論高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的概念設(shè)計(jì)

何文斌

摘 要：對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的概念設(shè)計(jì)而言，通常是指未經(jīng)數(shù)值計(jì)算而在對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)、地震以及溫度和場(chǎng)地土特征進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上，從整體視角指導(dǎo)建筑總體布局、結(jié)構(gòu)選型以及抗震的有效措施。本文將對(duì)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的基本原則進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上就如何進(jìn)行概念優(yōu)化設(shè)計(jì)，談一下個(gè)人的觀點(diǎn)和認(rèn)識(shí)，僅供參考。

關(guān)鍵詞：高層建筑；概念設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；研究

中圖分類號(hào)： TU972 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）16-79-2

0 引言

通過概念設(shè)計(jì)，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行整體把握，即優(yōu)選結(jié)構(gòu)體系，從平面、立面兩種形式進(jìn)行綜合協(xié)調(diào)，從而使各空間要求與對(duì)應(yīng)的平面和立面形式配合，并且對(duì)其中的細(xì)節(jié)構(gòu)造進(jìn)行充分考慮。概念設(shè)計(jì)能夠有效拓展建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，打破常規(guī)，實(shí)現(xiàn)真正的創(chuàng)造性設(shè)計(jì)，同時(shí)這也是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)基本原則

1.1 全面考慮

建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)當(dāng)對(duì)涉及的內(nèi)容進(jìn)行綜合、全面的考慮和分析。其中，主要涉及建筑、施工以及結(jié)構(gòu)等方面的內(nèi)容，并且對(duì)功能、使用以及技術(shù)和美觀方面進(jìn)行全面考慮，注意整體與局部之間的關(guān)系?；谏鲜鰩捉M內(nèi)容分析，在三維構(gòu)思基礎(chǔ)上進(jìn)行二維構(gòu)思技術(shù)設(shè)計(jì)，分別解決水平、豎向分體系構(gòu)件選擇以及雙邊關(guān)系?；诙S構(gòu)思的考慮，再進(jìn)一步進(jìn)行一維構(gòu)思，然后進(jìn)入施工圖設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，即對(duì)組成分體系的一維構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算。

1.2 立足實(shí)際，優(yōu)化選型

建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)當(dāng)立足實(shí)際，從實(shí)際出發(fā)。比如，全面考慮本地固有的環(huán)境條件、歷史人文條件以及當(dāng)?shù)禺?dāng)時(shí)的條件等。同時(shí)，還有對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化選型，做好以下工作。第一，優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)體系。這一前提是全面掌握基本構(gòu)件的主要特征，并根據(jù)環(huán)境條件、利用需求以及建筑荷載要求等，對(duì)基本構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化選擇，確定彼此之間的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上形成基本的結(jié)構(gòu)單元以及支撐方法。第二，優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局。在滿足應(yīng)用需求、建筑意向的基礎(chǔ)上，對(duì)樓層蓋水平、柱墻豎向支撐以及基礎(chǔ)等系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化布置。第三，科學(xué)構(gòu)造做法。這一環(huán)節(jié)的重點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)構(gòu)造做法、建筑構(gòu)造要求之間的一致性，而且結(jié)構(gòu)理論構(gòu)造與施工實(shí)際要求相一致。

1.3 減輕自重

建筑結(jié)構(gòu)的承受荷載主要有兩種，即橫向與豎向荷載。對(duì)于豎向荷載而言，超過85%的是建筑物自重，其中水平荷載——建筑物自重、地震荷載之間存在這直接相關(guān)性，因此減輕建筑物自重，是結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的一項(xiàng)有效原則。

