淺述高層建筑主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張曉光

【摘 要】進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作時(shí)，要涉及到很多學(xué)科和領(lǐng)域，是具有較大難度的。高層建筑需要滿足的目標(biāo)是較多的，如功能性、美觀性、實(shí)用性、綜合性、經(jīng)濟(jì)性等，針對(duì)目標(biāo)的差異應(yīng)制定與其最適應(yīng)的建設(shè)方案。本文根據(jù)筆者工作實(shí)踐，對(duì)高層建筑主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了分析和探討。

【關(guān)鍵詞】高層建筑主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述

與一般建筑結(jié)構(gòu)不同，高層建筑結(jié)構(gòu)有其自身的特點(diǎn)，由于其高度過(guò)高，建筑物本身要同時(shí)承受水平和垂直兩個(gè)方向的荷載。其中，水平荷載主要是由外界的風(fēng)力引起的，垂直荷載主要是由建筑物本身自重引起的。同時(shí)，不同地區(qū)對(duì)高層建筑物的結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)也有明確的要求。

一般情況下，低層建筑結(jié)構(gòu)受到的水平荷載和垂直荷載都比較小。但是，在高層建筑中，地震和風(fēng)力對(duì)建筑物的影響就比較大，并且是高層建筑荷載的主要決定性因素。隨著高層建筑物的高度的不斷增加，高層建筑位移增長(zhǎng)較快。

但是，一旦高層建筑物產(chǎn)生的側(cè)移過(guò)大，就會(huì)嚴(yán)重影響人們居住的舒適度，并且會(huì)影響建筑物的使用功能。此外，過(guò)大的側(cè)移會(huì)直接損害建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定性。因此，在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須要將側(cè)移控制在規(guī)范要求的范圍內(nèi)，使建筑物能夠滿足人們的正常使用要求和舒適度要求。設(shè)計(jì)師在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要能夠把握其核心工作。

二、高層建筑主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題

1.抗震設(shè)計(jì)問(wèn)題

抗震設(shè)計(jì)規(guī)范明確規(guī)定了抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)，并針對(duì)不同地區(qū)、不同重要性的建筑對(duì)抗震設(shè)防進(jìn)行了合理分類。因此，在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須要使結(jié)構(gòu)能夠滿足延性要求。同時(shí)，在抗震設(shè)防中應(yīng)當(dāng)遵循多道設(shè)防原則。

當(dāng)?shù)谝坏婪谰€的抗側(cè)力構(gòu)件在遭遇地震被破壞后，要能夠有第二道，甚至是第三道防線立即接替，使建筑物不至于倒塌。當(dāng)高層建筑物在遭受地震后，重力荷載是導(dǎo)致建筑倒塌的直接原因。因此在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須優(yōu)先選擇輕質(zhì)高強(qiáng)的原材料。在滿足強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)變形要求的前提下，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性因素，盡可能選用質(zhì)量較輕的材料。

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師要能夠與時(shí)俱進(jìn)，積極應(yīng)用成熟、可靠的現(xiàn)代化技術(shù)和新產(chǎn)品，不斷提高自身設(shè)計(jì)水平，為建設(shè)優(yōu)質(zhì)工程貢獻(xiàn)自己的一份力量，為企業(yè)爭(zhēng)取良好的經(jīng)濟(jì)利益。在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，利用結(jié)構(gòu)自身的抗震性能來(lái)抵抗地震作用，是一種較為被動(dòng)消極的抗震政策，建筑結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生破壞，造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失將會(huì)不可估量。因此，在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須通過(guò)為結(jié)構(gòu)施加控制裝置，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)減震控制。

