有關(guān)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的思考

文/陳斌 江蘇泰州 225300

有關(guān)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的思考

文/陳斌 江蘇泰州 225300

隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的生活水平得到極大提高，為了更好的滿足工作、學(xué)習(xí)和生活，人們對建筑提出了更高的需求，促使房地產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，高層建筑層出不窮，隨著建筑高度的不斷增加，建筑的質(zhì)量安全成為人們關(guān)注的重點(diǎn)，直接關(guān)系到人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)是保證建筑質(zhì)量安全的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。本文就高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的各個(gè)要素做了詳細(xì)闡述。

高層建筑；三心合一；荷載作用；結(jié)構(gòu)體系；剪切力

近幾年來，人們對建筑的需求越來越大，但我國土地資源有限，只能通過增加建筑的高度來滿足人們對建筑的需求，建筑物高度增加會造成位移加快、側(cè)移加大，嚴(yán)重影響人們的舒適度，甚至還會引發(fā)建筑工程的質(zhì)量安全問題，直接威脅到人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，因此，如何做好高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避免出現(xiàn)建筑質(zhì)量安全問題成為高層建筑工程設(shè)計(jì)工作的難點(diǎn)與重點(diǎn)。

一、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面常見的問題

1.扭轉(zhuǎn)問題

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的扭轉(zhuǎn)問題指的是在設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)的過程中沒有做到三心（即結(jié)構(gòu)重心、剛度中心及幾何形心）合一，導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動效應(yīng)。高層建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)作用的大小由質(zhì)量分布決定，為了避免建筑結(jié)構(gòu)受到水平荷載作用的影響而出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)問題，必須在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)選擇適當(dāng)?shù)钠矫娌季趾徒Y(jié)構(gòu)形式，力求建筑三心合一。要想使建筑水平荷載作用沿平面分布均勻，從而減輕建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)問題，應(yīng)該盡可能采用圓形、方形、正多邊形、矩形等建筑結(jié)構(gòu)平面形式。但有些時(shí)候由于受到建筑場地的限制，或者城市規(guī)劃對街道景觀有具體的要求，高層建筑結(jié)構(gòu)無法全部做到采用平面簡單形式，而只能采用T形、L形、十字形等復(fù)雜的平面形式，這時(shí)候應(yīng)該嚴(yán)格按照操作規(guī)范設(shè)計(jì)凸出部分的寬度與厚度的比值，使比值合乎規(guī)定范圍，另外，在布置結(jié)構(gòu)平面時(shí)也要盡量保證建筑結(jié)構(gòu)處于對稱狀態(tài)，通過這些措施減少結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)問題的出現(xiàn)。

2.受力性能

對于一個(gè)建筑物來說，建筑師最初進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)并不是詳細(xì)的確定建筑物的具體結(jié)構(gòu)，而是充分考慮建筑物的空間組成特點(diǎn)。建筑物是由一些構(gòu)件構(gòu)成，這些構(gòu)件既大又重，建筑結(jié)構(gòu)必須將本身的重量傳到地面，因此，建筑物底面的穩(wěn)定性對建筑物空間形式的水平方向和豎向的穩(wěn)定性都具有重要意義。在對高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先要搞清楚結(jié)構(gòu)荷載向下作用力與地基土底面承載力之間的關(guān)系，這就要求在結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)階段，必須對總體建筑的承重墻數(shù)量、承重柱數(shù)量以及各自的分布做出總體設(shè)想與規(guī)劃。不論是低層建筑還是高層建筑，水平方向和豎向結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)原理是相同的，但隨著建筑物高度的不斷增加，豎向結(jié)構(gòu)體系逐漸成為設(shè)計(jì)的主要控制因素，主要是因?yàn)橐韵聝蓚€(gè)原因：一方面，建筑物高度不斷增加，勢必產(chǎn)生更大的垂直荷載力，這就對墻、柱、井筒等提出了更多的要求，另一方面，側(cè)向荷載力對建筑物的影響不是呈線性增加，而是隨著建筑物高度增加而增大，因此建筑物高度增加時(shí)側(cè)向力引發(fā)的剪切變形和傾覆力矩要大得多。所以高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和低層建筑還是有很大差別的，不僅要抗剪，還要做到整體抗彎和抵抗變形。

