高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的問題分析

葉國平 楚玲玲

【摘要】高層建筑在城市建筑當(dāng)中所占的比例越來越大，為了確保高層建筑的安全性，設(shè)計師在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中應(yīng)把握好設(shè)計原則，規(guī)避設(shè)計問題，出具科學(xué)的設(shè)計方案。但當(dāng)前我國很多高層建設(shè)的結(jié)構(gòu)設(shè)計差強人意，本文將介紹高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則，提出設(shè)計中存在的問題，并進(jìn)行對策探討，希望助益于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的進(jìn)步。

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

建設(shè)高層建筑是緩解城市用地矛盾的一項重要舉措，因而發(fā)展高層建筑是大勢所趨，除了美觀、實用等基本要求之外，提升高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的科學(xué)性越來越受到業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。但當(dāng)前我國的總體設(shè)計水平并不令人滿意，還存在部分設(shè)計問題，需要設(shè)計師進(jìn)行深入研究，采取有效措施來規(guī)避問題，確保高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的質(zhì)量。

一、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則

（一）選擇合理的計算簡圖

只有運用合理的計算簡圖才能確保結(jié)構(gòu)計算的準(zhǔn)確性，如果計算簡圖不夠科學(xué)，將會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)計算出現(xiàn)錯誤，以此為指導(dǎo)建成的高層建筑就會隱含巨大的安全風(fēng)險。在利用計算簡圖進(jìn)行計算時要將誤差控制在合理范圍內(nèi)，避免引發(fā)重大安全事故。

（二）進(jìn)行科學(xué)的基礎(chǔ)設(shè)計

地質(zhì)條件、荷載能力、鄰近建筑物、施工環(huán)境都是基礎(chǔ)設(shè)計的影響因素，在開展基礎(chǔ)設(shè)計時，要將影響因素都考慮在內(nèi)，出具科學(xué)的設(shè)計方案?；A(chǔ)設(shè)計要挖掘建筑地基的最大潛力，進(jìn)行地基變形驗算。另外，基礎(chǔ)設(shè)計要建立在詳盡的勘查報告之上，從而保證設(shè)計的科學(xué)性。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計存在的問題

（一）結(jié)構(gòu)計算不夠全面

結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的影響因素很多，設(shè)計師在進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算與分析時常常會忽視部分影響因素，致使計算結(jié)果出現(xiàn)差錯。如由于計算模型存在差異，因而運用不同的計算軟件會出現(xiàn)不同的計算結(jié)果，設(shè)計師在設(shè)計時間的壓力下往往不會對計算結(jié)果的正確性和適用性進(jìn)行分析，為結(jié)構(gòu)設(shè)計埋下隱患。振型數(shù)目是否足夠也會影響計算結(jié)果，由于振型系數(shù)是新規(guī)范當(dāng)中提出的概念，很多設(shè)計師對新規(guī)范了解不足，就會忽視振型系數(shù)的影響，在計算時不對振型數(shù)目進(jìn)行調(diào)整，是計算結(jié)果出現(xiàn)偏差。除此之外，地震力、地震周期、非結(jié)構(gòu)構(gòu)件都是結(jié)構(gòu)計算的影響因素，設(shè)計師有意識或無意識的忽略都會導(dǎo)致計算結(jié)果出現(xiàn)錯誤，使結(jié)構(gòu)設(shè)計的質(zhì)量受到影響。

（二）錯誤分析受力性能

高層建筑的受力性能分析方法不同于低層建筑，高層建筑的受力分析除了關(guān)注抗剪之外，還應(yīng)重點考慮抵抗變形與整體抗彎。部分設(shè)計師對受力性能的影響因素分析不到位，忽視了豎向穩(wěn)定與橫向穩(wěn)定的協(xié)調(diào)關(guān)系，也沒有將高層建筑的向下作用力和地基承載力的關(guān)系明確下來，這樣一來，建筑承重墻與承重柱的分布和數(shù)量安排必然會受到影響，出現(xiàn)錯誤。錯誤分析受力性能的后果是十分嚴(yán)重的，在錯誤的分析結(jié)果指導(dǎo)下，高層建筑的施工必然會在承重結(jié)構(gòu)的建設(shè)上出現(xiàn)問題，高層建筑受力不均，承載力薄弱就會引發(fā)建筑倒塌或下陷，威脅人們的生命財產(chǎn)安全。

（三）扭轉(zhuǎn)問題處理不當(dāng)

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計人員都熟知建筑結(jié)構(gòu)的"三心"，即剛度中心、幾何形心以及結(jié)構(gòu)中心，科學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)是將三心匯集到一個點上，只有這樣才能確保建筑的穩(wěn)定性和安全性。但設(shè)計師在進(jìn)行具體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，會受到開發(fā)商或城市規(guī)劃要求的影響，尤其是在設(shè)計一些形狀特殊的高層建筑時，難以做到三心合一，導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)問題出現(xiàn)。設(shè)計師對扭轉(zhuǎn)問題處理不當(dāng)就會使高層建筑在水平荷載的影響下出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)破壞，導(dǎo)致建筑出現(xiàn)質(zhì)量問題，降低高層建筑的安全性。這與設(shè)計師的專業(yè)水準(zhǔn)不無關(guān)系，需要設(shè)計師在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面投入更多精力，以應(yīng)對各類建筑的設(shè)計。

