高層建筑設(shè)計(jì)存在的問題及優(yōu)化策略探討

梅斯景

引言

現(xiàn)代的高層建筑設(shè)計(jì)是一個(gè)長期以及復(fù)雜的過程。高層建筑設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足美觀、舒適以及人的安全要求。怎么樣才做出一個(gè)舒適以及安全，同時(shí)還符合人們的精神物質(zhì)的需要，經(jīng)濟(jì)上還實(shí)用的住宅設(shè)計(jì)，可以適應(yīng)高層建筑的市場變化，滿足高層消費(fèi)的需求，這些成為了高層建筑設(shè)計(jì)人員應(yīng)該要解決的重要問題。這樣就要求了高層建筑的設(shè)計(jì)人員在工作當(dāng)中應(yīng)該嚴(yán)格地要求自己，不斷地學(xué)習(xí)一些新的規(guī)范，進(jìn)而可以掌握一些比較合理的設(shè)計(jì)方法。而有的設(shè)計(jì)者為了別出心裁，只是追求一些效果，卻影響了人們的使用甚至還會(huì)影響到安全，在設(shè)計(jì)上出現(xiàn)一些不合理的現(xiàn)象是不可避免的。所以，對高層建筑設(shè)計(jì)當(dāng)中存在的問題進(jìn)行探討就顯得非常的重要。

1 高層建筑中設(shè)計(jì)的意義

高層的建筑大部分布置在城市當(dāng)中商業(yè)比較發(fā)達(dá)的區(qū)域，這樣的地段街道本身的交通荷載就比較大，高層的建筑也不斷地增加這些街道交通的壓力，因此分布在這些街道的兩側(cè)高層的建筑應(yīng)該盡可能地控制其高度以及層數(shù)，與此同時(shí)在規(guī)劃設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)該對這樣的街道進(jìn)行擴(kuò)展，這樣就可以加大其通行的能力。就現(xiàn)在國內(nèi)外抗震設(shè)計(jì)發(fā)展的趨勢而言，結(jié)構(gòu)彈塑性的分析將會(huì)成為抗震設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成的部分，但是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)彈塑性分析比較復(fù)雜，在怎么樣進(jìn)行計(jì)算以及怎么樣設(shè)定具體的問題上，每個(gè)國的做法也就不同。對于抗震設(shè)計(jì)而言，要求建筑的立面以及平面布置應(yīng)該對稱以及規(guī)正，建筑的剛度變化以及質(zhì)量的分布都應(yīng)該比較均勻，如果不是這樣的話應(yīng)該考慮到不利的影響。但是一些平面設(shè)計(jì)仍然存在嚴(yán)重的不對稱，一邊墻是落地承重，而另一邊則是柱承重，一邊的設(shè)計(jì)是大的房間，而另一邊則是小的房間，一邊的進(jìn)深很大，而另一邊進(jìn)深則非常小。高層建筑不恰當(dāng)?shù)某叨葧?huì)對城市產(chǎn)生一些不良的影響，就會(huì)改變了城市的傳統(tǒng)歷史的文化，還會(huì)改變原來的城市每個(gè)構(gòu)成要素之間的關(guān)系。

2 工程案例

工程項(xiàng)目：武漢某大廈，本工程為一類建筑，地下耐火極限為一級，地上耐火極為一級。防水等級：屋面防水等級為一級，地下室防水等級為二級。主要結(jié)構(gòu)形式為，框架結(jié)構(gòu)抗震烈度為Ⅶ級。總建筑面積：24419m2，一層及標(biāo)準(zhǔn)層按1.5倍計(jì)容積率時(shí)，總面積為32092m2。建筑物高度為150m。

3 高層建筑設(shè)計(jì)的常見問題

3.1 能量

在外圍的護(hù)墻上多耗費(fèi)的能量比較大，大約占總能量的25%左右，對于外圍護(hù)墻而言，其保溫效果弱的話就可以消耗比較大的能量。對于建筑環(huán)境的位置而言，對設(shè)計(jì)也會(huì)有一些影響。

3.2 季節(jié)

