淺議高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化

張 瑾

(中核新能核工業(yè)工程有限責(zé)任公司，山西 太原 030012)

從古至今，建筑就是人類文明的象征和人類進(jìn)步的標(biāo)志。現(xiàn)階段，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及城市化進(jìn)程的加快，為了合理利用有限的土地這種不可再生資源，我國建筑正在發(fā)生著巨大的改變，主要表現(xiàn)為形態(tài)向高層發(fā)展，可以說，發(fā)展高層建筑已成為建筑業(yè)發(fā)展的一種必然趨勢(shì)。但是，隨著建筑高度的增加，以及建筑內(nèi)部空間的擴(kuò)大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性及穩(wěn)定性越來越凸顯，越來越引起人們廣泛關(guān)注和重視。而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)作為我國傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，因其具有造價(jià)低、耐久性好、結(jié)構(gòu)造型靈活、整體性好等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于各種工程結(jié)構(gòu)中。因此，對(duì)于高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究非常重要。

1 現(xiàn)階段高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)

目前，世界各國尚無統(tǒng)一劃分多、高層建筑的標(biāo)準(zhǔn)和界限。世界高層建筑委員會(huì)曾將高層建筑劃分為4類，分別為1類、2類、3類和4類[1]，其中，1類高層建筑層數(shù)9～16，高度小于50 m；2類高層建筑層數(shù)為17～25，高度小于75 m；3類高層建筑層數(shù)26～40，高度小于100 m；4類高層建筑層數(shù)大于40，高度大于100 m。在我國，JGJ 3—2002鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程規(guī)定，起始層數(shù)N≥10，或者起始高度H>28 m的建筑為高層建筑。

高層建筑的發(fā)展絕非一種偶然，它在種種矛盾之中找到了一個(gè)新的契合點(diǎn)，解答了當(dāng)代中國城市化發(fā)展的問題。高層建筑有如下優(yōu)點(diǎn)：1)節(jié)約用地。基于我國人口眾多、土地稀缺的基本國情，高層建筑大大提高了建筑容積率，節(jié)約了建筑用地，從根本上解決了城市土地稀缺的問題。2)提高生活品質(zhì)。我國社會(huì)正在進(jìn)入老齡化，高層建筑中的電梯可給老年人上下樓等帶來極大方便，使老年人晚年生活質(zhì)量得到了大幅度的提高。3)營造良好的生存環(huán)境。高層建筑的建筑密度縮小，得房率提高，開發(fā)商可以空出更多土地提高小區(qū)的綠化率，使得自然景觀與人工景觀完美融合、互相呼應(yīng)、更加協(xié)調(diào)，大幅度的改善小區(qū)的生態(tài)環(huán)境水平。然而，高層建筑也有其缺點(diǎn)，如整體造價(jià)高，施工難度較大，存在安全性問題等。且高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須做到科學(xué)、合理，否則將產(chǎn)生較大的人身財(cái)產(chǎn)損失。

對(duì)于高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)而言，其具有維護(hù)費(fèi)用低，結(jié)構(gòu)造型靈活，整體性能好等優(yōu)點(diǎn)。但是，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)也存在結(jié)構(gòu)自重大，構(gòu)件占據(jù)面積大，延性能差，抗裂性能差，修復(fù)困難，施工速度慢等缺點(diǎn)。下面本文將主要對(duì)高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化的相關(guān)問題進(jìn)行探討。

2 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可能存在的主要問題

2.1 結(jié)構(gòu)選型問題

隨著高層建筑迅速地發(fā)展，層數(shù)越來越多，體型越來越復(fù)雜，新結(jié)構(gòu)體系不斷出現(xiàn)，主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)體系巨型化、自重輕型化，柱網(wǎng)、開間擴(kuò)大化，以及高層建筑結(jié)構(gòu)體系中設(shè)置轉(zhuǎn)換層、加強(qiáng)層等[2]。其中，輕型化表明結(jié)構(gòu)體系越來越重視采用輕質(zhì)高強(qiáng)材料以減輕自重；轉(zhuǎn)換層的設(shè)置是實(shí)現(xiàn)集辦公、商貿(mào)、娛樂為一體的高層綜合體的必然要求；加強(qiáng)層的設(shè)置可以使外柱參與整體抗彎，使結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)能力增強(qiáng)。但是，新的結(jié)構(gòu)體系缺乏成熟的規(guī)范依據(jù)，因此，面對(duì)這些新變化，設(shè)計(jì)者需在做選型分析時(shí)充分試驗(yàn)與論證，否則將做出錯(cuò)誤的選型決策。