在地震來(lái)臨時(shí)，控制裝置和結(jié)構(gòu)自身共同承受地震作用，通過(guò)二者的協(xié)調(diào)作用，能夠有效減輕地震反應(yīng)。基礎(chǔ)隔離是結(jié)構(gòu)減震控制的一種很好的方法，通過(guò)安裝隔震裝置系統(tǒng)形成隔震層，能夠有效延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)周期，使結(jié)構(gòu)本身處于延性工作狀態(tài)，有效吸收地震能量，減小結(jié)構(gòu)主體的地震反應(yīng)，避免房屋破壞甚至倒塌。

2.抗風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在高層建筑的設(shè)計(jì)中，自然風(fēng)是不可避免的影響，因此高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不得不重視抗風(fēng)性能。設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，一定要了解建筑材料的抗壓性，尤其是風(fēng)壓帶來(lái)的載荷。因?yàn)楦邔咏ㄖ臉菍虞^高，雖然可以起到擋風(fēng)的作用，但當(dāng)建筑周圍的氣流發(fā)生變化時(shí)，建筑間會(huì)產(chǎn)生風(fēng)洞效應(yīng)，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致旁邊高層建筑的主體結(jié)構(gòu)破壞、玻璃幕墻因強(qiáng)烈振動(dòng)破裂、外部掛件掉落和建筑墻體毀壞的現(xiàn)象。這對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及居住者人生安全是非常不利的。

三、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題的解決對(duì)策

為確保建筑居民的人身財(cái)產(chǎn)安全，消防設(shè)計(jì)理念以防為主，也可以設(shè)置消防應(yīng)急措施，確保最大程度的消防安全。消防設(shè)計(jì)中防火間距很重要，一定要根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行合理設(shè)置。還要根據(jù)建筑所在地的地形條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，以提高該高層建筑與環(huán)境的協(xié)調(diào)性。為了避免火災(zāi)發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的人員疏散問(wèn)題，一定要設(shè)置合理的疏散通道、防煙區(qū)和緊急避難場(chǎng)所。一要考慮防火墻、防火門(mén)和防排煙設(shè)備的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)有效合理并且安全可靠的消防結(jié)構(gòu)，以降低高層建筑的破壞程度，保證居住者的人身財(cái)產(chǎn)安全。

對(duì)于地震方面的設(shè)計(jì)，主要是要優(yōu)化抗震結(jié)構(gòu)?？拐饐?wèn)題，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的地位是不可小覷的。高層建筑本身的高度，使得其建筑要求較高，要優(yōu)化設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)的構(gòu)件位置，使得結(jié)構(gòu)壓力均勻分給每個(gè)構(gòu)件，不會(huì)出現(xiàn)承壓不均而導(dǎo)致地震時(shí)的嚴(yán)重破壞。對(duì)于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件也要考慮其材料的安全性能。

高層建筑的地震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最重要的是對(duì)地基的選擇與設(shè)計(jì)，地基是建筑的根本，一旦發(fā)生破壞，上部結(jié)構(gòu)將無(wú)所依靠。因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須重視地基的設(shè)計(jì)，優(yōu)化其抗震能力，設(shè)計(jì)出既節(jié)省材料又安全可靠的地基。以確保建筑物有足夠的強(qiáng)度和剛度抵抗地震的危害。在確保地基的強(qiáng)度后，還要考慮剪應(yīng)力的問(wèn)題，采取強(qiáng)柱弱梁、加強(qiáng)梁柱節(jié)點(diǎn)抗震構(gòu)造措施、設(shè)置抗震墻等措施來(lái)抵抗水平剪力。建筑物在此基礎(chǔ)上還要考慮對(duì)稱性和穩(wěn)定性，盡量減少地震災(zāi)難的影響。

