高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)初探

孫建文

(晉城市晉方圓建筑檢測(cè)有限公司，山西晉城 048000)

習(xí)慣的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)往往給結(jié)構(gòu)工程師造成一種錯(cuò)覺(jué):認(rèn)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是“規(guī)范+計(jì)算”，或是“規(guī)范+一體化計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序”。其導(dǎo)致的結(jié)果必然是:1)依賴和盲從于規(guī)范，認(rèn)為規(guī)范就是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的全部法律依據(jù)，殊不知規(guī)范只是建筑物和構(gòu)筑物所需要的最低標(biāo)準(zhǔn)要求，而且是滯后的。2)盲目依賴和依靠一體化計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序，而對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序的基本理論假定、應(yīng)用范圍、限制條件等缺乏了解，對(duì)計(jì)算結(jié)果不能進(jìn)行正確的判斷、取舍。

如何走出傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的誤區(qū)。作為一名結(jié)構(gòu)工程師，在高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)本著積極、主動(dòng)的態(tài)度，自覺(jué)地完成高層建筑結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)，這是我們走出傳統(tǒng)設(shè)計(jì)誤區(qū)的關(guān)鍵。

那么，什么是高層建筑結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)。

高層建筑結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)就是在特定的空間形式、功能和地理環(huán)境的條件下，以結(jié)構(gòu)工程師自身確定的理想承載力、剛度和延性為主導(dǎo)目標(biāo)，用整體構(gòu)思來(lái)設(shè)計(jì)各部分有機(jī)相連的結(jié)構(gòu)總體系，并能有意識(shí)地利用和發(fā)揮結(jié)構(gòu)總體系和主要分體系，以及分體系與構(gòu)件之間的最佳受力特征與協(xié)調(diào)關(guān)系。

高層建筑結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)分為三個(gè)階段:第一階段，即建筑方案設(shè)計(jì)階段。結(jié)構(gòu)工程師以自身?yè)碛械母邔咏ㄖY(jié)構(gòu)體系功能及其受力、變形特征的整體設(shè)計(jì)概念與判斷力去幫助建筑師開(kāi)拓和實(shí)現(xiàn)業(yè)主夢(mèng)寐以求的，或已初步構(gòu)思的空間形式及其使用、構(gòu)造與形象功能。并以此為統(tǒng)一目標(biāo)，與建筑師一起構(gòu)思總結(jié)構(gòu)體系，并能明確結(jié)構(gòu)總體系和主要分體系之間的最佳受力特征要求。第二階段，即初步設(shè)計(jì)階段。結(jié)構(gòu)工程師通過(guò)概念性近似計(jì)算能迅速、有效地對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行構(gòu)思、比較與選擇，這種近似的計(jì)算方法概念清楚，定性準(zhǔn)確，手算簡(jiǎn)單快捷，能較快地對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行探索、優(yōu)化，乃至最后確定分體系及其構(gòu)件的基本尺寸，并確認(rèn)設(shè)計(jì)方案的可行性。第三階段，即施工圖設(shè)計(jì)階段。由初步設(shè)計(jì)階段可以得到結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算模型和所需輸入的原始數(shù)據(jù)，在施工圖設(shè)計(jì)階段，結(jié)構(gòu)工程師結(jié)合自身?yè)碛械慕Y(jié)構(gòu)概念、經(jīng)驗(yàn)和判斷力，對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)力分析輸出數(shù)據(jù)的可靠性與否進(jìn)行判斷。

作為一名結(jié)構(gòu)工程師，如何去把握，或者說(shuō)有意識(shí)地去進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)。一句話，對(duì)應(yīng)于高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的三個(gè)階段，分別進(jìn)行概念設(shè)計(jì)。