而高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)存在結(jié)構(gòu)自重大等缺陷，對(duì)于選型高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)，需要注意以下幾個(gè)問題：

1)需要明確實(shí)際的設(shè)計(jì)規(guī)則問題，準(zhǔn)確的分析實(shí)際新舊規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)；2)需要根據(jù)實(shí)際的設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，明確實(shí)際抗震規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)范圍；3)對(duì)于不符合實(shí)際規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)方案不可以采用；4)對(duì)于高層建筑的高度變動(dòng)問題，需要控制實(shí)際的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)高度；5)對(duì)于新規(guī)范中可能發(fā)生的強(qiáng)制性規(guī)定進(jìn)行分析，盡可能的避免規(guī)范變動(dòng)導(dǎo)致的施工階段被動(dòng)問題。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題

在高層混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)難度系數(shù)比較高，且存在建筑結(jié)構(gòu)理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況存在差異的情況，因此，結(jié)構(gòu)工程師在設(shè)計(jì)高層混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意以下幾個(gè)方面的問題：

1)地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)期間存在的問題。高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)在地下室底板設(shè)計(jì)期間，建筑物易受到地下室底板上部結(jié)構(gòu)作用力的影響而下沉，如果是天然地基，那么將會(huì)出現(xiàn)更大的影響。因此，高層混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)期間，需全面考慮對(duì)建筑物附加的預(yù)應(yīng)力，也可采取相應(yīng)的措施進(jìn)行處理，如采用在地下室底板與持力層之間應(yīng)用褥墊的方式，做好相應(yīng)的配筋設(shè)計(jì)工作等。

2)上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在問題。高層混凝土上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，最主要、最重要的是對(duì)剪力墻的設(shè)計(jì)。而高層建筑的剪力墻分布在很多結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，均勻、對(duì)稱和強(qiáng)邊角的設(shè)計(jì)原則使建筑物有很大的空間，但這樣的結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生改變，也必然會(huì)損害與其相關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)[3]。因此，為了避免此類情況的發(fā)生，設(shè)計(jì)者可以對(duì)剪力墻增加底部強(qiáng)化部分，設(shè)計(jì)約束邊緣的結(jié)構(gòu)，此外，還應(yīng)對(duì)剪力墻出現(xiàn)的個(gè)數(shù)以及安放的位置加以嚴(yán)格控制。

3 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及優(yōu)化建議

3.1 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

高層建筑的生命周期中需要承受水平和豎向雙向荷載，而混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)高層建筑物的質(zhì)量以及功能具有重要的影響，為此，我們要強(qiáng)化并重視高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中容易出現(xiàn)差誤的重點(diǎn)內(nèi)容，以確保高層建筑的安全性。具體如下：

1)選用最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式。高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)實(shí)際情況合理的選擇最適合的結(jié)構(gòu)形式。目前，其常用結(jié)構(gòu)主要包括框架、框剪、剪力墻和筒體結(jié)構(gòu)等，而這些結(jié)構(gòu)根據(jù)其自身的特點(diǎn)都有最為適用的情況，如框架結(jié)構(gòu)一般主要適用于高度低于60 m，框剪結(jié)構(gòu)一般主要適用于商品房或者高度低于120 m的建筑設(shè)計(jì)中，筒體結(jié)構(gòu)尤其適用于超高層(大于150 m)或者摩天大樓中等。

2)注意結(jié)構(gòu)的整體布局和造型。這要求設(shè)計(jì)人員在滿足結(jié)構(gòu)適用性、安全性和美觀性的基礎(chǔ)上，充分運(yùn)用自己的建筑設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)，盡可能地優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)的平面布置和豎向布置工作，避免建筑局部因突變或者削弱而形成薄弱部位，進(jìn)而確保整體建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性、均勻性和簡(jiǎn)單性。