對于季節(jié)的不相同，高層建筑所需要的熱能也就不相同，冬季的風(fēng)比較強(qiáng)，而熱量的損失就比較大，這就增大了冷空氣的滲透量，這樣使室內(nèi)的熱量損失增大。因?yàn)榻ㄖ囊恍┎课惶幚淼牟磺‘?dāng)，墻體的內(nèi)部就很容易產(chǎn)生冷凝的水。所以，對于高層建筑的保溫材料上的選用，建筑物構(gòu)造合理性應(yīng)該建立在可靠以及科學(xué)的基礎(chǔ)之上。

3.3 梁、板的計(jì)算跨度

梁板結(jié)構(gòu)的意思是，用剛性支座代理梁，放在梁的中心線位置，這時(shí)候梁板就相當(dāng)于截面板。如果梁是扁的的話，高度和厚度基本等同，長度和彎矩選擇梁中心位置即可，同時(shí)加上兩者的較大值配筋。

3.4 主梁有次梁處附加筋問題

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，在梁下部的作用力點(diǎn)附以鋼筋，做到集中荷載由另加的橫向鋼筋結(jié)構(gòu)來承重。梁截面高度范圍不同，加不加筋對于主梁來說選擇也不同，當(dāng)主次截面相差很大時(shí)，主梁就不用加鋼筋了，因?yàn)楹奢d較小，沒有必要。反而如果相差不大，次梁荷載相對來說較重，就需要添加附加鋼筋來分擔(dān)次梁的承重，實(shí)現(xiàn)安全性。針對箱、筏基礎(chǔ)底板跳板的陽角問題，如果說底板的鋼筋是雙排并且兩個(gè)方向同時(shí)有的話，陽角不能夠決不允許添加輻射筋。

3.5 風(fēng)荷載

對于風(fēng)荷載而言，也是高層建筑設(shè)計(jì)控制的因素，隨著高度不斷地增高的建筑物，風(fēng)荷載的影響也就變得越來越大。在高層建筑當(dāng)中除了地震的作用是水平力以外，重要側(cè)向的荷載就是風(fēng)荷載，在荷載組合的時(shí)候常常起到了控制的作用。

4 高層建筑設(shè)計(jì)的優(yōu)化策略

4.1 地基的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

工程造價(jià)的決定性條件是地基的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。所以地基的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)必須保證萬無一失，步步驚心。高層建筑的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員要想確保有這完善的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，要實(shí)施因地制宜政策，根據(jù)當(dāng)?shù)氐臈l件和相關(guān)建筑政策調(diào)整設(shè)計(jì)內(nèi)容。

4.2 荷載組合要求

采用點(diǎn)算程序化計(jì)算設(shè)計(jì)出地基承載力及各荷載組合的特點(diǎn)。當(dāng)風(fēng)荷載及地震效應(yīng)導(dǎo)致高層住宅邊角地方豎向作用力大時(shí)，如果短期荷載等同于永久荷載，邊角的豎向結(jié)構(gòu)就會(huì)偏大，而中間又是在原有的小值之上，地基墻體就會(huì)受力不均產(chǎn)生裂縫。組合地震作用及重力荷載時(shí)，應(yīng)增大承載力，同時(shí)提高承載力的特征值在組合重力荷載和風(fēng)荷載時(shí)。在設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員要最大程度地降低地基變形和差異變形。

4.3 優(yōu)化建筑位置設(shè)計(jì)

選址是高層建筑項(xiàng)目的重要組成部分。有必要考慮城市設(shè)施的空間布局，并最大限度地發(fā)揮對城市的影響。建筑物的位置選擇和定向設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)人員必須考慮的主要因素。在明亮的環(huán)境中，它有助于培養(yǎng)愉快和舒適的情緒。在建筑物的設(shè)計(jì)中，有必要讓建筑物根據(jù)當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境長時(shí)間面對光線，這可以減少用戶照明的消耗和資源的浪費(fèi)。當(dāng)提前設(shè)計(jì)太陽能使高層建筑物能夠接收到最大的陽光時(shí)，建筑物的位置和方向?qū)⒈淮_定。由于我國大部分地區(qū)位于北半球，大部分建筑面向北方，面向南方。建筑物南側(cè)的窗戶必須盡可能大，而其他防御窗戶盡可能小。減少熱量損失，使用戶無需使用空調(diào)加熱等設(shè)施即可享受宜人的溫暖。

