建筑空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化研究

■楊正乾 ■景德鎮(zhèn)市建筑設(shè)計院，江西 景德鎮(zhèn) 333000

隨著各方面用地需求的增加，城市土地資源日益減少，而人口漸趨于飽和，加劇了城市用地緊張。為緩解這一現(xiàn)狀，高層建筑興起并迅速發(fā)展。如何利用有限空間，滿足更多人的需求是當(dāng)前需要考慮的重點，建筑空間結(jié)構(gòu)設(shè)計就顯得無比重要。尤其是現(xiàn)代化建筑，空間體系更加復(fù)雜，除了安全實用，人們還考慮美觀、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等因素，建筑還應(yīng)體現(xiàn)出當(dāng)前生活的品質(zhì)。因此，設(shè)計師必須具備足夠的專業(yè)知識，提高自身綜合素質(zhì)，對建筑空間結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化。

1 現(xiàn)代化建筑空間結(jié)構(gòu)的特點

1.1 材料多樣

建筑用途不同，在選擇空間架構(gòu)材料時也有差異，隨著建筑行業(yè)的進(jìn)步，架構(gòu)材料日新月異，越來越多。如以前多使用碳素鋼，現(xiàn)在不銹鋼、鋁合金則應(yīng)用較廣。不銹鋼外型美觀、承載力強(qiáng)，具有良好的防腐蝕性，在大廳、走廊等處皆可應(yīng)用。在經(jīng)濟(jì)技術(shù)的推動下，許多新型材料相繼被研發(fā)出來，某些高科技復(fù)合材料不但質(zhì)量符合要求，而且燃點高、透光性好，還具有較強(qiáng)的自我清潔能力，在大型體育場等建筑結(jié)構(gòu)中有著廣泛應(yīng)用。

1.2 形式多元化

空間結(jié)構(gòu)具有多種形式，形式太過單一，既影響建筑水準(zhǔn)，又難以適應(yīng)全部用途。特別是現(xiàn)代人，喜歡突顯自己的風(fēng)格，所以建筑空間結(jié)構(gòu)比較多元化。而形式的多變，又是吸引眼球的一大因素。就目前而言，可將空間體系分為膜結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、殼體結(jié)構(gòu)和管桁架結(jié)構(gòu)幾類，不少國際著名建筑設(shè)計師的作品就充分體現(xiàn)了其多元性。

1.3 功能要求增多

在設(shè)計建筑空間結(jié)構(gòu)時，首先要考慮其安全穩(wěn)定性，如果存在質(zhì)量缺陷，一切都是空談。隨著土地資源的減少，土地價格持續(xù)增加，房價隨之上漲。除了實用性，整體是否協(xié)調(diào)、成本高低、是否節(jié)能環(huán)保等都應(yīng)納入考慮范圍。這在無形中就增加了設(shè)計難度。另外，風(fēng)力、地震等自然因素也較為重要，一方面要盡量利用自然資源，另一方面還要避開自然災(zāi)害的危害。

2 實例分析建筑空間結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 實例工程

某地方政府辦公大樓采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，地上共有40層，高150m，樓頂是一直徑為25m的鋼穹頂，上面豎立一鋼制桅桿，高度為20m。建筑總面積58200m2。該工程由國內(nèi)頂尖建筑設(shè)計師負(fù)責(zé)，于2010年開始建設(shè)。在設(shè)計空間結(jié)構(gòu)時，設(shè)計了多套方案，最終選擇較為適宜的一種，既符合其功能，又頗具現(xiàn)代意味。

2.2 設(shè)計原則

(1)舒適性。此項目屬于高層建筑，且主要作辦公用，基本功能首先要得到滿足，如采光、通風(fēng)等。在設(shè)計時，盡量增加低層房屋的陽光輻射量;合理設(shè)計空中庭院和休息區(qū)，在休息時可觀看室外風(fēng)景;提高衛(wèi)生間的防疫性;空調(diào)、暖通、給排水等設(shè)計與建筑內(nèi)部高度、空間大小都很適合，給人一種舒適感;(2)個性化。當(dāng)?shù)卣浅Ｖ匾晞?chuàng)新，在平時工作中常打破傳統(tǒng)方式，采用各種新方法。建設(shè)之初，為改變多數(shù)辦公大樓太過呆板嚴(yán)肅的形象，在設(shè)計時希望能夠體現(xiàn)個性化。首先保證空間結(jié)構(gòu)的質(zhì)量安全沒有問題，在此基礎(chǔ)上留下足夠的空間能夠供內(nèi)部人員進(jìn)行個性化改造;(3)環(huán)保性。當(dāng)?shù)厥乾F(xiàn)代化城鎮(zhèn)建設(shè)的楷模，需處處體現(xiàn)現(xiàn)代觀念，尤其是節(jié)能環(huán)保。包括架構(gòu)材料的選擇、結(jié)構(gòu)整體性設(shè)計等，都融入了環(huán)保理念。

