關(guān)于高層建筑結(jié)構(gòu)設計的控制策略的探討

陳 浩

(南昌市城市規(guī)劃設計研究總院，江西南昌 330000)

關(guān)于高層建筑結(jié)構(gòu)設計的控制策略的探討

陳 浩

(南昌市城市規(guī)劃設計研究總院，江西南昌 330000)

在經(jīng)濟建設的推動下，我國建筑業(yè)正處于快速發(fā)展階段，高層建筑作為城市發(fā)展主流正得以快速的發(fā)展，使得對建筑結(jié)構(gòu)設計的要求也就越來越高，這就要求我們結(jié)構(gòu)設計者們隨時關(guān)注高層建筑結(jié)構(gòu)設計中容易出現(xiàn)的問題。本文結(jié)合實踐經(jīng)驗，對高層建筑結(jié)構(gòu)設計中的控制策略問題進行了探究。

高層建筑；結(jié)構(gòu)設計；控制策略

一、高層建筑結(jié)構(gòu)設計的特點

1、水平力是高層建筑結(jié)構(gòu)設計的主要控制因素

在高層建筑結(jié)構(gòu)設計的過程中，雖然說豎向荷載對設計工作有著重要的影響，但是水平荷載往往起著決定性的作用，因此在設計的過程中一定要重點把握水平荷載這一因素。對于高層建筑來講，其自重和樓面使用荷載在豎向構(gòu)件中引起的軸力以及彎矩數(shù)值，只是和建筑物高度的一次方存在著正比的關(guān)系，但是水平荷載對建筑物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩和軸力，適合建筑物高度的二次方成正比的關(guān)系，由此可見水平力因素在建筑結(jié)構(gòu)設計中的重要作用。同時，對于高層建筑來講，通常情況下豎向荷載是定值，而水平荷載則會隨著建筑結(jié)構(gòu)的動力性存在著一定的變動。

2、高層建筑結(jié)構(gòu)設計時要更加注重抗震設計

近幾年地震頻發(fā)，地震帶來的危害程度巨大，這就要求高層建筑在結(jié)構(gòu)設計的過程中一定要對抗震設計有更高的要求，除了要考慮到正常情況下使用的豎向荷載和風荷載等之外，還需要結(jié)合實際情況，使高層建筑結(jié)構(gòu)具有最佳的抗震性能，在強度較大的地震中能夠保證穩(wěn)定性能。

3、高層建筑結(jié)構(gòu)設計還需要注意控制好側(cè)移因素

對于高層建筑的結(jié)構(gòu)設計來講，側(cè)移問題是不容忽視的。建筑物的層數(shù)越高，其在水平荷載作用下建筑結(jié)構(gòu)的側(cè)移速度就會越快，如果設計不當將會影響到建筑物的穩(wěn)定性能。除此之外，在結(jié)構(gòu)設計的過程中，還需要確保建筑物具有較高的強度，否則當側(cè)移較大時，偏心加劇，如果產(chǎn)生的附加內(nèi)力值超過了規(guī)定的數(shù)值范圍時，建筑物就會有側(cè)塌的可能性，或者出現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件開裂或者是損壞的情況。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)設計的基本原則

現(xiàn)在的建筑結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)形式已經(jīng)種類繁多，以應對現(xiàn)代人們的個性化需求，這也就要求一些建筑結(jié)構(gòu)設計從業(yè)者的設計理念的逐步抬升。完美的建筑結(jié)構(gòu)不應局限于內(nèi)部的細致描繪，而應兼顧到外部所能給人們呈現(xiàn)的美感。傳統(tǒng)的磚混結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)等逐步被如今豐富多彩的形式所取代。

1、建筑結(jié)構(gòu)設計的安全性原則

安全的有效途徑之一就是多重防護。我們知道，在建筑安全體系中，若想阻擋外力的沖擊，從而達到一定的安全等級，單一的安全構(gòu)件是遠遠不夠的。為了保障整個建筑工程的安全，避免一些不必要安全事故的發(fā)生，我們建議，在建筑結(jié)構(gòu)設計時應注重多重保障與防護結(jié)構(gòu)的應用，以期達到多一層保護，多一分安全的目的。

2、建筑結(jié)構(gòu)設計的整體性原則

一旦建筑體遇到強大的外力沖擊時，整體的建筑結(jié)構(gòu)能夠?qū)@種外力起到很好的削減和傳遞作用，從而保障了建筑的安全，避免建筑物過渡損壞。所以我們在建筑結(jié)構(gòu)設計時應到考慮到各個建筑構(gòu)建的受力情況，搞清每部分的之間的關(guān)系，確保建筑構(gòu)建在遭受外力沖擊時盡可能的消減其可能帶來的影響。根據(jù)科學的受力分析，確定建筑構(gòu)建的手里能力，從而能夠使建筑保持一定的整體性。

3、建筑結(jié)構(gòu)設計的彈性原則

建筑結(jié)構(gòu)若剛性過大，而忽略其基本的形變范圍，當遇到一些不可抗拒的自然力時，建筑整體可能會遭受脆性破壞；反之剛度過小，建筑整體的穩(wěn)定性將受到影響。因此，根據(jù)具體的實際情況，適度的彈性在建筑結(jié)構(gòu)設計中也是必要的。

