑構件的彎矩為，則其計算公式，如公式（1）所示。

（1）

在公式（1）中，指的是大型建筑構件的集中荷載；指的是大型建筑需求細分結構距離。在通過公式（1）得出大型建筑構件彎矩后，設大型建筑構件允許應力的計算表達式為，則其計算公式，如公式（2）所示。

（2）

在公式（2）中，指的是大型建筑構件到彎矩圖中性軸最大距離；指的是大型建筑構件的擾度。通過公式（2），確定大型建筑構件允許應力，根據得出的具體數值，獲得大型建筑構件的極致尺寸。

1.3構造大型建筑設計節點

    在獲得大型建筑構件的極致尺寸的基礎上，結合彎矩圖中構件與節點的關系構造大型建筑設計節點[5]。考慮到節點在大型建筑設計中是一種極為微觀的存在，與構件的連接方式一般分為：鉸接或剛接兩種。無論是針對任意一種連接方式，構造大型建筑設計節點的核心內容就是對大型建筑設計中結構較弱的部位進行補強。構造大型建筑設計節點的具體方式可以通過對節點的轉動剛度量化進行實現。設大型建筑設計節點的轉動剛度為，則其計算公式，如公式（3）所示。

（3）

    在公式（3）中，指的是大型建筑設計節點相對于彎矩圖z軸的慣性矩；指的是大型建筑設計節點的彈性模量；指的是大型建筑設計節點的曲率；指的是大型建筑設計節點截面的荷載。通過公式（3）對大型建筑設計節點的轉動剛度的計算，詳解構造中大型建筑設計節點的應力情況，為基于彎矩圖進行大型建筑迭代設計提供點位支撐。

1.4基于彎矩圖的大型建筑迭代設計

    通過構造大型建筑設計節點，對于大型建筑設計中結構較弱的部位進行持續改進構造，直至達到設計的優化迭代。基于彎矩圖的復雜形態，折板拱榫卯連接可分為靈活的鉸接、抵抗部分彎矩的半剛接，和完全抵抗彎矩的剛接，與之相應的彎矩圖能夠顯示出同樣荷載下木 板厚度越來越薄的趨勢。可以利用皮數桿將大型建筑結構主體穩定支撐起來后，進行縱向及水平鋼筋綁扎[6]。在鋼筋綁扎時，必須保證底層豎向鋼筋至少伸入基礎550mm，并且盡量在根部進行綁扎，提高大型建筑縱向及水平鋼筋的穩定承載力。與此同時，縱向鋼筋在綁扎過程中不能一次過長，避免在澆筑混泥土時導致鋼筋移位，造成安全隱患。水平鋼筋綁扎在綁扎過程中必須每砌一皮砌塊進行一次綁扎，保證鋼筋綁扎的緊密度。至此，基于彎矩圖完成大型建筑的迭代設計。

2仿真實驗
2.1實驗準備

為構建仿真實驗，實驗對象選取某大型建筑設計工程，并對整體式大型建筑橫斷面形式、允許誤差、檢查方法和頻率以及權值等參數進行具體設計。某大型建筑設計工程項目及要求，如表1所示。

表1某大型建筑設計工程項目及要求

根據表1所示，分別使用傳統設計方法以及本文設計方法進行仿真實驗，設置傳統的設計方法為實驗對照組。仿真實驗軟件為核查工具 -QAcenter，主要用于對大型建筑設計的仿真模擬。仿真實驗主要內容為核查兩種設計方法的抵抗彎矩，抵抗彎矩數值越大意味著該設計方法設計出的大型建筑的安全性能越高，從而評定安全性更高的設計方法。在此次的仿真實驗中,共進行10次實驗。針對核查工具 -QAcenter測得的設計方法抵抗彎矩，記錄實驗結果，進而判斷兩種設計方法下大型建筑的安全性。

2.2實驗結果分析與結論

根據上述設計的仿真實驗步驟，采集10組實驗數據，將兩種設計方法下的大型建筑抵抗彎矩進行對比，大型建筑抵抗彎矩對比結果，如下表2所示。

表2 設計大型建筑抵抗彎矩對比結果

通過表2可得出如下的結論：運用本文設計方法設計出的大型建筑抵抗彎矩最高為887.514 N·m，實驗對照組為414.378 N·m。在10次實驗中，設計方法10次大型建筑抵抗彎矩均高于標準差值，對照組僅有2次高于標準差值，設計方法可以實現對大型建筑的合理設計。通過仿真驗證結果證明，基于彎矩圖的大型建筑設計方法其各項功能均可以滿足大型建筑設計總體要求，可以廣泛應用于大型建筑設計方面。

3結束語

此次基于彎矩圖對大型建筑設計方法進行了研究，提高了大型建筑設計的安全性以及合理度。由于此次研究時間有限，雖然取得了一定的研究成果，能夠為大型建筑設計方法的設計提供借鑒，但對于大型建筑設計方法的研究仍有不足，今后還要對其進行進一步研究。通過以上方法設計，為大型建筑設計方法的進一步優化提供參考依據。通過仿真實驗證明，基于彎矩圖對大型建筑設計方法在保證設計安全方面中的具體優勢已經顯現出來。為此，有利于加大彎矩圖在大型建筑設計方法中的應用力度，以彎矩圖作為大型建筑設計方法中的關鍵指標。本文存在不足之處在于，沒有針對彎矩圖反彎點彎矩進行深入分析，而這一點可以成為日后彎矩圖在大型建筑設計方法中的應用研究方向。

參考文獻

[1] 張延,王鳳嬌. 關鍵點彎矩值結合各段線形的彎矩圖分段繪制方法研究[J]. 安徽水利水電職業技術學院學報,2018,18(004):076-079.

[2] 梁蔚. 大型公共建筑消防設計若干難點問題探析[J]. 智能城市,2018,04(024):030-031.

[3] 徐旻洋,高承勇,周向東等. 基于微服務架構的大型建筑設計企業生產業務平臺構建[J]. 土木建筑工程信息技術,2019,11(003):089-095.

[4] 孟憲川. 基于彎矩圖的建筑設計方法[J]. 建筑學報,2019,01(006):084-089.

[5] 盧樹添. 大型建筑工程項目設計中BIM技術的應用[J]. 智能建筑與智慧城市,2019,01(008):060-062.

[6] 王海濤. 大型綜合建筑項目的設計管理分析[J]. 住宅與房地產,2020,01(006):140-141.