2.3 設(shè)計缺陷

在初步設(shè)計時，工程使用16根高性能混凝土交叉柱構(gòu)成外網(wǎng)筒，作為辦公大樓的主體。雖然這種結(jié)構(gòu)在大跨度空間建筑中很適用，但很少作為高層建筑的承重和抗側(cè)結(jié)構(gòu)。設(shè)計師在此方面也經(jīng)驗不足，使得設(shè)計工作更加復(fù)雜。設(shè)計出來的主體結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性、水平荷載、風(fēng)作用、地震作用等多方面都存在很大差異。從理論上講，與直柱網(wǎng)筒結(jié)構(gòu)相比，這種交叉結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、抗側(cè)行更高。但設(shè)計師忽略了結(jié)構(gòu)平面布置所引起的重力荷載，對交叉點的承載力也屬于考慮，而是將重力荷載下交叉斜柱所產(chǎn)生的樓蓋環(huán)梁拉力作為重點設(shè)計內(nèi)容。加上對精細(xì)結(jié)構(gòu)自重施工模擬計算不夠精準(zhǔn)，使得環(huán)梁拉力出現(xiàn)估測錯誤，以至于大樓西側(cè)環(huán)梁和加厚懸臂板層設(shè)置的預(yù)應(yīng)力過大。設(shè)計師考慮到樓蓋鋼梁可能會發(fā)生變形，便在每一層的鋼梁連接處都開設(shè)了月牙孔，而且混凝土樓板和環(huán)梁設(shè)縫斷開，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)。

3 對建筑空間結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析

3.1 要點分析

針對以上設(shè)計中出現(xiàn)的問題嗎，必須及時解決，否則會影響建筑的安全。原結(jié)構(gòu)自重約占了總重量的70%，對其進(jìn)行精細(xì)化施工模擬，并逐層找平后發(fā)現(xiàn)，建筑下部環(huán)梁的拉力較大，是原來設(shè)計值的2/3。而到建筑中部，環(huán)梁拉力逐漸減小，比設(shè)計值要小很多。另外，受靜荷載和動荷載的影響，結(jié)構(gòu)頂點發(fā)生了一定距離的側(cè)移。因為設(shè)計不合理，導(dǎo)致內(nèi)筒南側(cè)的交叉柱應(yīng)力超過北側(cè)近2倍。混凝土徐變現(xiàn)象也頗為明顯，變形移動危害極大卻又不可逆轉(zhuǎn)，必須更改。

3.2 優(yōu)化措施

(1)適度部分預(yù)應(yīng)力?；谏鲜龅姆治?，環(huán)梁拉力預(yù)估過多，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)自重上升。根據(jù)空間結(jié)構(gòu)理念，可以在建筑的下部樓層采用部分預(yù)應(yīng)力，而上部樓層環(huán)梁則完全取消預(yù)應(yīng)力，并且將原設(shè)計中的鋼梁、樓板與環(huán)粱連成一個統(tǒng)一的整體，控制在正常使用狀態(tài)下的樓板軸拉應(yīng)力應(yīng)該≤2MPa。這樣就能夠使得整個工程的預(yù)應(yīng)力筋減少90%以上，而且只需要將預(yù)應(yīng)力筋布置在建筑的下部樓層內(nèi)。除此之外，南部的懸臂板也能夠有400mm厚減少到130mm厚，僅此一項就能夠?qū)⒄麄€結(jié)構(gòu)自重減少近7000t，能夠最大限度的減少南北交叉柱壓應(yīng)力之間的差異;(2)加強(qiáng)交叉柱節(jié)點的鋼板凳。有必要加強(qiáng)交叉柱節(jié)點的鋼板凳。根據(jù)有限元彈性分析以及彈塑性分析表明，交叉柱節(jié)點區(qū)內(nèi)置的鋼板凳能夠?qū)髁ν緩竭M(jìn)行改變，若對其進(jìn)行加強(qiáng)，能夠有效地強(qiáng)化交叉柱節(jié)點強(qiáng)度，增加節(jié)點承載力，從而提高建筑的穩(wěn)固性;(3)南北側(cè)柱的優(yōu)化。將北側(cè)柱的1—28樓部分，將其變成空心設(shè)計，而針對南側(cè)柱部分，則提高其配筋率，將2%的配筋率提高到2.77%。計算結(jié)果顯示，20年后結(jié)構(gòu)頂點向南移的幅度將減小至145mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原設(shè)計的250～350mm。能夠有效地提升建筑的使用壽命。

4 結(jié)束語

該工程在經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，得到審核機(jī)構(gòu)和當(dāng)?shù)卣藛T的贊許。據(jù)悉，工程不但提前完成，而且在不考慮安全性和使用壽命帶來的經(jīng)濟(jì)代價中，節(jié)約了近2400萬的費用，取得了顯著效果，說明此次優(yōu)化非常成功。在今后的建筑空間結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化中，還應(yīng)更進(jìn)一步地探索。

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［2］吳華.當(dāng)前建筑空間結(jié)構(gòu)的特征以及設(shè)計與優(yōu)化［J］.江西建材，2013，24(2):116-118.

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