最后是抗風(fēng)方面的問(wèn)題，對(duì)策是優(yōu)化抗風(fēng)結(jié)構(gòu)。抗風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要綜合考慮多種因素，確保建筑物的抗風(fēng)能力?？癸L(fēng)結(jié)構(gòu)中對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)時(shí)要保證在風(fēng)荷載作用下的穩(wěn)定性。確保地基穩(wěn)固的重要性不僅在抗震中有所體現(xiàn)，對(duì)抗風(fēng)載也起到重要作用。減振體系在高層建筑中的應(yīng)用受到廣泛歡迎，減震系統(tǒng)可以減少風(fēng)荷載對(duì)建筑物的影響，減振系統(tǒng)的選材將起到巨大作用，因?yàn)橛行┳枘岵牧系膽?yīng)用將大大提高高層建筑的抗風(fēng)能力。

要嚴(yán)格按照規(guī)范設(shè)計(jì)抗風(fēng)結(jié)構(gòu)，采取措施減小風(fēng)力在建筑物上的疊加和增強(qiáng)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以減小普遍且危害頗多的風(fēng)壓破壞，為建筑物的安全性能提供安全保證。

四、高層建筑結(jié)構(gòu)受力分析

建筑師設(shè)計(jì)師對(duì)于一個(gè)建筑物的最初方案而言，并不是對(duì)其具體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的確定，而是要重點(diǎn)考慮其空間的組成特點(diǎn)。建筑物的空間形式，即水平方向和豎向的穩(wěn)定對(duì)于一個(gè)建筑物的底面來(lái)說(shuō)是非常重要的。因?yàn)榻ㄖ锏慕M成是由一些無(wú)論是外形還是重量都較為大的構(gòu)件所組成，而建筑物的結(jié)構(gòu)載荷又豎直向下作用于地面上，所以其結(jié)構(gòu)本身要能將它本身的重量傳至地面，對(duì)于建筑物的設(shè)計(jì)而言，明確地基土的承載力與建筑物所選擇結(jié)構(gòu)體系的作用力之間的關(guān)系是一個(gè)最為重要的，最基本的要求。所以在建筑方案設(shè)計(jì)階段，要分布作出承重柱和承重墻的總體設(shè)想。

水平向與豎向結(jié)構(gòu)體系相對(duì)于高層、多層以及低層建筑物而言，其設(shè)計(jì)的基本原理一般具有相同性。但是隨著建筑物高度的不斷增加，對(duì)與設(shè)計(jì)的要求也越來(lái)越高，而豎向結(jié)構(gòu)體系就成為了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制因素，因?yàn)?，首先高層建筑物有較大的豎直載荷，而在這種情況下，就要求有較高的墻、柱或者井筒來(lái)支撐；其次，高層建筑物其側(cè)向力形成的剪切變形以及傾覆力矩比之于普通的建筑物要大很多。

側(cè)向載荷比之于豎向載荷，其對(duì)建筑物的效應(yīng)與建筑物的高度呈正比，即建筑物的高度增加，那么對(duì)建筑物的效應(yīng)也相應(yīng)的增大，它并不是呈現(xiàn)線性增加的。比如，所有條件都基本相同，在風(fēng)荷載作用下，建筑物高度的平方與建筑物基底的傾覆力矩成正向比例，而建筑物高度的四次方與其頂部的側(cè)向位移成正向比例，地震的作用效應(yīng)會(huì)更加明顯。另外，在高層建筑中，除去抗剪的問(wèn)題之外，最為關(guān)鍵的是建筑物整體的抵抗變形和抗彎性，由此可見(jiàn)，高層建筑與低層建筑在其建筑結(jié)構(gòu)的受力性能上存在很大差異。

五、結(jié)語(yǔ)

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)技術(shù)含量較高、綜合性較強(qiáng)的工作，而我國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中還存在很多問(wèn)題。本文分析了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，并針對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，有針對(duì)性地提出了解決問(wèn)題的辦法。目前，建筑行業(yè)仍在快速發(fā)展，高層建筑業(yè)也在發(fā)生著日新月異的變化，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求越來(lái)越高。研究高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的若干問(wèn)題及對(duì)策有助于為提高我國(guó)高層建筑設(shè)計(jì)水平提供參考，不斷完善和發(fā)展高層建筑。

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