復(fù)雜高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

潘鐵軍 孫偉

【摘要】隨著人們生活水平逐漸提高，人們對住房改善的要求越來越精細(xì)。然而，由于城市土地供應(yīng)受限，建筑行業(yè)的快速發(fā)展導(dǎo)致了復(fù)雜高層建筑和超高層建筑的發(fā)展，從而降低了土地的占有率。復(fù)雜高層與超高層建筑不僅僅要求美觀時尚，其結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟性更應(yīng)該受到重視，本文通過分析結(jié)構(gòu)特點引出對于復(fù)雜高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計重點。

【關(guān)鍵詞】建筑；鋼筋混凝土；結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、引言

1980年之后，特別是從1990年到2010這二十年，新興的現(xiàn)代復(fù)雜高層與超高層建筑呈現(xiàn)出快速增長、需求旺盛的面貌。復(fù)雜高層與超高層建筑不管是從藝術(shù)美感、獨特造型、空間利用還是多用途創(chuàng)新等方面呈現(xiàn)給人不同的感官，其規(guī)模比以往更加龐大，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，內(nèi)部空間也更加多變，這給結(jié)構(gòu)工程師帶來了更多的問題。然而，隨著工藝技術(shù)不斷提高、工程師的不斷鉆研，大量復(fù)雜高層與超高層建筑例如平安國際金融中心、上海中心大廈等已經(jīng)落成。

2、復(fù)雜高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)的特點

2.1 復(fù)雜高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)分類

復(fù)雜高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)擁有多種類型，每種類型都有其獨特結(jié)構(gòu)，所以本文對這些復(fù)雜的高層結(jié)構(gòu)進行分類。高層建筑中帶有轉(zhuǎn)換層的一般出現(xiàn)在商業(yè)建筑，一般情況下低層作為商業(yè)使用，其特征有富麗堂皇的大廳，高層一般是酒店套房，供人們居住或者辦公。還有一種高層建筑結(jié)構(gòu)和之前描述的恰恰相反，低層作為寫字樓，上層建筑作為酒店套房。這些建筑垂直結(jié)構(gòu)通常不能連續(xù)，有必要采用轉(zhuǎn)換層來實現(xiàn)上下樓層之間的溝通和過渡，但過渡結(jié)構(gòu)可能會導(dǎo)致在垂直方向上相鄰層剛度變化大于70%以及垂直構(gòu)件不連續(xù)，所以具有轉(zhuǎn)換層的建筑在設(shè)計過程中應(yīng)該留足夠的、連續(xù)的抗風(fēng)墻、抗震墻或柱體。另外一種高層建筑結(jié)構(gòu)是連體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是指一個高層建筑群連接方式通過跨度長十幾米、幾十米的通道進行聯(lián)通，甚至不止一個通道，使建筑豎向結(jié)構(gòu)在受力時抵抗彈性變形的能力發(fā)生突然改變，結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則引起的樓層的最大彈性水平位移大于該樓層兩端彈性水平位移。此外，由于考慮建筑物外觀要時尚、優(yōu)美、具有空間感，增加一些垂直可伸縮的懸臂結(jié)構(gòu)，除了之前的垂直剛度和各階振型相疊加的問題，我們還應(yīng)該注意突發(fā)的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件失穩(wěn)對結(jié)構(gòu)的影響。

2.2 復(fù)雜高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)受力

倘若結(jié)構(gòu)自帶加固層，它可以更好地提高整體結(jié)構(gòu)的橫向剛度，這種設(shè)計可以更大限度符合設(shè)計的需要，但附近的強化層容易使得結(jié)構(gòu)在受力時抵抗彈性變形的能力突然下降，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力變化，結(jié)構(gòu)抗震能力下降，所以需要仔細(xì)計算加強層的數(shù)量以及加強層布置的方位等等。平面的不規(guī)則結(jié)構(gòu)可分為不規(guī)則的形狀、不規(guī)則的結(jié)構(gòu)布局和單薄的地板連接三個方面，這種結(jié)構(gòu)的共同特征是地震的影響相對較大，一些地板不能滿足整體彈性形變的假設(shè)地板，地基的強度對建筑物負(fù)重的能力較弱，局部應(yīng)力和變形大，容易形成結(jié)構(gòu)弱點和漏洞。

因為這些復(fù)雜高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)有非常復(fù)雜的受力，垂直方向和平面方向的彈性形變不可控，他們的一些特征超越現(xiàn)有規(guī)范范圍，因此凡是采用過渡層、加固層、連體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜高層與超高層建筑，規(guī)范明確定義9度地震不應(yīng)該被使用，這是考慮到當(dāng)前的復(fù)雜結(jié)構(gòu)缺乏理論支撐和工程實踐經(jīng)驗，歸根到底是為了避免產(chǎn)生安全問題。

