高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不規(guī)則性的研究與應(yīng)用

趙啟龍

摘要：在現(xiàn)如今的建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，高層建筑的結(jié)構(gòu)體現(xiàn)出一定的不規(guī)則性，這和高層建筑的設(shè)計(jì)方法有直接的關(guān)系。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不規(guī)則性體現(xiàn)出一定的美感，但是如果運(yùn)用不當(dāng)就會造成一系列的問題。因此，本文主要對高層不規(guī)則建筑的特點(diǎn)以及種類等進(jìn)行深入分析，重點(diǎn)闡述了這種結(jié)構(gòu)在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。旨在給建筑工程的設(shè)計(jì)人員提供一定的借鑒和參考，進(jìn)而提高高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平。

關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；不規(guī)則；應(yīng)用措施

眾所周知，在建筑工程設(shè)計(jì)的過程中，需要考慮到建筑工程的所處的地理?xiàng)l件，氣候特點(diǎn)等諸多客觀因素，為了滿足建筑需求，在設(shè)計(jì)中常常會采用不規(guī)則性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不規(guī)則可以表現(xiàn)在很多方面，其中以平面布局、水平受力、豎直受力以及剛度等方面較為突出。在具體的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)人員需要找到結(jié)構(gòu)不規(guī)則點(diǎn)，進(jìn)而對建筑的規(guī)模和方案等進(jìn)行認(rèn)真地設(shè)定。進(jìn)而采取切實(shí)可行的措施來對這種不規(guī)則結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和完善。因?yàn)椋灰?guī)則的結(jié)構(gòu)會降低整體結(jié)構(gòu)的作用力。減少一定的安全性和可靠性，因此需要設(shè)計(jì)和施工人員加強(qiáng)對建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)的重視。

一、高層建筑結(jié)構(gòu)中不規(guī)則性發(fā)展的現(xiàn)狀

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人們生活水平不斷提高，城市化進(jìn)程加快、范圍擴(kuò)大，對建筑的類別和建筑高度等方面的要求也不斷提高，也推動了建筑行業(yè)的不斷發(fā)展和革新。建筑工程設(shè)計(jì)為了適應(yīng)當(dāng)前城市發(fā)展和迎合市場需求，打破了傳統(tǒng)的高層建筑設(shè)計(jì)上要求建筑結(jié)構(gòu)規(guī)則、對稱的設(shè)計(jì)理念。建筑設(shè)計(jì)師為了設(shè)計(jì)出新穎別致、獨(dú)樹一幟的建筑，使之成為城市里的一道靚麗風(fēng)景，通常使高層建筑方案很不規(guī)則，這就給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員帶來了極大的難度和挑戰(zhàn)。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不規(guī)則的特點(diǎn)和形式

由于社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們的基本生活需求已經(jīng)得到滿足。因此，人們追求更高層次的需求，其中最重要的方面就是對建筑結(jié)構(gòu)的需求。通常情況下，建筑結(jié)構(gòu)都以對稱的結(jié)構(gòu)為主，這種設(shè)計(jì)缺乏了一定的新意，因此，不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)就受到了設(shè)計(jì)師們的青睞。這也是對設(shè)計(jì)方式的創(chuàng)新。對于設(shè)計(jì)師來說，設(shè)計(jì)是一門藝術(shù)，要賦予一定的美感，建筑的美首先表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上。因此，不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。這種結(jié)構(gòu)得到了人們的普遍關(guān)注，在城市的建筑中應(yīng)用范圍較廣，逐漸成為現(xiàn)如今建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要趨勢。

不規(guī)則性的建筑結(jié)構(gòu)雖然能夠給人帶來一定的美感，滿足了人們的審美需求，但是這種結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)的過程中給設(shè)計(jì)師們帶來了較大的難題，對于一些不平整的部位或者是樓板的間斷性等問題，都需要進(jìn)一步解決。最重要的是，建筑結(jié)構(gòu)在滿足一定美觀性的基礎(chǔ)上，需要對質(zhì)量提出一定的要求。但是這種結(jié)構(gòu)方式很難做到這一點(diǎn)。另外，不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)所用成本也相對較高，增加了工程的造價。

三、高層建筑結(jié)構(gòu)存在不規(guī)則的種類

（一）平面不規(guī)則。所謂的平面不規(guī)則首先是平面的扭轉(zhuǎn)程度不規(guī)則，主要是在設(shè)計(jì)的過程中，各個樓層中的層面最大位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出了平均位移，這種情況下就會產(chǎn)生平面不規(guī)整的問題。其次就是凸凹程度不規(guī)則，衡量的方式主要是按照凹陷的長度和總體長度之間的比例來完成。最后，樓板局部也會出現(xiàn)不連接的問題。對這一點(diǎn)進(jìn)行控制主要是看樓板的長度或者是平面的強(qiáng)度等是否出現(xiàn)較大幅度的波動現(xiàn)象。

（二）豎向不規(guī)則的類型。對于豎向不規(guī)則來說，其表現(xiàn)的方式較廣，主要是側(cè)向剛度不規(guī)則或者是結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力、承載力、重力等等因素。對于側(cè)向剛度來說，其參數(shù)不能超過樓板的十分之七。另外，抗側(cè)力分布不均也是影響結(jié)構(gòu)不規(guī)則的重要因素，因?yàn)?，結(jié)構(gòu)的受力情況，主要是依據(jù)相關(guān)的設(shè)施來進(jìn)行力的傳遞的。樓層的承載力如果出現(xiàn)較大幅度的變化，也增加了抗測力結(jié)構(gòu)的受剪程度。

