高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化與施工措施探討

劉凱 蔣炳禮 郭彬彬

摘 要：建筑工程建設(shè)中的基礎(chǔ)材料混凝土既存在較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度及較長的安全性與耐久性等優(yōu)勢，同時(shí)也容易在外部環(huán)境因素與自身因素的影響下發(fā)生變形、裂縫、斷裂等問題，建筑單位要想將混凝土的應(yīng)用優(yōu)勢發(fā)揮地淋漓盡致就必須努力做好對于其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。尤其是高層建筑，其層數(shù)較多、空間結(jié)構(gòu)的變化性較大，對安全性、耐久性及抗震性能的要求較高，在某種程度上其混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化更為重要。

關(guān)鍵詞：高層建筑；混凝土結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)優(yōu)化

1 高層住宅建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

（1）限制結(jié)構(gòu)平面布置的不規(guī)則性避免產(chǎn)生過大的偏心而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程435條規(guī)定：在考慮偶然偏心影響的地震作用下，樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移，A級(jí)高度高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.2倍，不應(yīng)大于該樓層平均值的1.5倍。抗震設(shè)計(jì)的A級(jí)高度鋼筋混凝土高層建筑其平面布置宜簡單、規(guī)則、對稱、減少偏心。結(jié)構(gòu)平面布置必須考慮有利于抵抗水平和豎向荷載，受力明確，傳力直接，力爭均勻?qū)ΨQ，減少扭轉(zhuǎn)影響。結(jié)構(gòu)剛度不對稱也會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。所以在布置剪力墻時(shí)，應(yīng)使結(jié)構(gòu)均勻分布，令荷載合力作用線通過結(jié)構(gòu)剛度中心，以減少扭轉(zhuǎn)影響。結(jié)構(gòu)剛度不對稱產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)時(shí)，通過增加墻厚來調(diào)整扭轉(zhuǎn)效應(yīng)效果不佳。高層剪力墻結(jié)構(gòu)住宅中剪力墻影響剛度，而剪力墻為矩形截面，慣性矩為IZ=bh3/12，b為墻厚，h為墻長。剪力墻的長度對其剛度影響很大。首先分析哪部分結(jié)構(gòu)剛度大，哪部分結(jié)構(gòu)剛度小，增大剛度對結(jié)構(gòu)有利，還是減小剛度對結(jié)構(gòu)有利，通過增減剪力墻達(dá)到結(jié)構(gòu)剛度均勻?qū)ΨQ，滿足高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程435條對最大水平位移和層間位移的要求。

（2）限制結(jié)構(gòu)的抗扭剛度不能太弱。高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程435條規(guī)定：結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動(dòng)為主的第一自振周期T1之比，A級(jí)高度高層建筑不應(yīng)大于0.9。扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)振動(dòng)的主方向，可通過計(jì)算振型方向因子來判斷，在兩個(gè)平動(dòng)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)成的三個(gè)方向因子中，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)方向因子大于0.5時(shí)，則該振型可認(rèn)為是扭轉(zhuǎn)為主的振型。當(dāng)不滿足以上要求時(shí)，宜調(diào)整抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的布置，增大結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。如在滿足層間位移比的情況下，減小某些（中部）豎向構(gòu)件剛度，增大平動(dòng)周期，加大端部豎向構(gòu)件抗扭剛度，減小扭轉(zhuǎn)周期。

（3）高層建筑的基礎(chǔ)形式應(yīng)選用整體性好，能滿足地基承載力和層建筑容許變形的要求，并能調(diào)節(jié)不均勻沉降，達(dá)到安全實(shí)用和經(jīng)濟(jì)合理的目的。以下討論平板式筏基和梁板式筏基經(jīng)濟(jì)合理的問題。平板式筏基與梁板式筏基相比較具有節(jié)約鋼材、混凝土，施工工期短等優(yōu)點(diǎn)。住宅一般開間小，即剪力墻間距小，并且剪力墻剛度大，所以剪力墻完全可以起到梁板式筏基中基礎(chǔ)梁的作用。采用中國建筑科學(xué)研究院編制的JCCAD軟件，用有限元法對不同基礎(chǔ)形式進(jìn)行基礎(chǔ)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)平板式筏基和梁板式筏基的板厚及配筋相差不多，但梁板式筏基卻有基礎(chǔ)梁的配筋、混凝土用量和基礎(chǔ)梁支模等情況。當(dāng)采用梁板式筏基時(shí)有的基礎(chǔ)梁的剛度達(dá)不到它所應(yīng)起到的剛度作用，計(jì)算時(shí)超筋。

（4）高層建筑平面凹入較深時(shí)構(gòu)造處理。高層建筑平面不規(guī)則，容易發(fā)生震害，在不妨礙建筑使用的原則下可以采取以下措施：設(shè)置拉梁或拉板（板厚為250mm-300mm），拉梁拉板內(nèi)配置受拉鋼筋，滿足梁板最小配筋率要求。

