高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

王志勇

【摘 要】最近幾年以來，伴隨著我國高層和超高層建筑工程不斷增多的數(shù)量，一系列的弊端與問題在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不斷地涌現(xiàn)了，專業(yè)的設(shè)計(jì)人員必須在實(shí)踐中不斷積累經(jīng)驗(yàn)和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，本文根據(jù)筆者工作經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合了某工程案例，主要就建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)問題進(jìn)行分析。希望能給專業(yè)的設(shè)計(jì)人員參考借鑒。

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

0.前言

現(xiàn)代建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的效率與質(zhì)量要求越來越嚴(yán)格，出現(xiàn)了高度越來越高、層數(shù)越來越多、結(jié)構(gòu)體系越來越復(fù)雜的新特點(diǎn)。建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)各方面的因素與條件進(jìn)行綜合考慮，應(yīng)用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理論、模式與方法，對(duì)設(shè)計(jì)方案不斷完善，從而提供給工程項(xiàng)目建設(shè)必須的技術(shù)文件，好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案不但要兼具經(jīng)濟(jì)性、可行性和合理性等特征而且要具有相當(dāng)?shù)囊?guī)范標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)準(zhǔn)繩的要求，專業(yè)的設(shè)計(jì)人員必須在必須加強(qiáng)理論知識(shí)的研究與專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)，這樣才能全面提升和有效促進(jìn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量。

1.現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)分析

（1）起決定性因素的水平荷載是絕對(duì)不允許被忽視的，現(xiàn)代的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中：樓面使用荷載和建筑物的自重等因素將在豎構(gòu)件中通常引起與建筑物高度的一次方成正比例而水平荷載對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩及其在豎構(gòu)件中引起的軸力，則是與建筑物高度的二次方成正比的一定的軸力與彎矩?cái)?shù)值，所以，豎向荷載基本是定值，而地震作用、風(fēng)荷載等水平荷載的數(shù)值則會(huì)隨著建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的不同，而會(huì)出現(xiàn)很大幅度的變化，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，這種情況經(jīng)常出現(xiàn)，這是必須在設(shè)計(jì)工作中進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算與周密分析的原因所在。

（2）在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，軸向變形也是必須考慮進(jìn)去的，可能會(huì)由于數(shù)值較大的豎向荷載，軸向變形可能在柱中引起一定程度的發(fā)生，引起連續(xù)梁中間支座處的明顯減小的負(fù)彎矩值越來越明顯，也會(huì)產(chǎn)生影響預(yù)制構(gòu)件下料的長度，設(shè)計(jì)人員要依據(jù)軸向變形的實(shí)際計(jì)算值，合理調(diào)整下料長度，而達(dá)到影響連續(xù)梁彎矩的目的。

（3）設(shè)計(jì)工作還有一項(xiàng)重要的控制指標(biāo)——側(cè)移，必須將水平荷載作用下的建筑結(jié)構(gòu)側(cè)移控制在一定的限度之內(nèi)，原因是：，側(cè)移在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中已經(jīng)成為重要的控制指標(biāo)，特別是伴隨著建筑物高度不斷增加，建筑結(jié)構(gòu)的側(cè)移變形在相同水平荷載下增大顯著，這是與與多層建筑完全不同的。

（4）設(shè)計(jì)工作還有一項(xiàng)重要指標(biāo)——結(jié)構(gòu)延性，在相同的地震作用下變形相對(duì)而言比較大，相比較于小高層、多層建筑而言，層數(shù)較高的建筑結(jié)構(gòu)會(huì)相對(duì)更加柔軟一些。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須采取相應(yīng)的工藝與技術(shù)措施，以保證建筑結(jié)構(gòu)具有足夠的延性，這都是為了保證高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性變形階段后，依然會(huì)具有非常合理的變形能力，避免建筑物倒塌或者發(fā)生別的危險(xiǎn)。

2.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程實(shí)例

本文以某高層住宅建筑工程這個(gè)項(xiàng)目為例，需要指出建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本流程與注意事項(xiàng)如下：建筑工程這個(gè)項(xiàng)目位于某城市的市中心繁華的地段，地上20層，地下1層，建筑總高度達(dá)到78.3m，建筑總面積大約25萬m2。宅建筑工程這個(gè)項(xiàng)目建筑結(jié)構(gòu)的長寬比v為3.8～7.4，高寬比為5.6～10.1。宅建筑工程這個(gè)項(xiàng)目所在地有著平坦的地形，以人工填土為主的表層，土層在垂直與水平方向有著非常穩(wěn)定的分布，一般第四紀(jì)沉積土層的以下部分。宅建筑工程這個(gè)項(xiàng)目建筑的結(jié)構(gòu)為二級(jí)安全等級(jí)，抗震設(shè)防重要性為丙類抗震設(shè)防，基本風(fēng)壓0.45kN/m2，抗震設(shè)防烈度為9度抗震設(shè)防烈度。

2.1主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高層住宅建筑工程這個(gè)項(xiàng)目的主體結(jié)構(gòu)采用的是剪力墻——現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系。其中框架的抗震等級(jí)為二級(jí)抗震等級(jí)，剪力墻的抗震等級(jí)為一級(jí)抗震等級(jí)。高層住宅建筑工程這個(gè)項(xiàng)目中部布置剪力墻，形成筒體，并且將其作為主要的抗側(cè)力構(gòu)件，設(shè)置框架柱在筒體周圍合理，這都是結(jié)合建筑物的實(shí)際使用功能。高層住宅建筑工程這個(gè)項(xiàng)目在地下室頂板是結(jié)構(gòu)嵌固端，將板厚設(shè)定為180mm，板配筋為雙層、雙向形式的滿布。地上部分的樓層主次梁沿Y向布置，以利于減小主梁的高度，增加使用凈高，層樓板厚為110mm。這是為了充分考慮其承受與傳遞地震作用產(chǎn)生水平力的問題，這是由于本工程受到層高與使用功能的限制。

