高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問題及對(duì)策

張 向 前

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030012)

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問題及對(duì)策

張 向 前

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030012)

在分析高層建筑特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，從超高問題、規(guī)則性問題、短肢剪力墻設(shè)計(jì)等方面，對(duì)其現(xiàn)存問題及對(duì)策進(jìn)行了探討，目的是提高高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平，提升高層建筑的建設(shè)質(zhì)量。

高層建筑，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，問題及對(duì)策

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程的逐步加快，我國(guó)建筑可用地面積逐年減少。同時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和科學(xué)技術(shù)的水平也在不斷提升。高層建筑由于其占地面積小、可容納人數(shù)多等特點(diǎn)，在我國(guó)各城市建設(shè)數(shù)量逐年增多，而且有高度越來越高的趨勢(shì)。高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，設(shè)計(jì)水平直接影響建筑質(zhì)量以及后期的養(yǎng)護(hù)工作，因此提高高層建筑的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性、合理性，有利于提升建筑物的居住舒適度，提高建筑物的抗震性能、穩(wěn)定性、抗風(fēng)性等，使建筑物安全、穩(wěn)定。本文重點(diǎn)分析目前我國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的問題及對(duì)策，目的是為高層建筑工程項(xiàng)目提供實(shí)踐指導(dǎo)意義。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

1)荷載特點(diǎn)。高層建筑由于高度較高，需要承載垂直荷載的同時(shí)還需要承受水平荷載，其中垂直荷載是由建筑物自身產(chǎn)生的，在一般建筑物中也存在垂直荷載，而高層建筑的垂直荷載一般要大于普通建筑；水平荷載主要是由外界風(fēng)力所造成的，高層建筑由于層高較高，會(huì)承受較大的水平荷載。此外，高層建筑對(duì)于抗震的性能也有較高的要求。地震和風(fēng)力會(huì)對(duì)高層建筑產(chǎn)生很大的影響，是產(chǎn)生荷載的主要因素。

2)位移特點(diǎn)。在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，保證建筑物抗位移的設(shè)計(jì)是核心。隨著建筑物高度的逐漸增高，高層建筑的位移會(huì)以較快的速度增長(zhǎng)。較大的位移一方面會(huì)影響人們居住的舒適度，另外還會(huì)損害建筑物主體的結(jié)構(gòu)構(gòu)件和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件。因此，在進(jìn)行高層建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中要將位移控制在合理的程度內(nèi)，保證建筑物的舒適度及使用質(zhì)量。圖1給出設(shè)計(jì)方案階段

對(duì)建筑物位移曲線的繪制。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則

1)選擇合理的計(jì)算簡(jiǎn)圖。計(jì)算簡(jiǎn)圖是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)，計(jì)算簡(jiǎn)圖出現(xiàn)問題會(huì)直接影響建筑結(jié)構(gòu)的合理性，進(jìn)而引發(fā)安全事故。此外，要科學(xué)、合理的選擇構(gòu)造方法，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)不應(yīng)當(dāng)局限在鉸節(jié)點(diǎn)或鋼節(jié)點(diǎn)，而應(yīng)當(dāng)以減小誤差為目的選擇合理的構(gòu)造方法，將計(jì)算簡(jiǎn)圖控制在規(guī)定范圍內(nèi)。

2)選擇合理的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)性工作，要在對(duì)建筑施工現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件認(rèn)真勘察的情況下進(jìn)行。同時(shí)要針對(duì)建筑的結(jié)構(gòu)類型和荷載特點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)性的分析，要全面考慮建筑周邊的建筑物、橋梁等的影響。在綜合考慮上述因素的情況下，選擇科學(xué)、合理的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案，能夠最大限度的發(fā)揮地基的潛力。

3)選擇合理的結(jié)構(gòu)方案。合理的結(jié)構(gòu)方案一方面能夠滿足高層建筑物結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)形式的標(biāo)準(zhǔn)化要求，另一方面還應(yīng)當(dāng)充分考慮經(jīng)濟(jì)投入，盡量節(jié)省施工成本。高層建筑物的結(jié)構(gòu)體系要求是受力明確、傳力簡(jiǎn)單。相同的結(jié)構(gòu)單元選用的應(yīng)當(dāng)是相同的結(jié)構(gòu)體系。在綜合分析項(xiàng)目地理?xiàng)l件、施工條件、投資預(yù)算、施工材料、工程設(shè)計(jì)需求等的基礎(chǔ)上，確定最佳的結(jié)構(gòu)方案。

