高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問題及解決措施

■郭劍清 ■中航規(guī)劃建設(shè)長沙設(shè)計(jì)院有限公司廈門分公司，福建 廈門 361000

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，我國起步較晚，近幾年來，各大城市才不斷出現(xiàn)了一些高層建筑，甚至超高層建筑，這些建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常重要，決定著建筑的使用質(zhì)量與壽命，業(yè)主的需求不斷增加，也給設(shè)計(jì)人員提出了更多的要求。針對在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的問題，需要進(jìn)行一一解決，才能真正實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量建筑投入運(yùn)行。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中水平力是決定性因素。水平荷載在高層建筑結(jié)構(gòu)中的穩(wěn)定性貢獻(xiàn)非常大。與普通建筑相似，高層建筑結(jié)構(gòu)在豎向的荷載多以重力表示，但在水平荷載方面，高層建筑與普通建筑有著極大的不同，高層建筑的自重與荷載在豎向構(gòu)件可以產(chǎn)生一定的軸力與彎矩，在建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性方面起著決定性的作用。

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要嚴(yán)格控制好側(cè)移指標(biāo)。當(dāng)建筑的高度不斷增加，水平荷載下的結(jié)構(gòu)側(cè)向移動(dòng)將會(huì)不斷被放大，對高層建筑的穩(wěn)定性造成威脅，同時(shí)也會(huì)對人的生活舒適度造成一定的影響，所以需要保持側(cè)移能夠控制在一定的范圍之內(nèi)，這成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心元素。高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對于抗震設(shè)計(jì)要求已經(jīng)明顯提高，隨著近幾年來地震現(xiàn)象不斷頻繁，任何一個(gè)等級的偏差都有可能會(huì)造成穩(wěn)定性破壞;當(dāng)高層建筑的豎向荷載不斷增大時(shí)，柱內(nèi)的軸向嚴(yán)重，連續(xù)梁彎矩變化讓支座處的負(fù)彎矩減小，從而對預(yù)制構(gòu)件的下料長度造成影響。所以在高層建筑設(shè)計(jì)時(shí)需要注意軸向變形問題;要通過一定的措施，確保建筑結(jié)構(gòu)具有相當(dāng)?shù)难有?，?dāng)高層建筑物遇到危險(xiǎn)時(shí)，避免出現(xiàn)倒塌的問題，如果沒有延性設(shè)計(jì)，將會(huì)對使用效率產(chǎn)生危害。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

2.1 合理計(jì)算簡圖

首先要保證計(jì)算簡圖合理，簡圖對結(jié)構(gòu)有著決定性作用。為了確保計(jì)算簡圖的安全，需要采用相應(yīng)的構(gòu)造方法，除了要在鋼節(jié)點(diǎn)與鉸節(jié)點(diǎn)進(jìn)行關(guān)注外，還需要不斷減小計(jì)算誤差，把計(jì)算簡圖控制在一定的范圍之內(nèi)(見圖1 -2)。

2.2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)選擇

其次，在進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，要充分了解高層建筑所在的地質(zhì)條件，另外對高層建筑的結(jié)構(gòu)類型與荷載分布分析要全面，根據(jù)施工條件以及鄰近相互影響進(jìn)行綜合考究，在全面了解基礎(chǔ)信息的前提下進(jìn)行科學(xué)合理的基礎(chǔ)方案確定?；A(chǔ)方案中，地基的潛力將發(fā)揮最大的作用，需要提前進(jìn)行地基檢測。

2.3 結(jié)構(gòu)方案選擇

圖1 鳥瞰圖

合理的結(jié)構(gòu)方案需要達(dá)到高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的總體要求，并盡可能達(dá)到經(jīng)濟(jì)的目的。在相同的結(jié)構(gòu)單元中，使用相同的結(jié)構(gòu)體系，根據(jù)地理?xiàng)l件、工程要求、施工因素綜合確定結(jié)構(gòu)選擇，從而制定出最佳方案。

圖1 總體沿湖透視圖

3 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的問題分析與改善方向

3.1 建筑結(jié)構(gòu)超高

一些城市為了進(jìn)行評比，在樓宇的高度上不斷進(jìn)行更新，仿佛樓層越高，城市的地位就更靠前。但建筑物不斷超高卻對抗震性與建筑質(zhì)量提出了更高的要求。相關(guān)的建筑規(guī)范對建筑物的高度與抗震要求進(jìn)行明確的規(guī)定，無論是多高的建筑物，都需要滿足相對應(yīng)的抗震等級要求。針對目前多地存在的建筑物超高問題，建筑物規(guī)范將會(huì)進(jìn)行限定，不斷細(xì)化規(guī)則，與時(shí)俱進(jìn)，這使得高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法與措施有了明顯的改進(jìn)。每一個(gè)建筑單位的項(xiàng)目管理部都要注重建筑的超高問題，在設(shè)計(jì)圖與施工組織審核時(shí)都應(yīng)該及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的風(fēng)險(xiǎn)問題，不斷進(jìn)行論證，避免對工程的造價(jià)與工期造成影響。

3.2 短肢剪力墻的設(shè)置

隨著我國高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不斷深入，對短肢剪剪力墻的設(shè)置問題更加關(guān)注。目前我國的相關(guān)建筑規(guī)范已經(jīng)對它進(jìn)行了充分嚴(yán)格的定義，并對其使用進(jìn)行了限制。短肢剪力墻主要是指建筑物墻肢截面的高厚度在5 -8 左右的情況，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)表明，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中人盡可能使用些種結(jié)構(gòu)墻，所以在建筑設(shè)計(jì)時(shí)，要盡可能地避免。