3.建筑過高問題

隨著人們生活水平的不斷提高，對住房的需求量也越來越大，很多房地產(chǎn)商開發(fā)的建筑樓層越來越高，但為了保證高層建筑的抗震需求，建筑規(guī)范嚴(yán)格限定了建筑物的高度，因此，對高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)必須以抗震需求為前提。在建筑物的高度上，原來的規(guī)定把高度限制為A級高度，隨著房地產(chǎn)行業(yè)的不斷成熟，對建筑物的高度限制規(guī)定越來越詳細(xì)，不僅設(shè)有A級高度，還增設(shè)了B級高度，這進(jìn)一步改進(jìn)了高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)措施與方法。在實(shí)際的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，如果忽略了建筑超高問題，到了圖紙審核階段肯定會發(fā)現(xiàn)問題，這時(shí)候再重新對建筑物進(jìn)行審計(jì)或者由專家進(jìn)行重新論證，勢必會延誤施工進(jìn)度，增加建筑成本，降低建筑企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則

1.選擇合理經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)方案

在對高層建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)階段，可以對上部結(jié)構(gòu)的類型和負(fù)載分布、施工條件、工程地質(zhì)條件、相鄰建筑物影響等各個(gè)因素進(jìn)行綜合分析，選擇制定合理又經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)方案，在基礎(chǔ)方案里要對地質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)的勘察并整理成詳盡的報(bào)告，對于一些缺少勘察報(bào)告的地質(zhì)也要進(jìn)行參考鄰近建筑的報(bào)告資料，并進(jìn)行現(xiàn)場查看，在進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)要充分發(fā)揮地基的潛力，必要時(shí)還可以進(jìn)行地基變形驗(yàn)算。

2.選擇合理的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)體系

當(dāng)完成基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案后，還要選擇一個(gè)切實(shí)可行的結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)形式，即結(jié)構(gòu)方案。在選擇結(jié)構(gòu)方案時(shí)要對工程項(xiàng)目的材料供應(yīng)、施工條件、設(shè)計(jì)要求、地理環(huán)境等所有情況進(jìn)行綜合分析考慮，還要與建筑、水、電、暖等各行業(yè)專家充分協(xié)商，做好準(zhǔn)備工作，進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型，一般來說，同一結(jié)構(gòu)單元最好不要選用不同的結(jié)構(gòu)體系，地震區(qū)要遵循豎向和水平方向規(guī)則，綜合分析做出多個(gè)結(jié)構(gòu)方案，并一一對比，選擇最佳結(jié)構(gòu)方案。

3.確保計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確無誤

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)往往采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，由于科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，市面上的軟件種類繁多，不同的軟件可能會導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)不同，一旦計(jì)算結(jié)果出錯(cuò)勢必造成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，直接威脅建筑的質(zhì)量安全。為了保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)師必須對程序的適用條件、適用范圍等進(jìn)行全面了解，排除所有影響計(jì)算結(jié)果的因素，如人工輸入有誤、建筑結(jié)構(gòu)實(shí)際情況與程序不符、軟件本身存在缺陷等，當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)工程師拿到計(jì)算結(jié)果時(shí)必須慎重審核，認(rèn)真分析，合理判斷，保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確無誤。

4.采取構(gòu)件措施

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)要牢記“強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)壓弱拉”的原則，加強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的薄弱部位，注意構(gòu)件的延性性能、鋼筋的錨固長度，特別是鋼筋的執(zhí)行段錨固長度，同時(shí)還要考慮到溫度應(yīng)力對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響力。

