試論高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

付國琪

【摘 要】規(guī)范用于控制高層建筑整體性的設(shè)計(jì)指標(biāo)主要有：周期比、位移比、剛重比、剛度比、層間受剪承載力之比、軸壓比以及剪重比等。當(dāng)然，建筑結(jié)構(gòu)模式的變化并非一日之功，是需要有一個(gè)演變過程的，而且在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)，還會(huì)多種模式共存。本文就高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一些問題加以探討。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；工程；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的模式演變

1.1內(nèi)核的形成

高層建筑與其它建筑之間的最大區(qū)別，就在于它有一個(gè)垂直交通和管道設(shè)備集中在一起的、在結(jié)構(gòu)體系中又起著重要作用的“核"。而這個(gè)“核”也恰恰在形態(tài)構(gòu)成上舉足輕重，決定著高層建筑的空間構(gòu)成模式。隨著高層建筑建設(shè)的發(fā)展、高度的增加和技術(shù)的進(jìn)步，在高層建筑的設(shè)計(jì)過程中，逐漸演化出了中央核心筒式的“內(nèi)核”空間構(gòu)成模式，這是各專業(yè)共同探索優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果。在建筑處理上，為了爭(zhēng)取盡量寬敞的使用空間，希望將電梯、樓梯、設(shè)備用房及衛(wèi)生間、茶爐間等服務(wù)用房向平面的中央集中，使功能空間占據(jù)最佳的采光位置，力求視線良好、交通使捷。在結(jié)構(gòu)方面，隨著筒體結(jié)構(gòu)概念的出現(xiàn)、高度的增加，也希望能有一個(gè)剛度更強(qiáng)的筒來承受剪力和抗扭，而這些恰好與建筑師的要求不謀而合。在建筑的中央部分，有意識(shí)地利用那些功能較為固定的服務(wù)用房的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，形成中央核心筒，而筒體處于幾何位置中心，還可以使建筑的質(zhì)量重心、剛度中心和型體核心三心重合，更加有利于結(jié)構(gòu)受力和抗展。

1.2核的分散與分離

然而，隨著時(shí)代的發(fā)展、技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)建筑需求的變化和設(shè)計(jì)側(cè)重點(diǎn)的不同，以中央核心筒為主流的高層建筑“內(nèi)核”空何構(gòu)成模式開始受到了挑戰(zhàn)。對(duì)于結(jié)構(gòu)專業(yè)來說，加強(qiáng)建筑周邊的剛度也會(huì)有效地抵抗地震對(duì)高層建筑的破壞，所以如果將垂直交通和設(shè)備用房等分散地布置在周邊，則無疑也會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)抗震有利。同時(shí)，這種分散的多個(gè)外核的空間構(gòu)成模式，也正好適用于新興的巨型框架結(jié)構(gòu)，使這種結(jié)構(gòu)體系中的巨型支撐柱具有了使用功能。而從建筑設(shè)計(jì)的角度來看，核的移動(dòng)、垂直交通、服務(wù)性房間和管道井分散到建筑的周邊，對(duì)于高層建筑的空間構(gòu)成模式和立面造型上的變化也是極具革命性的。它不但適應(yīng)了其它專業(yè)的需求，而且還有利于避難疏散，創(chuàng)造更大的使用空間和使高層建筑的底部獲得解放。

1.3中庭空間的出現(xiàn)

70 年代前后設(shè)計(jì)的建筑中都加入了一個(gè)十分華麗、氣氛熱烈的大中庭。這種中庭既起著統(tǒng)合空間流線的作用，又是人們休閑交往的場(chǎng)所，中庭中還設(shè)置噴泉疊水、種植各種植物，可創(chuàng)造出一種激動(dòng)人心的歡快氛圍。所以它一出現(xiàn)便深受人們的喜愛，并很快風(fēng)靡全球。80 年代以后，中庭空間開始應(yīng)用于高層辦公建筑。受高層旅館的影響，一些辦公大樓為了追求氣派和空間變化，便在入口處附設(shè)一個(gè)中庭。而隨著人們環(huán)境觀念的增強(qiáng)，以及各國政府對(duì)由于在辦公樓內(nèi)長時(shí)間從事VDT操作，所引發(fā)的情緒緊張，視覺疲勞和心理上的孤獨(dú)感等“辦公室綜合癥”的關(guān)注，高層辦公建筑內(nèi)部空間的設(shè)計(jì)也越來越為人們所重視。提供自然化的休息空間和改善封閉的室內(nèi)環(huán)境，成為高層辦公樓設(shè)計(jì)必須解決的重要問題。于是，在高層辦公建筑中插人一個(gè)或在不同區(qū)域插入數(shù)個(gè)封閉或開敞的中庭的設(shè)計(jì)手法開始出現(xiàn)。

1.4底部空間的變化

早期的高層建筑多直接面對(duì)街道，從街道進(jìn)入門廳，再由門廳進(jìn)入電梯廳，乘座電梯至各樓層，這是高層建筑中最為普遍的空間流線組織方式。建筑空間與城市空間之間缺乏過渡，沒有“中間領(lǐng)域”的概念，在人流集散的高峰期，對(duì)城市交通環(huán)境的影響也較大。盡管許多高層建筑都在門廳的藝術(shù)處理上頗費(fèi)心機(jī)，設(shè)計(jì)得非常富麗壯觀，但是由于空間組織方面的缺陷，門廳內(nèi)往往留不住人，形不成公共活動(dòng)空間，而人口處也常出現(xiàn)人流擁塞的現(xiàn)象。為了解決人流集散和城市交通與建筑內(nèi)部交通相銜接的問題，現(xiàn)在的高層建筑常常采用多個(gè)出入口和立體化組織交通流線的方法。通過首層、地下層和地上的架空廊道與不同層面的城市交通網(wǎng)絡(luò)相連接，以達(dá)到通暢便捷和步行、車行的互不干擾。總而言之，當(dāng)今高層建筑的底部空間設(shè)計(jì)，已從單純考慮建筑與周圍環(huán)境之間的關(guān)系，發(fā)展到進(jìn)行整體的城市空間設(shè)計(jì)，其交通組織和公共活動(dòng)領(lǐng)域的創(chuàng)造也日趨立體化、開放化。