1.4 合理受力

第一，從受力與變形情況來看，均勻受力非常好。較之于集中受力而言，均勻受力形式比較好。此外，多跨連續(xù)較之于單跨簡(jiǎn)支要好，空間作用較之于平面作用要好，剛性連接較之于鉸連接要好，傳力簡(jiǎn)捷較之于傳力曲折要好，而且還要避免不明確受力。第二，從受力、變形來看，應(yīng)當(dāng)盡可能利用建筑結(jié)構(gòu)的剛度、對(duì)稱性以及變形協(xié)調(diào)性和連續(xù)性。在此過程中，不僅要分析各部分構(gòu)件的受力情況，而且還要對(duì)整體結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)進(jìn)行宏觀分析。第三，從抗力以及材料來看，應(yīng)當(dāng)盡可能以軸向應(yīng)力受力為主，增加構(gòu)件、結(jié)構(gòu)截面慣性矩以及抗剪切能力和抗彎剛度，合理選材，優(yōu)化組織建筑構(gòu)件截面。第四，就結(jié)構(gòu)構(gòu)件而言，混凝土構(gòu)件應(yīng)當(dāng)避免剪切破壞先于彎曲破壞、鋼筋混凝土黏結(jié)破壞應(yīng)當(dāng)先于構(gòu)件破壞，以免導(dǎo)致構(gòu)建脆性喪失。

2 結(jié)構(gòu)概念優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于以上對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)基本原則分析，筆者認(rèn)為在建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)當(dāng)做好以下工作：

2.1 平面優(yōu)化布置

高層建筑結(jié)構(gòu)平面布置，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中起到了非常重要的作用，在建筑獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)當(dāng)確保平面形狀的規(guī)則化、簡(jiǎn)單化以及承載力和剛度分布均勻適宜，避免采用不規(guī)則平面布置形式。對(duì)于地震區(qū)而言，在結(jié)構(gòu)平面布置過程中，應(yīng)當(dāng)滿足以下要求。即平面布置應(yīng)當(dāng)簡(jiǎn)單、對(duì)稱和規(guī)則，盡可能避免出現(xiàn)偏心現(xiàn)象，而且平面長(zhǎng)度與結(jié)構(gòu)平面的外伸長(zhǎng)度不宜太長(zhǎng)。對(duì)于高層建筑而言，抗側(cè)力結(jié)構(gòu)布設(shè)時(shí)，盡可能使平面質(zhì)量中心與抗側(cè)力結(jié)構(gòu)剛度中心接近，規(guī)整、簡(jiǎn)潔而又對(duì)稱的平面設(shè)計(jì)，有利于抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的布設(shè)。實(shí)踐中，一般無法做到質(zhì)量分布絕對(duì)均勻，而且會(huì)產(chǎn)生一定的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，此時(shí)除全面考慮平面形狀的對(duì)稱性，還要優(yōu)化布置抗側(cè)力構(gòu)件，以此來提高建筑結(jié)構(gòu)抗扭轉(zhuǎn)能力。在抗側(cè)力構(gòu)件布置過程中，尤其是剪力墻、柱布置時(shí)，應(yīng)當(dāng)往周邊進(jìn)行布置。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（以下稱之為《規(guī)程》）之規(guī)定，限制周期比，其目的在于使結(jié)構(gòu)整體具有一定的抗扭剛度，以免產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。不滿足要求的情況下，應(yīng)當(dāng)優(yōu)化調(diào)整抗側(cè)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，沿周邊進(jìn)行布置，通過加大抵抗扭轉(zhuǎn)內(nèi)力臂，提高建筑結(jié)構(gòu)的整體抗扭能力。

2.2 建筑結(jié)構(gòu)豎向布置

高層建筑結(jié)構(gòu)豎向布置，應(yīng)當(dāng)包括建筑結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件高度變化。通過豎向構(gòu)件布置，可以有效滿足其應(yīng)用需求以及結(jié)構(gòu)的安全和傳力要求。根據(jù)《規(guī)程》對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)豎向布置的規(guī)定，其合理性應(yīng)當(dāng)包含的主要參數(shù)有剛度比、承載力比以及剪重比。其中，建筑結(jié)構(gòu)的承載力比主要是指抗側(cè)力結(jié)構(gòu)層間受剪承載力、上層比值，一般不超過80%，主要是對(duì)建筑結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則性進(jìn)行定量界限，以免形成薄弱層。對(duì)于剛度比而言，主要是說明豎向上的剛度規(guī)則問題；該層側(cè)向上的剛度小于鄰層的70%，除頂層外，局部收進(jìn)水平向尺寸超過相鄰下層的四分之一，即視為不規(guī)則側(cè)向剛度。對(duì)于剪重比而言，主要是為了全面考慮結(jié)構(gòu)抗震研究過程中的高階振型對(duì)建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響?！兑?guī)程》及抗震技術(shù)規(guī)范中，均采用強(qiáng)制性的條文對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)各樓層地震條件下的最小剪力有所要求，在此不再贅述。