（5）高層住宅轉(zhuǎn)角窗處的構(gòu)造處理。角部墻體開洞，與角部墻體不開洞的剪力墻結(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)整體效應(yīng)影響頗大，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度、自振周期、地震作用等均有不同程度的差異，角部墻體開洞的剪力墻結(jié)構(gòu)其外墻內(nèi)力明顯增大。開洞的角部各構(gòu)件扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯，特別是洞口處的連梁，需配置抗扭鋼筋，轉(zhuǎn)角處樓板宜局部加厚，配筋宜適當(dāng)加大，在轉(zhuǎn)角處板內(nèi)設(shè)置連接兩側(cè)墻體的暗梁。

（6）不規(guī)則樓板的計(jì)算。在居住建筑中由于平面使用功能的需要，常出現(xiàn)不規(guī)則樓板，以往處理方法在缺口設(shè)梁，樣影響建筑的美感?，F(xiàn)在設(shè)計(jì)中改設(shè)暗梁，梁適當(dāng)加寬。樓板的承載力潛力較大，計(jì)算時(shí)可按一般梁計(jì)算。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)來降低工程造價(jià)是控制工程。

2 高層建筑優(yōu)化具體施工措施

（1）施工預(yù)案。施工單位應(yīng)針對高層建筑的特點(diǎn)編制嚴(yán)謹(jǐn)、詳盡的施工組織和管理方案。用來指導(dǎo)整個(gè)施工過程。內(nèi)容包括：施工工序的安排，各工種進(jìn)入工地的時(shí)間，關(guān)鍵部位的施工方法，對易出現(xiàn)的質(zhì)量問題提出預(yù)控措施，制定出成品保護(hù)措施等。

（2）施工階段的進(jìn)度控制。由于現(xiàn)代高層建筑具有規(guī)模龐大，工程結(jié)構(gòu)與工藝復(fù)雜，建設(shè)周期長及相關(guān)單位多等特點(diǎn)，決定了工程進(jìn)度將受到許多因素的影響，要想有效地控制工程進(jìn)度，就必須對影響進(jìn)度的有利因素和不利因素進(jìn)度全面、細(xì)致的分析和預(yù)測。這樣一方面可以促進(jìn)對有利因素的充分利用和對不利因素的預(yù)防；另一方面也便于來制定預(yù)防措施，事中采取有效對策，事后進(jìn)度妥善補(bǔ)救，以縮小實(shí)際進(jìn)度與計(jì)劃進(jìn)度的偏差，實(shí)現(xiàn)對高層建筑進(jìn)度的靜態(tài)控制和動(dòng)態(tài)控制。

實(shí)施進(jìn)度控制的目標(biāo)就通過有效的進(jìn)度控制工作和具體的進(jìn)度控制措施，在滿足投資和質(zhì)量的前提下，力求使高層建筑的實(shí)際工期不超過計(jì)劃工期，以保證高層建筑按期完成。在高層建筑計(jì)劃階段所確定的工期目標(biāo)，往往是綜合考慮各個(gè)方面的因素而確定的合理工期，因此，時(shí)間上的任何變化，無論是進(jìn)度拖延還是超前，都可能造成其它目標(biāo)的失控。例如，在一個(gè)高層建筑施工總進(jìn)度設(shè)計(jì)中，由于某項(xiàng)工作的進(jìn)度超前，致使能源的需求發(fā)生變化，而打亂原計(jì)劃對人、材、機(jī)等資源的合理安排，亦將影響資金計(jì)劃的使用和安排，特別是多個(gè)作業(yè)隊(duì)平行施工時(shí)，由此引起后續(xù)工作時(shí)間安排的變化，勢必給項(xiàng)目總體的協(xié)調(diào)工作帶來許多困難。

（3）控制高層建筑的工程變更。由于建筑設(shè)計(jì)與工程實(shí)際情況不可能完全一致，設(shè)計(jì)人員的技術(shù)水平和工作能力使設(shè)計(jì)圖紙未達(dá)到開發(fā)商的要求和施工的深度，開發(fā)商根據(jù)實(shí)際情況對工程的修改或補(bǔ)充等原因致使工程變更和設(shè)計(jì)變更在所難免。而這些變更必然會(huì)帶來工程量的增減和工程造價(jià)的變化，極端情況下會(huì)出現(xiàn)工程造價(jià)難于控制的局面。因此在設(shè)計(jì)部門應(yīng)切實(shí)做好調(diào)研工作，弄清開發(fā)商真實(shí)意圖，對施工場地進(jìn)行詳細(xì)踏勘。在施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制工程量，力求變更最少。

（4）高層建筑施工監(jiān)理工作。高層建筑施工監(jiān)理十分重要，它是監(jiān)督工程質(zhì)量、確保工程進(jìn)度、控制工程造價(jià)的重要環(huán)節(jié)。監(jiān)理工程師在施工階段關(guān)系到是否要設(shè)計(jì)變更和工程變更的決定時(shí)，他們往往能根據(jù)自身的技術(shù)優(yōu)勢做出合理正確的選擇，這一點(diǎn)許多建設(shè)方代表因其經(jīng)驗(yàn)、閱歷及技術(shù)受各方面的條件制約而無法做到。

綜上所述，混凝土是影響建設(shè)質(zhì)量的關(guān)鍵性因素之一，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員必須加強(qiáng)對其設(shè)計(jì)原則的分析與掌握，立足于具體的設(shè)計(jì)原則，從整體的設(shè)計(jì)工作及具體的設(shè)計(jì)內(nèi)容等方面入手，采取有效的策略推動(dòng)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化完善。

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