公共活動(dòng)中心多為一個(gè)巨大的中庭或室內(nèi)步行商業(yè)街，它既是人們購物、休閑、交往的場(chǎng)所，又有組織內(nèi)部空間流線、連接各棟建筑的作用。同時(shí)，它還是建筑空間與城市空間的結(jié)合部，是機(jī)動(dòng)車、軌道交通和步行系統(tǒng)與建筑多層次多重銜接的結(jié)點(diǎn)。這種按整個(gè)街區(qū)統(tǒng)籌考慮交通組織和公共活動(dòng)空間的設(shè)計(jì)方法，更進(jìn)一步將城市公共空間“室內(nèi)化”、“集約化”和“立體化”，空間設(shè)計(jì)的重點(diǎn)也由建筑的外部轉(zhuǎn)向內(nèi)部，并致使高層建筑群的使用空間服務(wù)于城市，預(yù)示了今后高層建筑設(shè)計(jì)的一種新的發(fā)展趨向。

2.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則

2.1選擇合適的基礎(chǔ)方案

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)條件，上部結(jié)構(gòu)類型及荷載分布，相鄰建筑物影響及施工條件等多種因素進(jìn)行綜合分析，選擇經(jīng)濟(jì)合理的基礎(chǔ)方案。設(shè)計(jì)時(shí)宜最大限度地發(fā)揮地基的潛力，必要時(shí)還應(yīng)進(jìn)行地基變形驗(yàn)算?；A(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)有詳盡的地質(zhì)勘察報(bào)告，對(duì)一些缺地質(zhì)報(bào)告的小型建筑也應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)查看和參考鄰近建筑資料。一般情況下，同一結(jié)構(gòu)單元不宜采用兩種不同的類型。

2.2合理選擇結(jié)構(gòu)方案

一個(gè)成功的設(shè)計(jì)必須選擇一個(gè)經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)方案，即要選擇一個(gè)切實(shí)可行的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)體系應(yīng)受力明確，傳力簡(jiǎn)捷，同一結(jié)構(gòu)單元不宜混用不同結(jié)構(gòu)體系，地震區(qū)應(yīng)力求平面和豎向規(guī)則?？傊仨殞?duì)工程的設(shè)計(jì)要求、地理環(huán)境、材料供應(yīng)、施工條件等情況進(jìn)行綜合分析，并與建筑、水、暖、電等專業(yè)充分協(xié)商，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型，確定結(jié)構(gòu)方案，必要時(shí)還應(yīng)進(jìn)行多方案比較，擇優(yōu)選用。

2.3選用恰當(dāng)?shù)挠?jì)算簡(jiǎn)圖

結(jié)構(gòu)計(jì)算是在計(jì)算簡(jiǎn)圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，計(jì)算簡(jiǎn)圖選用不當(dāng)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全的事故屢有發(fā)生，因此選擇恰當(dāng)?shù)挠?jì)算簡(jiǎn)圖是保證結(jié)構(gòu)安全的重要條件。計(jì)算簡(jiǎn)圖還應(yīng)有相應(yīng)的構(gòu)造措施來保證。實(shí)際結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)不可能是純粹的剛結(jié)或鉸結(jié)點(diǎn)，但與計(jì)算簡(jiǎn)圖的誤差應(yīng)在設(shè)計(jì)允許范圍之內(nèi)。

2.4正確分析計(jì)算結(jié)果

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中普遍采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，但由于目前軟件種類繁多，不同軟件往往會(huì)導(dǎo)致不同的計(jì)算結(jié)果。因此設(shè)計(jì)師應(yīng)對(duì)程序的適用范圍、技術(shù)條件等全面了解。在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)時(shí)，由于程序與結(jié)構(gòu)某處實(shí)際情況不相符合，或人工輸入有誤，或軟件本身有缺陷均會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的計(jì)算結(jié)果，因而要求結(jié)構(gòu)工程師在拿到電算結(jié)果時(shí)應(yīng)認(rèn)真分析，慎重校核，做出合理判斷。設(shè)計(jì)師的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)還是不可缺少的。

2.5采取相應(yīng)的構(gòu)造措施

始終牢記“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)壓弱拉原財(cái)”；注意構(gòu)件的延性性能；加強(qiáng)薄弱部位；注意鋼筋的錨固長度，尤其是鋼筋的直線段錨固長度；考慮溫度應(yīng)力的影響。除此之外，還應(yīng)注憊按均勻、對(duì)稱、規(guī)整原則考慮平面和立面的布置；綜合考慮抗睡的多道防線；盡是避免薄弱層的出現(xiàn)；以及正常使用極限狀態(tài)的驗(yàn)算等等都需要概念設(shè)計(jì)作指導(dǎo)。

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過程，應(yīng)從結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)著手，選擇結(jié)構(gòu)平、立面布置盡量規(guī)則以及抗展和抗風(fēng)性能好的結(jié)構(gòu)體系，并通過合理控制以上指標(biāo)，使高層的結(jié)構(gòu)布置更加合理，達(dá)到更好的效果。

【參考文獻(xiàn)】

[1]盧曉軒.論高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討[J].廣東科技，2008（01）.