三、高層建筑結(jié)構(gòu)體系

1.框架結(jié)構(gòu)體系

框架結(jié)構(gòu)體系一般用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)中，是由柱和梁通過節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的承載結(jié)構(gòu)體系。優(yōu)點(diǎn)是能夠靈活布置建筑空間，使用方便。隨著建筑物高度不斷增加，水平作用力不斷加大，框架底部梁柱構(gòu)件的剪力和彎矩明顯提高，配筋量和梁柱截面尺寸也呈上升趨勢，當(dāng)增加到一定程度時(shí)，會對建筑空間處理和平面布置造成困難，進(jìn)而影響空間的正常使用。由于框架結(jié)構(gòu)體系抗側(cè)剛度較小，構(gòu)件界面較小，如果遇到中震或強(qiáng)震很容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)層間位移和整體位移，進(jìn)而引發(fā)震害，威脅人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，綜合對比分析，框架結(jié)構(gòu)體系更適合在層數(shù)較少的建筑或者非抗震區(qū)的建筑工程中使用。

2.剪力墻體系

受力主體結(jié)構(gòu)的構(gòu)件全部由平面剪力墻構(gòu)件構(gòu)成，即為剪力墻體系。剪力墻體系屬于剛性結(jié)構(gòu)，它的位移曲線呈彎曲型，與框架結(jié)構(gòu)相比空間整體性更好、結(jié)構(gòu)剛度更大，用鋼量更少，結(jié)構(gòu)層間位移與頂點(diǎn)水平位移更小，可以滿足抗震需求。同時(shí)剪力墻體系抗倒塌能力強(qiáng)、傳力直接均勻，并具有一定的延性，適用于旅館客房、住宅中墻體較多、開間較小的建筑。

3.筒體體系

筒體體系指的是以筒體作為抗側(cè)力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)體系，包含筒中筒、單筒體、成束筒、筒體-框架等多種形式。筒體作為一種空間受力構(gòu)件，也可分為空腹筒和實(shí)腹筒兩種?？崭雇仓傅氖怯砷_孔鋼筋混凝土外墻或者窗裙梁和密排柱構(gòu)成的空間受力構(gòu)件，實(shí)腹筒指的是由曲面墻或者平面墻圍成的三圍豎向構(gòu)件。通體體系各組成構(gòu)件受力合理均勻，抗震、抗風(fēng)能力強(qiáng)，具有很大的強(qiáng)度和剛度，適用于超高層建筑以及大空間、大跨度的建筑。

四、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.采取具有針對性的技術(shù)措施

高層建筑結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜性，針對不同的問題要采取具有針對性的技術(shù)措施，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常用的技術(shù)措施包含以下幾種：①選擇適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與樓面結(jié)構(gòu)；②對建筑結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位進(jìn)行抗震性能化設(shè)計(jì)，采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、型鋼混凝土結(jié)構(gòu)等提高建筑結(jié)構(gòu)的抗變形能力和抗震性能，必要時(shí)可以模擬中震或大震，檢驗(yàn)建筑結(jié)構(gòu)在地震下的抗震性能化；③材料方面可以選擇空心樓蓋、組合樓板、高強(qiáng)混凝土材料等來降低樓面自身重量；④合理設(shè)置腰桁架和伸臂桁架，選擇合理經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系；⑤強(qiáng)化專業(yè)技術(shù)分析和研究工作，包括多種分析軟件對比、大震下動力彈塑性分析、時(shí)程分析、必要的實(shí)驗(yàn)研究、受力復(fù)雜部位詳細(xì)有限元分析等各個(gè)方面。

2.與建筑師加強(qiáng)溝通，做好概念設(shè)計(jì)

