房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的問題與對策解析

張賽男

北方工程設(shè)計(jì)研究院有限公司

【摘 要】高層建筑物的設(shè)計(jì)必須考慮到安全、經(jīng)濟(jì)、適用、美觀的建筑方針，要在保障人們安全的情況下使建筑物能夠滿足人們的日常工作和生活的需要，對于一些突發(fā)的災(zāi)害，比如地震和臺(tái)風(fēng)等要有一定的抵御作用。文章主要對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一些問題進(jìn)行分析，并給出一定的對策探討，以期能應(yīng)用于實(shí)踐。

【關(guān)鍵詞】高層；建筑；結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)；問題

隨著城市的人口越來越多，人們對住房需求量也越來越大。而在城市規(guī)劃中用來建造房屋的土地卻是十分有限的，這個(gè)時(shí)候采用高層建筑，使人口集中，利用建筑內(nèi)部橫向和豎向的交通縮短各個(gè)單元之間的聯(lián)系距離，大幅度減小建筑用地面積，并帶來明顯的經(jīng)濟(jì)效益。對高層建筑而言，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)的安全性是設(shè)計(jì)的重中之重。

一、高層建筑結(jié)構(gòu)的特征

高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要考慮到水平力和豎向力兩個(gè)方向的作用。水平力主要指的水平地震力和水平風(fēng)力，而豎向力主要指的是建筑自重和使用荷載。高層建筑要格外注意結(jié)構(gòu)抗震能力。隨著建筑高度增加，建筑所受的地震作用和風(fēng)力作用也有所增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)位移也會(huì)加大。若不能控制好高層建筑設(shè)計(jì)的指標(biāo)，不僅在其中活動(dòng)的人會(huì)感覺不適，還會(huì)造成結(jié)構(gòu)構(gòu)件受損，影響建筑的正常使用。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則

（一）選擇合理的設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)之前，結(jié)構(gòu)專業(yè)與建筑專業(yè)應(yīng)密切配合，重視結(jié)構(gòu)選型和平面、立面的布置，擇優(yōu)選用抗震及抗風(fēng)性能好且經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)體系，使建筑不僅要安全適用，也經(jīng)濟(jì)美觀。在抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證結(jié)構(gòu)的整體抗震性能，使整體結(jié)構(gòu)具有必要的承載能力、剛度和延性。

（二）選擇精密的計(jì)算工具

當(dāng)前，對高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)已經(jīng)不僅僅依靠人工，快速發(fā)展的科技水平也對設(shè)計(jì)有一定的幫助，可以選擇在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中以計(jì)算機(jī)程序?yàn)閹椭?，這無疑是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)現(xiàn)代化的一項(xiàng)重要進(jìn)步。但是計(jì)算機(jī)的程序是固定的，有時(shí)可能無法對一個(gè)十分具體的問題給出針對的方案，因此工程師在利用軟件分析之余，還要進(jìn)行人工的校對，找出最優(yōu)的解決辦法。

（三）建筑前期合理計(jì)算

計(jì)算是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必不可少的環(huán)節(jié)，如果在計(jì)算中出現(xiàn)了差錯(cuò)，會(huì)對后期的工作造成很大的影響，例如增大工作量，造成返工，延誤工期。若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，還會(huì)對建筑這造成一定的安全隱患。因此，一定要對建筑采用合理的計(jì)算簡圖，這是原則之一。

三、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問題

（一）高度問題

為了預(yù)防可能出現(xiàn)的地震等災(zāi)害，建筑物的高度是一個(gè)重要、突出的問題，必須納入需要重點(diǎn)考慮的范圍之內(nèi)。一定高度的建筑需要有完善的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工體系來保障建筑安全施工和后期使用。

（二）結(jié)構(gòu)體系不夠合理

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在高層建筑本身、結(jié)構(gòu)體系以及建筑材料。借鑒發(fā)達(dá)地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)，他們在地震多發(fā)地區(qū)使用鋼結(jié)構(gòu)。而我國大多數(shù)使用混合結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。考慮到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)自重大，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候就要嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)的側(cè)移的和扭轉(zhuǎn)，可以考慮采用加大核心筒、外筒剛度或是加設(shè)加強(qiáng)層的措施來減小結(jié)構(gòu)的側(cè)移。