四、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不規(guī)則形的應(yīng)用

高層建筑的不規(guī)則結(jié)構(gòu)在實(shí)際的應(yīng)用中，體現(xiàn)出一定的弊端，尤其是在地震的情況下，建筑結(jié)構(gòu)中不規(guī)則的部位較容易受到損壞，而且剛度作用較大的結(jié)構(gòu)受到的損害尤為強(qiáng)烈。為了改善這一問題，需要建筑設(shè)計(jì)工作人員在進(jìn)行高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，加強(qiáng)對這些部分的控制，同時也要對主體結(jié)構(gòu)加強(qiáng)重視。通常情況下，才去的具體的措施主要有：保證平面結(jié)構(gòu)的對稱性，使得結(jié)構(gòu)的分布具有一定的規(guī)則性，這樣才能保證空間的穩(wěn)定性，進(jìn)而減少整個建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)性。要根據(jù)設(shè)計(jì)方案來對建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度值控制在相應(yīng)的范圍內(nèi)，最大限度地減少建筑結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。具體來說可以從以下幾個方面來進(jìn)行具體的分析：

（一）盡量減少高層建筑結(jié)構(gòu)的相對偏心距

在多數(shù)的建筑結(jié)構(gòu)中，高層建筑的扭轉(zhuǎn)程度和偏心距之間存在著明顯的聯(lián)系性。因此，為了減少建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的發(fā)生，就應(yīng)該從偏心距的角度入手，改變其參數(shù)值。這種做法不僅有效地改善了平面分布的不合理狀況，同時也減少了高層主體結(jié)構(gòu)的相對偏心距的大小，進(jìn)而確定結(jié)構(gòu)中心和剛度中心的具體位置。

（二）最好改進(jìn)高層建筑結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度與抗扭剛度的大小

根據(jù)有關(guān)的調(diào)查的結(jié)果分析，可以得出這樣的一個結(jié)論：高層主體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)和結(jié)構(gòu)自我震動周期的平方值保持線性函數(shù)關(guān)系，因此，在設(shè)計(jì)高層主體結(jié)構(gòu)時，可合理地降低建筑結(jié)構(gòu)自我診斷的周期長短，來削弱高層主體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。在有關(guān)剪力墻的設(shè)計(jì)過程中，就應(yīng)該在有效區(qū)域內(nèi)科學(xué)調(diào)節(jié)墻體的長度或者厚度大小，尤其是那些離高層結(jié)構(gòu)剛度中心較遠(yuǎn)的墻體。改善高層主體結(jié)構(gòu)的抗扭剛度在實(shí)際應(yīng)用中通常是采取在結(jié)構(gòu)邊緣裝置柱梁的方式，來降低高層主體結(jié)構(gòu)的自我震動周期，另外提高邊緣連梁的剛度值大小同樣可以達(dá)到改善高層主體抗扭剛度的目的。

（三）合理增強(qiáng)高層主體結(jié)構(gòu)邊緣構(gòu)件的抗剪強(qiáng)度

如果僅僅局限于協(xié)調(diào)高層建筑主體結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)分布，就不能達(dá)到良好的設(shè)計(jì)效果，一旦出現(xiàn)較大額外力作用，其主體結(jié)構(gòu)就會受到不可逆的破壞。通過相關(guān)科研人員不斷深人的研究，發(fā)現(xiàn)如果高層建筑長期處于非彈性階段，一開始有規(guī)則的建筑在受到多重地震作用影響下就會因變形而出現(xiàn)偏心的問題。要保證高層主體結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的抗震性能，就應(yīng)該合理增強(qiáng)邊緣構(gòu)件的抗剪強(qiáng)度，這樣整體結(jié)構(gòu)即使受到較大的外力作用，仍然在自身彈性作用的影響下，回復(fù)正常狀態(tài)。

（四）科學(xué)建立防震縫

在實(shí)際的建設(shè)過程中，結(jié)構(gòu)工程師往往會碰見空間與平面形體繁雜的高層建筑圖紙，在多種因素的制約下，很難將這種繁雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成有規(guī)則性的整體，這就需要依靠建立一些防震縫來保證工程項(xiàng)目的質(zhì)量。在建立防震縫的時候，應(yīng)該注意以下兩點(diǎn)內(nèi)容：一是如果建立防震縫兩側(cè)的設(shè)施并不相同或者對地震的抗力不同，就應(yīng)該按照不利一側(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建立；二是如果出現(xiàn)臨近建筑沉降超出限值的情況，就應(yīng)該建立沉降的防震縫。

五、結(jié)論

在項(xiàng)目建設(shè)過程中，高層建筑結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)的不規(guī)則性會或多或少地對主體結(jié)構(gòu)的占地規(guī)模、基礎(chǔ)設(shè)施分布等方面造成不利，進(jìn)而影響了建筑的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。在規(guī)劃不規(guī)則性的高層建筑結(jié)構(gòu)時，相關(guān)的設(shè)計(jì)人員應(yīng)該采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)，盡可能地降低因建筑的不規(guī)則性而帶來的高層建筑結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，以削弱其引發(fā)的負(fù)面影響，在保證工程質(zhì)量的同時，還能體現(xiàn)建筑不規(guī)則的外觀特色。

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