3、復(fù)雜高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

3.1 結(jié)構(gòu)布置選型

對于復(fù)雜高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)布置選型是第一步，首先要計算高層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)高寬比，平面布局是否均勻，地板連續(xù)性是否滿足。然后選擇梁柱構(gòu)成的框架受力體系，是否選擇“核心筒”形式，如果選用，那么筒體和框架都采用哪種建筑材料，框架采用哪種形狀，什么形式?？癸L(fēng)墻或抗震墻混凝土等級、梁板柱的混凝土強度等級、鋼筋強度等級需要計算和選擇，以及每層樓板厚度是否統(tǒng)一，還是上層薄下層厚，很多問題在這個階段需要分析和選擇。

3.2 設(shè)計指標(biāo)分析

設(shè)計指標(biāo)不僅僅是針對建筑領(lǐng)域，每一個工程領(lǐng)域都要非常注重設(shè)計指標(biāo)，對于雜高層建筑和超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的指標(biāo)，我們需要注重地震載荷指標(biāo)和風(fēng)載荷指標(biāo)，這些指標(biāo)的設(shè)計是設(shè)計師設(shè)計好壞的重要考量，也是設(shè)計是否合理的重要指標(biāo)。

兩個重要設(shè)計指標(biāo)中，第一個是地震荷載指標(biāo)：設(shè)計人員嚴(yán)格計算過程中發(fā)現(xiàn)，超高層建筑結(jié)構(gòu)體現(xiàn)本身動力特性的自振周期在6s～9s，而當(dāng)當(dāng)自振周期與地震作用的周期接近時，會發(fā)生共振，對建筑造成極大損害，所以提出了復(fù)雜高層和超級高層建筑結(jié)構(gòu)直線傾斜下降時間應(yīng)在10s以及之后。在對地震荷載指標(biāo)進行分析設(shè)計時，也要充分結(jié)合建筑當(dāng)?shù)丨h(huán)境，以確保計算結(jié)果符合建筑合理布置的要求；第二個指標(biāo)是風(fēng)荷載指標(biāo)：復(fù)雜高層和超級高樓由于其高聳入云的結(jié)構(gòu)，其風(fēng)荷載是不能忽略的，因此，相關(guān)人員要對建筑結(jié)構(gòu)承受的風(fēng)荷載進行全方位考慮，對變形應(yīng)力進行有效控制，控制建筑物的變形，提高建筑物的安全度和舒適度。

3.3 設(shè)計結(jié)構(gòu)科學(xué)性

結(jié)構(gòu)設(shè)計的科學(xué)性不是強調(diào)結(jié)構(gòu)的安全性，而是重點在于舒適程度。因為當(dāng)下民眾對于舒適程度的要求越來越高，人們的生活水平也是越來越高，從另一個角度看，復(fù)雜高層與超高層建筑也要迎合大眾的需求，設(shè)計的更加合理美觀，這也是是一個必須在復(fù)雜的高層建筑和超高層建筑中實現(xiàn)的目標(biāo)。

因為復(fù)雜高層建筑和超高層建筑垂直于水平面的荷載相比其他建筑較大，在早期施工和后期居住過程中結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)了一些壓縮變形。在此基礎(chǔ)上，為了確保人們可以更好地更舒適地生活居住，設(shè)計過程中需要利用先進科學(xué)技術(shù)對施工設(shè)計和施工期間結(jié)構(gòu)的變形進行模擬，以確保建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以更安全舒適，更好地滿足人民生活需求。

3.4 設(shè)計結(jié)構(gòu)抗震性

為了確保復(fù)雜高層建筑和超高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計不會出現(xiàn)大的疏漏、更加安全、更加科學(xué)，并且能夠避免高層建筑共振的危害，有關(guān)設(shè)計人員要嚴(yán)格遵照相應(yīng)規(guī)范進行計算和設(shè)計，不允許私自修改設(shè)計參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，還必須充分考慮工程所在地自然環(huán)境、施工環(huán)境、人文環(huán)境、地址因素、風(fēng)向風(fēng)速，確保復(fù)雜高層建筑和超高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，安全永遠(yuǎn)是第一位的。

結(jié)論：

總之，復(fù)雜建筑和高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計是基于所設(shè)計對象的結(jié)構(gòu)計劃和結(jié)構(gòu)特征，而且還要考慮結(jié)構(gòu)抗震性和科學(xué)性。而且，建筑材料利用效率和建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計是設(shè)計過程中需要重點考慮的，體現(xiàn)了環(huán)保意識和質(zhì)量安全的重要性。所以，對于復(fù)雜建筑和高層建筑的結(jié)構(gòu)的設(shè)計要綜合各個因素全方位考慮。

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作者簡介：

潘鐵軍，恒大集團山東公司總工室；

孫偉，恒大集團山東公司總工室。