論高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)化的幾個(gè)方面

曲秀麗

(山西鴻泰達(dá)建設(shè)工程項(xiàng)目管理有限公司，山西太原 030013)

高層住宅作為人多地少、高地價(jià)的產(chǎn)物，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展仍有較大的市場(chǎng)空間。因?yàn)楦邔幼≌?jié)約了土地，住宅交通方便、綠化面積大，還在一定程度上控制了城市規(guī)模的擴(kuò)大，所以說(shuō)高層住宅的發(fā)展，提供了解決住房問(wèn)題的一種有效途徑，滿足了人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的住房需求。但目前高層住宅結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，存在著過(guò)于保守、不能充分利用資源等問(wèn)題，這就需要我們?cè)诳偨Y(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，依靠科學(xué)技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

1 高層住宅結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

目前，高層住宅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既注重安全，又追求綠色環(huán)保、高效益。所以應(yīng)制訂出合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使高層結(jié)構(gòu)能承受各方面的壓力，減少地震等災(zāi)害的影響。下面對(duì)高層住宅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

1)高層住宅平面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

高層住宅的平面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須要考慮受力和傳力問(wèn)題，結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單、規(guī)則，以實(shí)現(xiàn)受力均勻，減輕震災(zāi)的影響。a.為保證平面有足夠的剛度，平面的長(zhǎng)度不能過(guò)大，而樓板的寬度必須保證，以在平面凹入后，樓板的配筋得以加強(qiáng)。同時(shí)為了應(yīng)對(duì)樓板削弱后產(chǎn)生的過(guò)大應(yīng)力，在平面的端部角區(qū)和凹角部位不宜設(shè)電梯，但從功能上考慮建筑的布置，電梯可以用剪力墻筒體在上述部位進(jìn)行設(shè)置。b.高層住宅的結(jié)構(gòu)設(shè)置沉降縫或者伸縮縫等，可以衍生獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元。如果這些結(jié)構(gòu)單元的平面形狀不規(guī)則、剛度不對(duì)稱，那么建筑物在地震中就容易受到破壞。所以在高層住宅的平面設(shè)計(jì)中，應(yīng)采用精細(xì)的內(nèi)力分析法，解決出現(xiàn)的剛度偏心的問(wèn)題。c.在進(jìn)行復(fù)雜高層住宅的抗震設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)角部重疊部位和細(xì)腰形的平面部分，使用加厚的樓板加固。

2)高層住宅結(jié)構(gòu)的豎直設(shè)計(jì)。

高層住宅結(jié)構(gòu)的豎直設(shè)計(jì)，應(yīng)使結(jié)構(gòu)的剛度自上往下均勻降低，使結(jié)構(gòu)的形狀穩(wěn)定。在具體的建設(shè)中保證混凝土強(qiáng)度不變，持續(xù)使用剪力墻結(jié)構(gòu)等措施，使結(jié)構(gòu)的構(gòu)件在地震的作用下，仍具有良好的延性性能，從而增強(qiáng)建筑的抗震性。

3)高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制參數(shù)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中控制參數(shù)直接影響建設(shè)結(jié)構(gòu)的安全性。因此，應(yīng)選擇合理的控制參數(shù)，以提高結(jié)構(gòu)整體的控制率。設(shè)計(jì)中的參數(shù)包括軸壓比、剪重比、剛重比、層間位移比、剛度比、周期比的處理等。其中，軸壓比的限制可以通過(guò)提高樓層墻和增大柱截面的方法調(diào)整;層間位移角主要是限制結(jié)構(gòu)的水平位移，避免位移的過(guò)大改變，影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，可以通過(guò)增強(qiáng)墻、構(gòu)件的剛度進(jìn)行調(diào)整;剛度比主要是為了限制豎向結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性，避免結(jié)構(gòu)突變形成脆弱層，當(dāng)出現(xiàn)違反規(guī)范的情況時(shí)，可以通過(guò)適當(dāng)加強(qiáng)或削弱本層墻、柱的剛度的方法進(jìn)行調(diào)整。周期比主要限制控制結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，以減少扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的不利影響，當(dāng)出現(xiàn)不符合規(guī)范的抗扭剛度時(shí)，可以改變結(jié)構(gòu)的布置進(jìn)行調(diào)整。