2.2基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)人員根據(jù)高層住宅建筑工程這個(gè)項(xiàng)目X向基礎(chǔ)梁的尺寸為900×1800，Y向基礎(chǔ)梁的尺寸為1000×2000或1800×2000，這是由于所在地的地質(zhì)勘探及地基承載力的實(shí)際計(jì)算結(jié)果所決定的。高層住宅建筑工程這個(gè)項(xiàng)目由于受到筒體內(nèi)電梯基坑、集水井局部下沉的影響，因此最終決定采用梁板式筏形為基礎(chǔ)，筒體四周的板厚為1.5m，剩下部位為1.0m板厚，所以，非常有可能導(dǎo)致導(dǎo)致主梁難以正常貫通，筒體部位的豎向荷載也相對(duì)較大。高層住宅建筑工程這個(gè)項(xiàng)目計(jì)算基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)過程中，要特別重視各類技術(shù)資料與數(shù)據(jù)的收集和整理，進(jìn)行計(jì)算時(shí)采用彈性地基梁板基礎(chǔ)軟件，真實(shí)性與可靠性是能夠確保計(jì)算結(jié)果的。

2.3框支層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特性質(zhì)和用途，例如我國天安門城樓，其所以如此雄偉壯觀，除了其他條件之外，夸張的色彩、壯麗的城墻給人以堅(jiān)實(shí)、雄厚的感覺是一個(gè)重要因素，人民英雄紀(jì)念碑也是利用了石材的實(shí)體質(zhì)感以取得莊重渾厚的肅穆效果

除了以虛為主和以實(shí)為主的處理外，還有虛實(shí)均勻布置，虛實(shí)成片集中布置，虛實(shí)交錯(cuò)布置，以強(qiáng)烈的虛實(shí)對(duì)比達(dá)到突出重點(diǎn)的效果，或按一定規(guī)律的連續(xù)重復(fù)的虛實(shí)布置造成某種節(jié)奏和韻律效果。

目前，隨著玻璃材料工業(yè)的發(fā)展，具有各種色彩和性能的玻璃使建筑“虛”的部分具有新的面貌，許多建筑采用了隔熱的藍(lán)色茶色吸熱玻璃，使建筑增加了不少色彩，大片的鏡面玻璃反映著周圍環(huán)境時(shí)刻變幻的景色，更顯得光怪陸離。但是更多的色彩還是靠實(shí)體墻面實(shí)現(xiàn)的。不少公共建筑和居住建筑恰當(dāng)?shù)乩昧诉@個(gè)條件，非常注意實(shí)墻面的裝飾色彩作用，使建筑藝術(shù)得到了充分的發(fā)揮。不論虛或?qū)?，都要結(jié)合恰當(dāng)?shù)谋壤⒊叨纫约捌渌麡?gòu)圖原則，力求避免可能產(chǎn)生的或輕佻、單薄或笨重、呆板等不良效果。

3.案例分析

某游泳中心包括訓(xùn)練、教學(xué)、辦公、食宿等，是一個(gè)綜合性場所。設(shè)計(jì)從各個(gè)功能的用途，使用者使用角度出發(fā)，分析了它們之間的關(guān)系，布局緊湊合理，提供了最大程度的便利性，發(fā)揮了綜合性場所的優(yōu)勢。在其建筑立面造型設(shè)計(jì)上通過綜合分析各功能之間的關(guān)系，從使用者角度出發(fā)，將實(shí)用性與藝術(shù)性相結(jié)合，是建筑既融入環(huán)境，又獨(dú)具特色，成為舒適宜人的環(huán)境場所。

圖1 建筑立面造型設(shè)計(jì)鳥瞰圖

建筑立面造型設(shè)計(jì)上，首先尊重現(xiàn)有的基地環(huán)境，尊重整體風(fēng)貌，將技術(shù)性和藝術(shù)性相結(jié)合，力求創(chuàng)造一個(gè)現(xiàn)代的新型的游泳運(yùn)動(dòng)管理中心。建筑形體北高南低，變化錯(cuò)落有致。屋頂造型既保持了整體感，又表現(xiàn)出沉穩(wěn)的特征。建筑西面正對(duì)西平水庫設(shè)置條形觀景落地窗，把自然水景引入建筑內(nèi)部，建筑與環(huán)境完美地融合在一起。不同建筑構(gòu)件、材質(zhì)和色彩的搭配，既實(shí)用又美觀，使得空間流動(dòng)起來，建筑充滿著朝氣、活力，環(huán)境舒適宜人。

4.結(jié)語

從建筑設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為建筑造型設(shè)計(jì)應(yīng)該在平面空間設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上對(duì)建筑表現(xiàn)形式從總體到細(xì)部作進(jìn)一步的研究、協(xié)調(diào)和深化，根據(jù)現(xiàn)代建筑的基本特征，建筑形式應(yīng)能充分反映建筑內(nèi)容，達(dá)到形式和內(nèi)容的完善統(tǒng)一。這就要求我們首先對(duì)建筑造型藝術(shù)有充分的深刻認(rèn)識(shí)，掌握設(shè)計(jì)建筑造型藝術(shù)的基本特點(diǎn)和要求，才能為造型創(chuàng)作開辟正確的道路。