3)優(yōu)化構(gòu)件截面。要求在綜合結(jié)構(gòu)安全性和經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)之上，要盡量選用成本性價(jià)比較強(qiáng)的構(gòu)件截面，不能為了節(jié)省成本而選擇過小的建筑構(gòu)件截面，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全風(fēng)險(xiǎn)的增大。

4)設(shè)置合理的沉降縫和轉(zhuǎn)換層等。相鄰高層建筑物之間高度差異過大會(huì)引發(fā)地基承載變形問題，在此種情況下設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)具體情況設(shè)置沉降縫。設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)具體情況，在框剪結(jié)構(gòu)中上部框架結(jié)構(gòu)和下層剪力墻的交接部位設(shè)置轉(zhuǎn)換層，同時(shí)采用其他加固措施，防范承載力突然改變的問題，以確保整體建筑的質(zhì)量。

3.2 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化建議

在對(duì)高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，為了有效改善結(jié)構(gòu)的受力性能，提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及安全性，可進(jìn)行如下優(yōu)化措施：

1)選用高強(qiáng)度施工材料。混凝土、鋼筋等施工原材料的質(zhì)量直接影響著高層建筑工程的整體質(zhì)量及成本，如果可以合理運(yùn)用一些高強(qiáng)度施工材料，不僅有利于優(yōu)化建筑構(gòu)件，減輕建筑結(jié)構(gòu)的整體重量，還可以有效地縮減構(gòu)件的尺寸，降低材料用量及施工成本。另外，在地震高發(fā)區(qū)的高層建筑中合理運(yùn)用高強(qiáng)混凝土和高強(qiáng)鋼筋等材料，還可達(dá)到提高設(shè)計(jì)有效性及安全性的目的。

2)增加抗彎結(jié)構(gòu)體系的有效寬度。據(jù)相關(guān)科學(xué)估算，在其他條件不變的前提下，側(cè)移將按寬度增加的三次方的比例減小。因此，增加寬度可以直接增大抵抗力臂，從而減小抗傾覆力。設(shè)計(jì)人員可通過增加抗彎結(jié)構(gòu)體系的有效寬度，而提供整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度。

3)優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)平面。建筑結(jié)構(gòu)平面的質(zhì)量直接關(guān)乎高層建筑的整體性能。一般而言，保持建筑結(jié)構(gòu)平面形狀的規(guī)則性、簡(jiǎn)單性和對(duì)稱性，不僅相應(yīng)的各種指標(biāo)校核和檢驗(yàn)也會(huì)比較簡(jiǎn)單，而且還可以使得建筑結(jié)構(gòu)所承受的承載力和剛度等荷載平均分布，從而更好的發(fā)揮建筑結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)功能。同時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員需要充分注重概念設(shè)計(jì)，盡量少設(shè)置施工縫，避免建筑局部地區(qū)存在突變的問題。

4)選擇合理的倒塌機(jī)制。當(dāng)高層建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定的塑性鉸后，整個(gè)結(jié)構(gòu)會(huì)變?yōu)闄C(jī)構(gòu)，而機(jī)構(gòu)不可以穩(wěn)定地承受外荷載作用，其會(huì)喪失承載能力，以至于出現(xiàn)可持續(xù)變形甚至倒塌。為此，設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)具體結(jié)構(gòu)類型合理安排、設(shè)置塑性鉸等倒塌機(jī)制，確保結(jié)構(gòu)承載能力基本保持穩(wěn)定，可以持續(xù)變形而不至于倒塌。

4 結(jié)語

高層建筑是社會(huì)發(fā)展所必然出現(xiàn)的產(chǎn)物，而在高層建筑質(zhì)量方面，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常重要。為此，在高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員需遵照結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的原則，配合建筑專業(yè)及其他相關(guān)專業(yè)的理論知識(shí)和相關(guān)實(shí)際建筑經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用多種方法，確保相應(yīng)混凝土結(jié)構(gòu)的延性、剛度和強(qiáng)度等性能，從而不斷的提升高層建筑的穩(wěn)定性與安全性。