4)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確分析。隨著計(jì)算機(jī)和信息科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)軟件被廣泛應(yīng)用在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。不同的計(jì)算軟件使用的計(jì)算模型和參數(shù)分析方式不同，因此可能得出不同的設(shè)計(jì)結(jié)果。因此設(shè)計(jì)人員要在充分了解軟件的適用范圍和適用條件的基礎(chǔ)上，選擇合適的軟件進(jìn)行計(jì)算。此外，要盡量避免使用軟件過程中出現(xiàn)人工輸入誤差的問題，高度重視軟件本身缺陷造成的計(jì)算誤差現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師應(yīng)當(dāng)在得到計(jì)算結(jié)構(gòu)之后進(jìn)行認(rèn)真的復(fù)核，以確保計(jì)算結(jié)構(gòu)的正確、合理。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的主要問題及對(duì)策

1)超高問題。

對(duì)于高層建筑來說高度并不是可以無限制增高的，而是要遵守嚴(yán)格的設(shè)計(jì)規(guī)定、能夠滿足抗震的要求。我國(guó)對(duì)于高層建筑高度有著明確、嚴(yán)格的規(guī)范，新的建筑設(shè)計(jì)規(guī)范中將傳統(tǒng)的A級(jí)限制高度進(jìn)行細(xì)化后，增加了B級(jí)高度，進(jìn)一步改進(jìn)了高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法和措施。在實(shí)際施工的過程中，對(duì)于發(fā)現(xiàn)建筑物超高的設(shè)計(jì)圖紙，在審核階段將不予以通過，需要對(duì)圖紙進(jìn)行重新設(shè)計(jì)后由相關(guān)專家進(jìn)行論證。一旦出現(xiàn)這樣的問題，將會(huì)大大影響建筑施工項(xiàng)目的施工進(jìn)度。

2)規(guī)則性問題。

我國(guó)對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性問題也有著明確的規(guī)定和限制。包括對(duì)結(jié)構(gòu)嵌固端的上層與下層之間的剛度比、對(duì)平面規(guī)則性的規(guī)定等。在我國(guó)的新規(guī)范中還明確規(guī)定了高層建筑結(jié)構(gòu)中禁止采用不規(guī)則的設(shè)計(jì)方案。

3)短肢剪力墻設(shè)計(jì)。

在我國(guó)建筑設(shè)計(jì)新規(guī)范中，規(guī)定墻肢界面高度和厚度比在5～8范圍內(nèi)的墻為短肢剪力墻，高層建筑中對(duì)短肢剪力墻的使用有明確限制，應(yīng)當(dāng)在實(shí)際設(shè)計(jì)中盡量減少或避免使用短肢剪力墻。在必須設(shè)置短肢剪力墻的情況下，需要根據(jù)工程實(shí)際嚴(yán)格控制墻體的厚度，一般控制在0.2 m～0.3 m的厚度最為合適。同時(shí)也要注意控制墻體的光滑度，墻體過厚、過薄或凹凸不平，都會(huì)威脅墻體的安全性和穩(wěn)定性。可以采用將短肢剪力墻與較長(zhǎng)的墻體整合在一起的方式來增加墻體的安全性。剪力墻的平面長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)保持較短且減少扭轉(zhuǎn)的問題，要盡量避免豎向布置的嚴(yán)重不規(guī)則的短肢剪力墻墻面設(shè)計(jì)。圖2中給出常見的短肢剪力墻截面柱設(shè)計(jì)。

4)嵌固端的設(shè)計(jì)。

在高層建筑中一般會(huì)配有兩層或兩層以上的人防設(shè)施或地下室，嵌固端一般就設(shè)在人防或地下室的頂板位置。設(shè)計(jì)人員要充分考慮到嵌固端設(shè)置后可能帶來的問題，包括嵌固端樓板的設(shè)計(jì)，嵌固端上層和下層的抗震等級(jí)設(shè)計(jì)，協(xié)調(diào)嵌固端位置和抗震縫隙設(shè)置的協(xié)調(diào)性、合理性。