4)高層住宅功用上的特點(diǎn)。

城市建筑可以說(shuō)是時(shí)代的脈搏，亮麗的風(fēng)景。特別是高層住宅的發(fā)展節(jié)約了土地，擴(kuò)大了綠化面積，縮短了管道長(zhǎng)度，在一定程度上減少了基礎(chǔ)設(shè)施的投資。但隨著城市的不斷發(fā)展，高層住宅的建設(shè)也帶來(lái)了越來(lái)越多的問(wèn)題，如:交通擁擠、環(huán)境污染、地質(zhì)下沉等。所以應(yīng)嚴(yán)格按照高層建筑的受力特點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證結(jié)構(gòu)的剛度和延性。

2 高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題

城市化進(jìn)程的不斷加快，造成城市的住房緊張，房?jī)r(jià)一路高升，迫使住宅由多層向高層發(fā)展，出現(xiàn)了鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的高層住宅。高層住宅建設(shè)經(jīng)過(guò)幾十年的快速發(fā)展，研制出了高強(qiáng)度的建筑材料，完善了抗震結(jié)構(gòu)體系，創(chuàng)立了新的設(shè)計(jì)理論，尤其是計(jì)算機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，為高層建筑的安全設(shè)計(jì)提供了有力支持。1)高層住宅結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀。在高層住宅的建設(shè)過(guò)程中，逐漸形成了框架剪力墻結(jié)構(gòu)或框架簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)和巨型結(jié)構(gòu)。鋼則是這種結(jié)構(gòu)理想的建設(shè)材料，因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、抗震性好的優(yōu)點(diǎn)。但是全鋼的結(jié)構(gòu)造價(jià)高、耐火性差，這樣造價(jià)低、承載力強(qiáng)、材料豐富的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)便應(yīng)運(yùn)而生，加之合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了建筑的抗震性能。當(dāng)然，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)也存在著自重大、構(gòu)件斷面尺度大的問(wèn)題。因此需根據(jù)鋼和混凝土的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出更好的結(jié)構(gòu)形式，以獲得合理的經(jīng)濟(jì)效益和精良的技術(shù)。2)高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題。工程質(zhì)量的好壞，尤其是住宅建筑的質(zhì)量?jī)?yōu)劣直接影響人們的生命安全。結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)于建筑的安全、經(jīng)濟(jì)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。但在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中還存在著一系列概念、方法上的差錯(cuò)，這些差錯(cuò)有的是沒(méi)有理解設(shè)計(jì)方法;有的是設(shè)計(jì)人員不顧實(shí)際情況盲目套用別人的設(shè)計(jì)結(jié)果;有的則是沒(méi)能建立正確的設(shè)計(jì)結(jié)果的驗(yàn)證體系。所以為保證建筑的質(zhì)量，必須加強(qiáng)設(shè)計(jì)人員管理和提升設(shè)計(jì)結(jié)果的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

3 高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化及抗震結(jié)構(gòu)優(yōu)化的措施

伴隨著房地產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，與之相關(guān)的建材和建筑工藝也獲得飛速發(fā)展，人們對(duì)住宅的安全性和審美性提出了更高的要求，目前隨著高層住宅的發(fā)展，結(jié)構(gòu)的抗震性成為設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。下面對(duì)高層住宅的綠色環(huán)保和抗震性等方面進(jìn)行分析以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。

1)高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化存在的問(wèn)題及原因。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化通過(guò)將有限分析技術(shù)和優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸和形狀的控制。但在具體的應(yīng)用中仍存在著結(jié)構(gòu)優(yōu)化與理論不一致的問(wèn)題，原因主要有:目前高層住宅建設(shè)沒(méi)有明確規(guī)定要使用優(yōu)化設(shè)計(jì);建筑的設(shè)計(jì)和管理體制使設(shè)計(jì)人員缺乏對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的動(dòng)力;傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)離散變量?jī)?yōu)化，因?yàn)榻ㄖ叽绲拇笮　⑿弯摰男吞?hào)變化都不是有規(guī)律的，不合理的分析反而會(huì)使工程的計(jì)算量急劇增加。