首先，在建筑方案設(shè)計(jì)階段，要正確把握高層建筑結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)，必須堅(jiān)持結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沒(méi)有惟一解的設(shè)計(jì)理念，充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)工程師的創(chuàng)造力和創(chuàng)新能力，協(xié)助建筑師以達(dá)到令業(yè)主滿意的建筑。例如，美國(guó)芝加哥第一國(guó)家銀行大樓建設(shè)之初，銀行業(yè)主追求和向往能在他們銀行大樓的整個(gè)底部有一個(gè)4層～5層樓高的無(wú)柱大空間，以充分滿足他們銀行業(yè)務(wù)在使用功能和形象功能上的需要。在芝加哥第一國(guó)家銀行大樓方案設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)工程師和建筑師合作開(kāi)拓了一種新的結(jié)構(gòu)形式，即將電梯井筒與設(shè)備井筒分別設(shè)置在建筑物的縱向兩側(cè)，作為巨型柱，并將第一道設(shè)備層設(shè)置在第6層，往上每隔18層再各自設(shè)置一道，作為承載力和剛度很大的巨型水平構(gòu)件，并與周邊的巨型柱有機(jī)地剛性連接在一起，從而構(gòu)成了一種巨型框架體系的結(jié)構(gòu)功能與受力特征，不但能有效地抵抗重力荷載和水平荷載，還在整個(gè)大樓底部5 110 m2的面積內(nèi)無(wú)一根柱子，實(shí)現(xiàn)了業(yè)主夢(mèng)寐以求的大空間。同時(shí)，在建筑方案設(shè)計(jì)階段，結(jié)構(gòu)工程師所構(gòu)思的結(jié)構(gòu)總體系應(yīng)有一個(gè)多道防線、剛?cè)峤Y(jié)合的理想剛度目標(biāo)。即具有一定大的剛度和承載力抵御風(fēng)荷載和規(guī)范設(shè)防烈度水準(zhǔn)的地震作用，以及在第一道防線的有意識(shí)屈服后，在結(jié)構(gòu)變?nèi)岬耐瑫r(shí)仍具有足夠大的彈塑性變形能力和延性耗能能力來(lái)抵御可能遇到的罕遇大地震。

其次，在初步設(shè)計(jì)階段，要正確把握高層建筑結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)，必須掌握各種結(jié)構(gòu)體系的近似計(jì)算方法。英國(guó)工程師A.L.L.Baker講過(guò):工程師所掌握的最佳計(jì)算方法，應(yīng)該是運(yùn)用最簡(jiǎn)單、最直接的計(jì)算方法。而近似的計(jì)算方法就是對(duì)一個(gè)結(jié)構(gòu)工程師進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力的最基本的要求。例如，對(duì)于框架結(jié)構(gòu)體系，必須掌握的近似計(jì)算方法為:豎向荷載作用下的直接彎矩分配法，水平荷載作用下的近似計(jì)算法。同時(shí)，結(jié)構(gòu)工程師還必須了解抗側(cè)力構(gòu)件的變形近似計(jì)算，通過(guò)獲取不同抗側(cè)力結(jié)構(gòu)(或構(gòu)件)之間的相對(duì)剛度比較概念，來(lái)大致估算建筑物的變形，以便于提出或比較各種可行的結(jié)構(gòu)總體方案。

最后，在施工圖設(shè)計(jì)階段，仍然要注意把握和運(yùn)用高層建筑結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)。例如，鋼筋混凝土框架柱的軸壓比超過(guò)了規(guī)范的限值，我們要結(jié)合具體設(shè)計(jì)綜合判斷。眾所周知，規(guī)范控制軸壓比限值的目的:要求鋼筋混凝土框架柱截面達(dá)到具有較好延性功能的大偏心受壓破壞狀態(tài)，以防止小偏心受壓狀態(tài)的脆性破壞。同時(shí)我們知道，影響鋼筋混凝土框架柱截面延性功能的因素除軸壓比外，還有框架柱的配箍特征、核心區(qū)混凝土的抗壓強(qiáng)度等級(jí)、縱向鋼筋承擔(dān)截面軸壓的能力、框架柱的截面形狀等因素，軸壓比限值的大小必須根據(jù)具體工程設(shè)計(jì)綜合所有因素進(jìn)行一定程度的合理調(diào)整。

綜上所述，作為一名結(jié)構(gòu)工程師，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)始終堅(jiān)持概念設(shè)計(jì)的理念，既不盲目照搬規(guī)范，也不盲從于一體化計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序，任其隨意擺布;只有始終堅(jiān)持概念設(shè)計(jì)的理念，才可能不斷地追求盡善盡美的設(shè)計(jì)思想，而其結(jié)構(gòu)的概念、經(jīng)驗(yàn)、判斷力和創(chuàng)造力才會(huì)隨年齡與實(shí)踐的增長(zhǎng)而越來(lái)越充實(shí)，其設(shè)計(jì)成果才能不斷創(chuàng)新。

［1］ JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

［2］ GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］ GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］ 高立人.高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)［M］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2005.