三、高層建筑結(jié)構(gòu)設計的控制策略

上文中從三個主要方面分析了當前高層建筑結(jié)構(gòu)設計的特點，下面本文就在這些特點的基礎上對具體的設計控制策略進行分析。

1、在結(jié)構(gòu)設計的過程中需要采取措施減輕建筑物的自重

對于高層建筑來講，無論是從地基的承載能力角度分析，還是從抗震效果的角度分析，都必須要最大限度地降低結(jié)構(gòu)的自重，才能夠更好地確保建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能和抗震性能。降低結(jié)構(gòu)自重，既能夠有效防止地基出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，又能夠減少框架壓力變形。具體來講，要想更好地控制結(jié)構(gòu)的自重，需要從以下兩個方面采取控制措施。

(1)可以利用優(yōu)化的方式減輕建筑結(jié)構(gòu)自重

對于高層建筑來講有著不同的結(jié)構(gòu)形式，其中的一些結(jié)構(gòu)可以對其進行優(yōu)化設計進而減輕結(jié)構(gòu)的整體自重。通常情況來講，就是用建筑物的總重最輕和造價最低作為目標函數(shù)，并用結(jié)構(gòu)構(gòu)件作為設計的變量，用強度、穩(wěn)定性和剛度作為約束變量，并綜合其他影響因素進行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計。在這個過程中，滿足約束變量的情況下，可以通過變換設計變量達到最佳的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計。

(2)可以在設計的過程中充分利用輕質(zhì)材料來降低建筑結(jié)構(gòu)的自重

當前，新型的輕質(zhì)材料在高層建筑的施工中應用較為廣泛，如高強鋼材、鋼管混凝土、高強度混凝土、輕骨料等，這些輕質(zhì)高強度的材料在應用的過程中取得了良好的效果。除此之外，還可以減輕建筑填充墻體材料的重量，這樣也能夠在一定的程度上降低結(jié)構(gòu)的自重。

2、要合理設計高層建筑的水平荷載

上文中已經(jīng)提到，水平荷載對于高層建筑的重要程度，所以在設計的過程中需要引起高度的重視。

(1)在設計的過程中要選擇好合適的體型

對于高層建筑物來講不同的體型會有不同的水平荷載作用分布，這樣在進行結(jié)構(gòu)設計的過程中就需要結(jié)合實際情況選擇合適的體型。一般來講，最基本的原則就是要確保建筑物的平面形狀簡單對稱，并且要避免出現(xiàn)凹凸型的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)設計者在具體展開設計工作的時候，需要將這一原則當做規(guī)范，但必須要結(jié)合施工地區(qū)的實際情況和環(huán)境特征，選擇最佳的結(jié)構(gòu)類型，這樣才能夠取得更好的效果。需要注意的是，為防止建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)震動或者扭轉(zhuǎn)的情況，需要確保建筑物的重心以及剛度重心和幾何中心在一個位置點上。

(2)設計過程中需要選擇科學恰當?shù)目箓?cè)力體系

一般來講，高層建筑物的抗側(cè)力體系主要有框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框剪結(jié)構(gòu)以及簡體結(jié)構(gòu)等，這些結(jié)構(gòu)有著不同的抗水平荷載的能力，并且有著不同的適用范圍。對于高層建筑來講，簡體體系較為有效的抗側(cè)力體系，并且是經(jīng)過實踐檢驗的。簡體體系是由多個簡體組成，作為豎向承重結(jié)構(gòu)，在實際中依靠簡體承受水平方向的荷載，具有較強的抗側(cè)強度和抗扭剛度。但是這一結(jié)構(gòu)也有缺陷，即該結(jié)構(gòu)存在著剪力滯后的現(xiàn)象，在這種情況發(fā)生的過程中，建筑結(jié)構(gòu)的整個水平承載能力和抗推剛度也被削弱，這樣就影響到了建筑物的整體結(jié)構(gòu)性能，所以在應用這一結(jié)構(gòu)的過程中需要綜合的考慮到各種可能發(fā)生的情況，并科學合理的選擇最佳的建筑結(jié)構(gòu)類型之后再進行設計。

3、要控制好高層建筑的整體穩(wěn)定性，解決好傾覆問題

通常情況下，建筑物在豎向荷載作用下會出現(xiàn)構(gòu)件的壓屈情況，這樣會影響到整個建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，因此在設計的過程中一定要根據(jù)層數(shù)正確判斷建筑物的豎向荷載，之后采取有效的解決措施。而對于傾覆問題，設計者也需要根據(jù)環(huán)境特征進行科學設計。高層建筑物的層數(shù)較多，基底的面積心，其在水平地震和荷載的作用下將會產(chǎn)生較大的傾覆力矩，如果這一范圍超過了規(guī)定的最大限度，建筑物將會出現(xiàn)傾覆的現(xiàn)象，這一點結(jié)構(gòu)設計者要引起高度的重視。

四、結(jié)束語

綜上所述，當前高層建筑正成為了建筑業(yè)發(fā)展的主要趨勢，為滿足社會群眾的需求，保證高層建筑的使用性能和穩(wěn)定性能，就需要合理的控制其結(jié)構(gòu)設計，本文就以此為中心，在分析高層建筑結(jié)構(gòu)設計特點和原則的基礎上，對高層建筑結(jié)構(gòu)設計的控制策略進行了探討，以期對以后的設計工作起到一定的幫助。

[1]李建海，王珍吾。淺析高層建筑的結(jié)構(gòu)設計[J].品牌（下半月）,2014,12:156.

[2]王允。淺析高層建筑結(jié)構(gòu)設計的相關(guān)問題[J].中華民居（下旬刊）, 2013, 12:57+60.

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