四、對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的建議

（一）靈活使用多種結(jié)構(gòu)形式

建筑的規(guī)模不斷擴(kuò)大、建筑的外型越來越多樣化，是當(dāng)下高層建筑發(fā)展的主要特點(diǎn)。在這種形式下，以往在設(shè)計(jì)中使用的單一形式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就不能滿足高層建筑的結(jié)構(gòu)布置和受力，例如框架、剪力墻及筒體結(jié)構(gòu)。所以在設(shè)計(jì)時(shí)，一般需要將多種結(jié)構(gòu)形式融合在一起； 同時(shí)使用多種，或以一種形式為主并且輔以其他的結(jié)構(gòu)形式，來使得高層建筑能滿足預(yù)期的使用和受力功能。例如，珠江新城西塔在設(shè)置了內(nèi)筒和外筒之外，還使用支撐框架進(jìn)行補(bǔ)充； 天津津塔在基本的鋼管混凝土柱的基礎(chǔ)上補(bǔ)充鋼板來形成鋼板剪力墻，還加設(shè)了伸臂桁架和腰桁架。

（二）加強(qiáng)對抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的靈活運(yùn)用

高層建筑的受力特點(diǎn)決定了其結(jié)構(gòu)對于抗側(cè)能力的高要求。隨著科技發(fā)展，抗側(cè)力結(jié)構(gòu)形式也越來越靈活。廣州新城西塔的外筒就輔有鋼管混凝土斜交組成的網(wǎng)格筒體。一般筒中筒結(jié)構(gòu)，外筒側(cè)向變形以剪切型為主，內(nèi)筒側(cè)向變形以彎曲型為主，內(nèi)外筒通過樓板協(xié)同工作抵抗水平作用，其外筒提供的剛度相對較小。廣州新城西塔以斜交形成的巨型網(wǎng)格筒體（ 外筒） ，主要借助的是構(gòu)件之間的軸力，而鋼管混凝土構(gòu)件受力合理，可承載巨大軸力，使結(jié)構(gòu)獲得更大的側(cè)向剛度，使得整棟建筑具有很好的抗側(cè)能力。另外，天津津塔中使用的各種桁架也是抗側(cè)能力較好的一種結(jié)構(gòu)，且明顯地優(yōu)于框架。在設(shè)計(jì)桁架時(shí)，盡量加大桿件尺寸，提高剛度，這樣可以使抗側(cè)能力進(jìn)一步提升。

（三）巧妙提高高層建筑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

短肢剪力墻是指各肢橫截面高度與厚度之比的最大值大于4 但不大于8 的剪力墻，這在普通的建筑中常常被利用，但是在高層建筑中卻不一定適用，有可能對建筑的穩(wěn)定性造成一定的隱患。所以在高層建筑的設(shè)計(jì)過程中，要盡量避免短肢剪力墻的使用。

（四） 使用不同材料組合而成的結(jié)構(gòu)構(gòu)件

在結(jié)構(gòu)形式不斷變化的過程中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料形式也有一定的發(fā)展。較為常見的為鋼管混凝土，由于其抗壓能力較強(qiáng)，一般用于受壓構(gòu)件設(shè)計(jì)。隨著各種新造型的高層建筑的出現(xiàn)，鋼管混凝土經(jīng)常被應(yīng)用于其中。鋼板剪力墻也是一種比較新的構(gòu)件形式。這種構(gòu)件形式在津塔的設(shè)計(jì)中被充分運(yùn)用，主要承擔(dān)水平的剪力而不承擔(dān)重力負(fù)荷。具有重量輕、占用空間少、抗剪能力優(yōu)異的優(yōu)點(diǎn)，但在應(yīng)用中要配合節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)來解決不承擔(dān)重力負(fù)荷的缺陷。此外還可以設(shè)計(jì)使用各種組合而成的構(gòu)件，例如壓型鋼板與混凝土結(jié)合、鋼梁與混凝土樓板結(jié)合。在常見的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中也可以使用鋼板來對鋼筋進(jìn)行替換以改善受力比較復(fù)雜的部位不便布置鋼筋的問題。

五、結(jié)束語

高層建筑是現(xiàn)代都市建筑中必不可少的部分，要使它有效地發(fā)揮最大的價(jià)值，離不開工程師們合理的設(shè)計(jì)和精密的計(jì)算。這也是對高水平設(shè)計(jì)人才的迫切需求。具體問題具體分析是解決問題的最好辦法，可以通過對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的新組合和對結(jié)構(gòu)形式的靈活運(yùn)用，來將時(shí)尚前衛(wèi)的設(shè)計(jì)圖紙變?yōu)檎嬲慕ㄖ铩１疚木透邔咏ㄖ陌l(fā)展和其中的問題提出了一些觀點(diǎn)和建議。因篇幅有限不便詳細(xì)描述，只期待我國高層建筑設(shè)計(jì)的發(fā)展能更上一層樓。

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