4.4 優(yōu)化朝向設(shè)計(jì)

對于建筑的朝向，一般要求是冬暖夏涼。在我國，南向是最讓人滿意的建筑朝向，因?yàn)槟舷蚪ㄖ邮芴栒丈涞臅r(shí)間較長，且夏季太陽高度相對較大。實(shí)際上，建筑設(shè)計(jì)無法確保全部房間均安排在南向。因此，每一棟建筑在選擇建筑朝向時(shí)，應(yīng)緊密結(jié)合建筑所在地區(qū)的太陽輻射強(qiáng)度、常年主導(dǎo)風(fēng)向及日照時(shí)間等因素進(jìn)行。在我國，每年最熱的天氣一般是7月份，最冷的天氣在1月份，而夏季最熱時(shí)間為午后1～3時(shí)。結(jié)合太陽輻射強(qiáng)度與風(fēng)速風(fēng)向等因素分析后可得知：建筑位于南偏西150°至南偏東30°的區(qū)域內(nèi)時(shí)，室內(nèi)溫度較舒適；建筑處于南偏西30°與南偏東30°方位，其夏季太陽輻射強(qiáng)度最小。在南方地區(qū)，建筑朝向應(yīng)避免日曬，且建筑門窗部位應(yīng)適當(dāng)設(shè)置遮陽設(shè)備。

4.5 建筑的空間

在建筑的空間尺度方面，一般遵循依形就勢的建造原則，較大的空間尺度，應(yīng)該適應(yīng)周圍的自然環(huán)境。此外在小尺度空間中，應(yīng)符合人體工程學(xué)，人們居住起來居住體驗(yàn)較好，且長期以來，木匠們經(jīng)常使用，熟練度也較好，有效提高了房屋建筑的質(zhì)量和速度，減少了事故發(fā)生的頻率。

4.6 運(yùn)用當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的新設(shè)計(jì)

目前，低碳高層建筑設(shè)計(jì)主要采用物聯(lián)網(wǎng)，數(shù)字技術(shù)，仿生學(xué)等設(shè)計(jì)手段，發(fā)展建筑業(yè)的低碳理念。這些新理論和新技術(shù)的應(yīng)用，改善了高層建筑的設(shè)計(jì)理念，保證了建筑的質(zhì)量和效益。

4.7 充分考慮環(huán)境因素

一個(gè)建筑是否與周圍的環(huán)境相融合是很重要的，符合我國古代天時(shí)地利人和的思想。充分考慮當(dāng)?shù)氐臍庀笏暮偷刭|(zhì)因素，深入了解影響工程質(zhì)量的各種環(huán)境因素，在做完調(diào)查研究工作之后再開展各項(xiàng)設(shè)計(jì)活動(dòng)。水文地質(zhì)是一個(gè)在設(shè)計(jì)中很容易忽視的部分，然而它的地位卻不容撼動(dòng)，地下水對巖層土層有著直接的重要影響，建筑物的穩(wěn)定性和耐久性受到地下水文地質(zhì)的影響比較大。尤其是高層住宅建筑，關(guān)乎到很多人的生命安全，更是要充分研究考察選址的地下水文和地質(zhì)情況。

5 結(jié)束語

綜上所述，在設(shè)計(jì)高層的建筑當(dāng)中應(yīng)該充分地把握好各種尺度，結(jié)合人們的尺度，盡可能去滿足人使用的要求，一定可以創(chuàng)造出優(yōu)美的外部造型。這應(yīng)該要求建筑的設(shè)計(jì)人員在工作當(dāng)中嚴(yán)格地要求自己，不斷地學(xué)習(xí)一些新的規(guī)范，掌握更為合理建筑設(shè)計(jì)的方法。在我國的規(guī)范制度還不夠完善的情況之下，高程的建筑業(yè)更應(yīng)該嚴(yán)格的自律，在有限的規(guī)范限制之內(nèi)，設(shè)計(jì)應(yīng)該靈活轉(zhuǎn)變，對突然發(fā)生的狀況進(jìn)行及時(shí)有效的應(yīng)對，相關(guān)的人員應(yīng)該提升自己理論的知識(shí)以及專業(yè)的知識(shí)來做出貢獻(xiàn)。