2.3 轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)

目前高層建筑的應(yīng)用功能具有多元性，并不是唯一的，樓層功能要求不同，所需的空間劃分也存在這較大的差異，因此上、下層要求結(jié)構(gòu)形式以及布置軸線等作出相應(yīng)的改變，同時(shí)也人為地將結(jié)構(gòu)豎向的傳力路徑切斷了。實(shí)踐中，為了能夠有效的進(jìn)行正確傳力，需在上層與下層之間布設(shè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換層構(gòu)建時(shí)，水平轉(zhuǎn)換物件應(yīng)當(dāng)較為簡(jiǎn)單，而且受力較為明確，使傳力更加的直接。在高層建筑工程項(xiàng)目中，梁式轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)最為廣泛，受力明確，而且傳力途徑也非常的清楚。實(shí)踐中，需縱、橫一起轉(zhuǎn)換時(shí)，采用的是雙向梁布設(shè)方式。對(duì)于箱形轉(zhuǎn)換層而言，因其結(jié)構(gòu)尺寸以及剛度等都比較大，所以應(yīng)當(dāng)對(duì)大空間下部幾層、底層的結(jié)構(gòu)平面合理布置，以免在抵抗水平力條件下因底層剛度不足而導(dǎo)致相對(duì)位移過大。當(dāng)上下柱網(wǎng)軸線錯(cuò)開較多，難以用梁和桁架直接承托時(shí)，可以做成厚板，形成板式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。如果高層建筑底部大空間樓層柱距相對(duì)較大，建議采用桁架轉(zhuǎn)換層。其具有自重輕、剛度大以及可跨越度大等的特點(diǎn)。在轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)時(shí)，必須要充分考慮建筑結(jié)構(gòu)豎向剛度。轉(zhuǎn)換層是豎向結(jié)構(gòu)較為薄弱點(diǎn)，通過轉(zhuǎn)化消弱了下部的剛度。針對(duì)這一問題，設(shè)計(jì)時(shí)建議加強(qiáng)落地剪力墻，并對(duì)各構(gòu)件的尺寸進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，尤其是框支結(jié)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格對(duì)轉(zhuǎn)換層的上下剛度進(jìn)行有效控制。

3 結(jié)束語

總而言之，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)始終以概念設(shè)計(jì)理念為指導(dǎo)，不能盲目的照搬既有規(guī)范，也不能盲目地采用一體化的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序。實(shí)踐中，我們應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持概念設(shè)計(jì)理念并不斷創(chuàng)新和改進(jìn)，只有這樣才能追求設(shè)計(jì)的盡善盡美，才能創(chuàng)造出更多、更好的設(shè)計(jì)成果。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 井維.探討概念設(shè)計(jì)在高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]門窗，2013（11）.

[2] 王若冰.淺談高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的相關(guān)問題[J]中華民居（下旬刊），2013（12）.

[3] JGJ 3—2002高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[4] 鄧小山，吳黎葵.傳統(tǒng)文化環(huán)境中的高層建筑造型創(chuàng)意[J].四川建筑，2005（04）.

[5] 王琦，邢忠，龍灝.高度在矛盾中攀升——重慶渝中半島商務(wù)中心區(qū)硬核區(qū)摩天樓發(fā)展與反思[J].時(shí)代建筑，2005（04）.

[6] 程翌.加泰隆尼亞傳統(tǒng)文化的遙遠(yuǎn)回音——解讀巴塞羅那阿格巴摩天樓[J].時(shí)代建筑，2005（04）.