5)箱、筏基礎(chǔ)底板的問題。

在高層建筑中巨大的荷載容易出現(xiàn)偏心的問題，從而導(dǎo)致箱、筏基礎(chǔ)底板很容易出現(xiàn)沉降的嚴(yán)重后果。為了解決這一問題，一些箱、筏基礎(chǔ)底板使用挑板，但是挑板陽角的大小等的選擇會(huì)對(duì)建筑物整體的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，因此需要認(rèn)真的選擇和計(jì)算。通過在箱、筏基礎(chǔ)底板添加挑板可以對(duì)邊跨鋼筋起到調(diào)勻的作用，從而

避免由于加大底板通長(zhǎng)筋而造成的邊跨鋼筋問題，此外挑板還能減少基底的附加應(yīng)力。在天然地基的基礎(chǔ)上增加和使用挑板，可以控制整體的沉降，從而對(duì)整體的傾斜和沉降差進(jìn)行調(diào)整。增加挑板的位置需要認(rèn)真分析，對(duì)于在地下室窗井位置排列密集橫隔墻的位置要認(rèn)真進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于地下水位較高的位置，則需要考慮挑板抗浮的問題。此外，可以對(duì)箱、筏基礎(chǔ)地板的挑板進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，對(duì)于底面積陽角面積較小的問題，可以使用直角，而對(duì)于懸挑的陽角部分，可以保持不變或不使用輻射筋。

6)關(guān)于扭曲的問題。

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有“三心”的要求，即幾何中心、剛度中心、結(jié)構(gòu)中心，在設(shè)計(jì)過程中要遵循三心合一的原則。然而，在實(shí)際的高層建筑設(shè)計(jì)過程中，普遍存在三心不規(guī)范的扭曲問題，無法實(shí)現(xiàn)真正的三心合一。在存在水平壓力的情況下，高層建筑會(huì)出現(xiàn)扭曲振動(dòng)的問題，從而帶來巨大的安全隱患。通過使用現(xiàn)代化的計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)三心合一。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，可以充分利用現(xiàn)代化的先進(jìn)計(jì)算機(jī)軟件，進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)化或計(jì)算，全面實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)涉及的先進(jìn)性、科學(xué)性和節(jié)約性。例如，可以使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD技術(shù)，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的效率和安全性。此外，使用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)還能夠提高軟件設(shè)計(jì)方案的準(zhǔn)確性。目前市面上用于建筑設(shè)計(jì)的軟件產(chǎn)品眾多，不同的產(chǎn)品適合的設(shè)計(jì)場(chǎng)景和應(yīng)用模式各不相同，設(shè)計(jì)人員需要熟練掌握并深入了解不同軟件的特點(diǎn)，選擇最合理的軟件進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加速發(fā)展，以及國(guó)家經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、科技水平的進(jìn)一步提升，高層建筑必將是我國(guó)城市建筑設(shè)計(jì)的發(fā)展方向，高層建筑對(duì)土地資源的高利用率適合我國(guó)的城市發(fā)展要求。但是高層建筑設(shè)計(jì)還存在諸多問題，影響了人們的居住舒適度，也影響了居住的安全性，因此提高我國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平，改善現(xiàn)存的問題，在設(shè)計(jì)過程中實(shí)施科學(xué)的管理措施，提供設(shè)計(jì)人員的技術(shù)水平等，對(duì)于解決現(xiàn)存問題有著重要意義，也是提高高層建筑質(zhì)量的必要手段。本文重點(diǎn)分析目前我國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的超高問題、不規(guī)則問題等，并對(duì)短肢剪力墻、箱筏基礎(chǔ)底板、嵌固端等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題進(jìn)行探討。

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On problems in high-rise architectural buildings and their strategies

Zhang Xiangqian

(ShanxiCommunicationsPlanning,SurveyandDesignInstitute,Taiyuan030012,China)

Based on the analysis of the features of the high-rise building and the structural design principle, the paper explores the problems and their strategies from the overheight problems, problem in regulations, and short-leg shearing wall design, so as to improve the design standard for the high-rise buildings and promote the construction quality of the buildings.

high-rise building, structural design, problems and strategies

1009-6825(2017)20-0048-02

2017-04-12

張向前(1990- )，男，助理工程師

TU318

A