在高層建筑的整個(gè)項(xiàng)目實(shí)施過程中，方案設(shè)計(jì)階段是基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，選擇合理經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)體系，能夠有效促進(jìn)后期結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)、配筋指標(biāo)、施工圖設(shè)計(jì)等各個(gè)環(huán)節(jié)的工作進(jìn)程，因此，對于復(fù)雜性非常大的高層建筑來說，必須重視結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)：首先，要保證良好的結(jié)構(gòu)整體性；其次，要形成整體的空間受力，提高構(gòu)件與結(jié)構(gòu)的材料利用率；第三，要提高結(jié)構(gòu)的均勻性和規(guī)則性；第四，要建立合理有效的耗能機(jī)制。另外，結(jié)構(gòu)工程師與建筑師并不是相互對立的角色，結(jié)構(gòu)工程師要加強(qiáng)與建筑師的溝通，充分了解建筑師對工程項(xiàng)目空間和效果的實(shí)際需求，并以此為基礎(chǔ)選擇符合建筑理念與建筑功能的結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)工程師與建筑師加強(qiáng)溝通，不僅可以減少不必要的大空間和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，還能提高建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和安全性，降低結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度，實(shí)現(xiàn)建筑與結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一，成就建筑經(jīng)典。

3.做好重力荷載傳力

在重力荷載傳力方面，要降低結(jié)構(gòu)自重，選擇合理的傳力路徑：首先，要確保重力荷載傳力的途徑明確、直接，其次，可以采用“組合樓板+鋼梁”，用以降低結(jié)構(gòu)自身重量，并適當(dāng)縮短施工周期，當(dāng)大跨樓板采用混凝土平板方案時(shí)，可以填充球形、圓柱形、塊體形狀等不同的輕質(zhì)材料，形成空腔進(jìn)而降低結(jié)構(gòu)自身重量；當(dāng)采用組合次梁時(shí)，可以借助組合梁效應(yīng)，采取下大上小的鋼梁翼緣進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性，第三，對建筑設(shè)備要求、經(jīng)濟(jì)性、凈高要求、建筑吊頂做法等因素進(jìn)行綜合考慮，對平板、樓板方案分別設(shè)置一到三道單向次梁方案、雙向次梁方案進(jìn)行分析對比，從中選擇最優(yōu)方案。

4.考慮施工過程的影響

首先，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)應(yīng)考慮工程項(xiàng)目的具體實(shí)施操作性以及復(fù)雜節(jié)點(diǎn)部位鋼材與鋼筋傳力的可靠性。在型鋼混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)中，型鋼與主筋相交通常采用以下幾種處理方法：型鋼表面焊接鋼筋連接套筒，鋼筋與型鋼表面加筋板焊連，鋼筋繞過型鋼或者鋼板上開洞穿鋼筋。同時(shí)，特殊的施工過程也會對結(jié)構(gòu)變形、構(gòu)件受力狀態(tài)等產(chǎn)生較大的影響，設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮這些影響因素，確保設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的合理性和施工過程的安全性。其次，要對施工過程進(jìn)行模擬并采用預(yù)變性技術(shù)。在高層建筑中，豎向構(gòu)件之間會出現(xiàn)差異壓縮變形，這會對建筑物的內(nèi)力分布以及建成形狀產(chǎn)生影響。為了提高施工過程的安全性、確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，保證建筑形狀符合設(shè)計(jì)目標(biāo)位形，必須對高層建筑進(jìn)行施工過程模擬和預(yù)變性技術(shù)。

結(jié)語：

綜上所述，隨著我國房地產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展和人們對建筑需求的不斷增加，高層建筑在我國城市建設(shè)中所占的比例也在不斷擴(kuò)大，并逐漸成為衡量城市發(fā)展和社會進(jìn)步的一個(gè)重要標(biāo)志。隨著建筑高度的不斷增加，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅要保證建筑的質(zhì)量安全，還要兼顧合理性和經(jīng)濟(jì)性。只有將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)常見的問題找出并遵循設(shè)計(jì)原則規(guī)范加以改進(jìn)，根據(jù)建筑工程的實(shí)際需求充分考慮施工操作環(huán)節(jié)各種影響因素，采取具有針對性的技術(shù)措施，這樣才能為高層建筑的質(zhì)量安全奠定基礎(chǔ)，為人們的生命財(cái)產(chǎn)安全提供必要的保障，節(jié)約能源、資源，進(jìn)一步推進(jìn)我國房地產(chǎn)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。

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陳斌（321024197202102290），1972-，男，漢族，江蘇靖江人，研究方向：建筑結(jié)構(gòu)。