3.3 嵌固端設(shè)置

高層建筑的嵌固端在二層以上的地下室頂板上，同時(shí)也有可能會(huì)設(shè)計(jì)到人防頂板上，嵌固端設(shè)置時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師對于嵌固端設(shè)置帶來的問題沒有提前判斷與預(yù)測，比如樓板的設(shè)計(jì)、上下層的剛度要求等等，這些問題都有可能在后來的設(shè)計(jì)中做出更改，造成不必要的損失與安全隱患。

3.4 結(jié)構(gòu)規(guī)則性問題

規(guī)則性問題在目前的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中已經(jīng)進(jìn)行了明確的限制。如新規(guī)范對結(jié)構(gòu)嵌固端上下層的剛度進(jìn)行了規(guī)定，現(xiàn)代建筑不宜采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計(jì)方案。不規(guī)則的設(shè)計(jì)將對建筑的豎向荷載計(jì)算產(chǎn)生偏差，不易估計(jì)，有可能會(huì)存在安全風(fēng)險(xiǎn)。但是在目前的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，仍然會(huì)存在著這一問題，對建筑的整體質(zhì)量造成了一定的影響。為了避免圖紙?jiān)诤罄m(xù)施工過程中進(jìn)行變更，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者要對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的規(guī)則性問題進(jìn)行提前分析，遵守相關(guān)的規(guī)范規(guī)則，提高整體質(zhì)量。

3.5 消防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高層建筑結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn)非常明顯，它的功能復(fù)雜性決定著建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)非常復(fù)雜，需要選用不同的建筑功能材料。傳統(tǒng)建筑中所選用的材料多為可燃性材料，這種材料無形中增加了高層建筑火災(zāi)的發(fā)性頻率，更不易進(jìn)行救火。高層建筑間空氣流動(dòng)強(qiáng)，風(fēng)力非常大，如果發(fā)生高層火災(zāi)事故，救援難度可想而知。在傳統(tǒng)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，把火災(zāi)線路設(shè)計(jì)成垂直形態(tài)，建筑人員在進(jìn)行火災(zāi)疏散時(shí)將花費(fèi)更多的時(shí)間，對人身財(cái)產(chǎn)安全造成了更大的延誤。在消防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，也需要對排煙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這對于高層建筑的安全性設(shè)計(jì)有著重要的意義。在設(shè)計(jì)中要保證煙氣能夠有效排出，避免在火災(zāi)發(fā)生時(shí)不利情況的蔓延。

3.6 抗風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在高層建筑設(shè)計(jì)中，抗風(fēng)性研究非常重要。在進(jìn)行設(shè)計(jì)建造時(shí)，要注意抗風(fēng)壓性，對有效的設(shè)計(jì)非常重要。隨著高層建筑的高度不斷增加，結(jié)構(gòu)本身對風(fēng)起著擾動(dòng)作用與阻隔作用，不利于風(fēng)量的及時(shí)移動(dòng)，在風(fēng)速較大時(shí)，會(huì)對靜止的高層建筑產(chǎn)生振動(dòng)效果，從而造成一定的動(dòng)力荷載力，將會(huì)對其穩(wěn)定性造成威脅，甚至有可能會(huì)導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)受到破壞，導(dǎo)致玻璃幕墻破裂、裝飾物毀壞甚至墻體斷裂等工程質(zhì)量受到影響的危險(xiǎn)。

4 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略總結(jié)

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要注重設(shè)計(jì)原則，合理選擇基礎(chǔ)條件與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，對高層的消防結(jié)構(gòu)、抗震結(jié)構(gòu)、抗風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。在消防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，要設(shè)計(jì)合適的防火間距，對建筑物間的距離進(jìn)行精確計(jì)算，根據(jù)地形條件設(shè)計(jì)合理的防火結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增加疏散通道設(shè)計(jì)，采用分隔式進(jìn)行設(shè)計(jì)，控制煙霧與火勢的蔓延;在抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，要合理規(guī)劃建筑結(jié)構(gòu)的構(gòu)件位置，發(fā)揮不同的構(gòu)承載功能，對地基進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，簡化建筑平面，分割高度差異，提高建筑物的剛率與強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)地基的穩(wěn)固性，另外需要注重對剪力墻的設(shè)計(jì)，控制位移，對簡體結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，確保結(jié)構(gòu)的完整性與對稱性;在抗風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化中，首先要進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，選擇級配高的砂石，在結(jié)構(gòu)義部使用抗拔錨桿，穩(wěn)定地基，在高層建筑結(jié)構(gòu)中增加耗能減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過多種元素的綜合，使用強(qiáng)粘彈性的阻尼材料，解決好水平力、風(fēng)荷載造成的荷載疊加問題，對受力高壓區(qū)進(jìn)行加固處理，精確計(jì)算建筑物的風(fēng)荷載與承載力。

5 結(jié)語

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該對超高、抗震、抗風(fēng)、消防、規(guī)則性、嵌固端設(shè)置等問題進(jìn)行充分認(rèn)識，提前結(jié)合地質(zhì)條件與基礎(chǔ)條件對各個(gè)影響因素進(jìn)行分析，不斷進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保高層建筑結(jié)構(gòu)本身的穩(wěn)定性，提高使用壽命與質(zhì)量。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不是孤立存在的，而是與其他的設(shè)計(jì)相輔相承。結(jié)合目前經(jīng)驗(yàn)所發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行優(yōu)化，避免對質(zhì)量造成影響。隨著我國專家學(xué)者對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究的不斷深入，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將更加完善，促進(jìn)我國城市建設(shè)水平的提高。

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