（四）結(jié)構(gòu)剛度計算不準(zhǔn)

結(jié)構(gòu)剛度是高層建筑抵御地震破壞的主要力量，對結(jié)構(gòu)剛度測算的準(zhǔn)確程度將直接影響建筑的抗震性能。從實際調(diào)查結(jié)果來看，有的高層建筑的剪力墻較多，墻體較厚，對于十幾層的建筑來說是比較浪費的，而有的高層建筑的結(jié)構(gòu)剛度卻存在不足，將難以抵御地震影響。造成上述結(jié)果的原因除了施工問題外，主要還是設(shè)計師的計算不夠準(zhǔn)確，沒有針對高層建筑的實際情況來確定結(jié)構(gòu)剛度。另外，設(shè)計師對設(shè)計的剛?cè)嵝杂胁煌恼J(rèn)識，認(rèn)知的差別也會影響結(jié)構(gòu)剛度的計算結(jié)果。針對這種結(jié)構(gòu)設(shè)計問題，亟需出具統(tǒng)一的計算方法，避免結(jié)構(gòu)剛度的計算出現(xiàn)誤差。

三、解決高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計問題的策略

（一）全面考慮計算影響因素

高層建筑的設(shè)計師應(yīng)該不斷進(jìn)行學(xué)習(xí)，對設(shè)計新規(guī)范有充分的了解，明確所有的計算影響因素，并在實際計算的過程中將相關(guān)影響因素都納入考慮，保證結(jié)構(gòu)計算結(jié)果的正確新。首先，設(shè)計師要選擇恰當(dāng)?shù)挠嬎丬浖?，從眾多計算結(jié)果中排除無意義的結(jié)果，確定可供參考的結(jié)果，最終選取最為合理的結(jié)果。其次，要將振型系數(shù)納入考慮，調(diào)整好振型數(shù)目的取值，做好參數(shù)結(jié)果判斷。第三，考慮是否要放大地震力，在計算時不能忽視自振周期的折減系數(shù)。第四，從地震周期出發(fā)，根據(jù)實際情況來確定分開進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算的必要性。第五，在計算過程中，要重視建筑內(nèi)裝飾構(gòu)件的影響，尤其在屋頂處，要處理好風(fēng)荷載的作用，按照科學(xué)的計算方法開展設(shè)計。

（二）深入分析建筑受力性能

高層建筑的構(gòu)件在體積和質(zhì)量上都比較大，為了緩解壓力，結(jié)構(gòu)的荷載需要傳至地面，這就要求設(shè)計師對建筑的受力性能和地面承載力進(jìn)行深入分析。建筑的高度越高，受豎向結(jié)構(gòu)體系的影響就越大，其原因在于只有足夠大的墻、柱或井筒才能承受較大的豎向荷載。另外，側(cè)向荷載也會伴隨著建筑樓層的升高而不斷增加。這些都是設(shè)計師在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要考慮的問題，只有科學(xué)分析建筑的受力性能才能處理好地基承載力與向下作用力的關(guān)系，對承重結(jié)構(gòu)做出合理安排。設(shè)計師要明確高層建筑的受力性能是區(qū)別于基層建筑的，因而不僅要考慮抗剪，還要注重建筑的抗彎與抗變形性能，最終出具明確的建筑受力值。

（三）恰當(dāng)處理建筑扭轉(zhuǎn)問題

建筑扭轉(zhuǎn)問題是設(shè)計師在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須處理好的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。建筑會受到水平荷載的作用，其扭轉(zhuǎn)破壞的程度與建筑的質(zhì)量分布有很大關(guān)系。設(shè)計師的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案要確保平面內(nèi)的作用力是均勻分布的，使扭轉(zhuǎn)振動降至最低，在建筑平面的形狀方面，要盡量選擇圓形、方形、正多邊形等形狀。如果城市規(guī)劃對建筑的形狀提出了特殊要求，如選擇T形、交叉形等不規(guī)則的平面形式，那么設(shè)計師就要對不規(guī)則部分的厚度、寬度比值進(jìn)行控制，還要努力保證結(jié)構(gòu)的對稱型，降低建筑扭轉(zhuǎn)的破壞力。

（四）合理計算建筑結(jié)構(gòu)剛度

結(jié)構(gòu)剛度的確定受到設(shè)計師計算理念和計算方法的影響而產(chǎn)生區(qū)別，致使高層建筑有墻體浪費或剛度不足的問題出現(xiàn)。設(shè)計師在進(jìn)行結(jié)構(gòu)剛度測算時，必須從實際出發(fā)，考慮土質(zhì)的優(yōu)劣和基巖的深淺，確定高層建筑是否采用樁基，找準(zhǔn)持力層的位置，明確地基的特征周期值。在統(tǒng)籌考慮了以上因素之后，再來確定建筑設(shè)計是該偏剛還是偏柔。然后運用業(yè)內(nèi)最為常用的計算方法來計算建筑的結(jié)構(gòu)剛度，保證結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

結(jié)束語：

高層建筑不斷增多是城市發(fā)展的趨勢，作為設(shè)計師要不斷提升的設(shè)計能力，應(yīng)對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求。在實際設(shè)計當(dāng)中，把握好設(shè)計原則，規(guī)避結(jié)構(gòu)設(shè)計存在的問題，在全面考慮之后出具科學(xué)合理的設(shè)計方案，保證高層建筑的建設(shè)質(zhì)量。

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