2)高層住宅結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的理念。

隨著全球氣候變暖、環(huán)境污染、生態(tài)破壞等問(wèn)題的出現(xiàn)，“綠色建筑”應(yīng)運(yùn)而生。“綠色建筑”是人類實(shí)現(xiàn)與自然和諧共處，享受高效、舒適生活空間的有效途徑，還可以實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約，環(huán)境保護(hù)。它是在最大限度地保護(hù)生態(tài)平衡的基礎(chǔ)上，充分利用自然資源進(jìn)行建造的建筑，所以又稱為生態(tài)建筑、節(jié)能環(huán)保建筑。經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，建筑結(jié)構(gòu)降低了對(duì)鋼筋、混凝土等資源的使用量。這樣既保護(hù)了環(huán)境又實(shí)現(xiàn)了資源的充分利用。

3)高層住宅抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則。

合理的結(jié)構(gòu)形式對(duì)于增強(qiáng)高層住宅的抗震性有著重要作用，因?yàn)榻ㄖ锏慕Y(jié)構(gòu)會(huì)隨著地震的發(fā)生而改變。要做到建筑結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的抗震性能，需要高層住宅的設(shè)計(jì)人員根據(jù)建筑類型和地震的級(jí)別選擇不同的結(jié)構(gòu)類型。所以在對(duì)高層住宅的結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)綜合考慮建筑的性能，如:穩(wěn)定性、承載能力、延性、剛性，對(duì)于建筑的結(jié)構(gòu)比較薄弱的部位應(yīng)加強(qiáng)抗震措施。同時(shí)在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)設(shè)多重防線，從而使高層住宅形成完整的抗震體系，達(dá)到良好的抗震效果。并且在處理建筑的結(jié)構(gòu)關(guān)系時(shí)，應(yīng)該有足夠的韌性，從而提高建筑的抗震能力和延性。

4)高層住宅的抗震結(jié)構(gòu)中應(yīng)重視的規(guī)則性。

在高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)重視的規(guī)則主要有:建筑主體的抗側(cè)力應(yīng)沿著豎向結(jié)構(gòu)均勻變化，強(qiáng)震區(qū)的高層住宅對(duì)于這種建設(shè)規(guī)則要嚴(yán)格執(zhí)行，以避免薄弱層的破壞影響整個(gè)結(jié)構(gòu);兩個(gè)主軸在抗側(cè)力結(jié)構(gòu)中的方向變形特性與剛性應(yīng)比較相近，這樣兩個(gè)主軸方向的剛度就會(huì)比較勻稱，從而使住宅結(jié)構(gòu)具有好的抗震與抗風(fēng)能力;在主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的平面中同一主軸方向的抗側(cè)力的剛度應(yīng)均勻，這能很好地增強(qiáng)高層住宅的抗震延性，相反如果剛度不均勻會(huì)造成應(yīng)力的集中，從而破壞整體的結(jié)構(gòu)。

5)高層住宅抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的策略。

在建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中高層住宅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是最重要的內(nèi)容，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方案合理與否，關(guān)系著結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)和安全性能?？拐鸾Y(jié)構(gòu)體系作為高層住宅抗震設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，在設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)住宅的規(guī)模及經(jīng)濟(jì)條件等因素進(jìn)行綜合考慮，這樣不僅可以增強(qiáng)整個(gè)抗震體系的抗震能力，還能保證住宅設(shè)計(jì)的安全性?？拐鸾Y(jié)構(gòu)體系的多層設(shè)計(jì)中，第一道防線不宜采用鋼筋混凝土框架，以減少主體結(jié)構(gòu)承受的能量及剛度的強(qiáng)度，以減輕建筑結(jié)構(gòu)的破壞。

總之，高層住宅作為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的產(chǎn)物，其建設(shè)要求既安全環(huán)保又效益顯著。這樣住宅結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不僅要縮短設(shè)計(jì)周期，充分利用建筑材料的性能，還應(yīng)把握高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，對(duì)住宅結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震性能，以改善人們的生活環(huán)境，減輕城市發(fā)展的壓力。

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