高層建筑結(jié)構(gòu)大底盤多塔結(jié)構(gòu)設(shè)計的分析

肖根平

摘要：以高層建筑結(jié)構(gòu)大底盤多塔結(jié)構(gòu)設(shè)計為研究對象，在總結(jié)大底盤多塔結(jié)果設(shè)計重點的基礎(chǔ)上，結(jié)合某實際案例，對大底盤多塔結(jié)構(gòu)設(shè)計的要點進行了分析?？傮w而言，本文所介紹的大底盤多塔結(jié)構(gòu)設(shè)計具有科學(xué)性，可以滿足高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求，因此應(yīng)該在更多地區(qū)做進一步推廣。

關(guān)鍵詞：高層建筑結(jié)構(gòu);大底盤;多塔結(jié)構(gòu)

大底盤多塔高層建筑在結(jié)構(gòu)上屬于一種上下聯(lián)合式的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的主要特征就是下部裙房幾層公共空間聯(lián)合一起作為大底盤承載著上部多個獨立的建筑塔樓主體結(jié)構(gòu)，若上部塔樓某些樓層之間通過連體連接，則成為大底盤連體結(jié)構(gòu)。對應(yīng)大底盤多塔結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)振型復(fù)雜，從整體上來看，大底盤多塔結(jié)構(gòu)屬于一種豎向結(jié)構(gòu)，且結(jié)構(gòu)中的“塔”具有不規(guī)則的特征，并會產(chǎn)生復(fù)雜的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，在設(shè)計階段中需要在大底盤的第一層開始就“收緊”，尤其是在底盤上的塔樓數(shù)量較多時，其結(jié)構(gòu)振型更加復(fù)雜，如結(jié)構(gòu)體系布置不妥，豎向剛度極易突變，扭轉(zhuǎn)振型反應(yīng)及高振型影響加劇，就算勉強通過安全計算，也是增加較多的建造成本，因此應(yīng)該得到設(shè)計人員的更多關(guān)注。

1大底盤多塔結(jié)構(gòu)體系：

1.1大底盤多塔結(jié)構(gòu)

顧名思義，就是在多棟（大于等于2）獨立的高層建筑底部裙房聯(lián)合為一個整體的大裙房，形成一個大底盤且上部仍為分開的獨立塔樓，這種結(jié)構(gòu)在大底盤上一層突然收進，剛度突變，屬于豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)，容易質(zhì)心不均衡，偏心率較大，產(chǎn)生不利的扭轉(zhuǎn)效應(yīng);當(dāng)有多個時，結(jié)構(gòu)振型復(fù)雜，抗震極為不利，因此如果結(jié)構(gòu)體系布置不當(dāng)，豎向剛度突變，扭轉(zhuǎn)振型反應(yīng)及高振型影響加劇。在實際的工程設(shè)計中總的來說，大底盤多塔結(jié)構(gòu)可分以下兩種類型進行設(shè)計：

1.1.1大底盤結(jié)構(gòu)頂板作為上部多塔主體的嵌固端，此時需要大底盤有足夠的剛度才能保證穩(wěn)定性。通常的高樓住宅小區(qū)因需解決大量的停車問題，基本都滿鋪地下室，所有都屬于這種類型。

1.1.2大底盤結(jié)構(gòu)頂板不能作為上部塔樓的嵌固端，主要是因為剛度不足，通常出現(xiàn)在下部裙房為商場或服務(wù)用房，上部塔樓為公寓酒店或辦公樓等綜合性建筑。

在實際工程項目設(shè)計中，受建筑立面效果、實際功能需求等方面的影響，可能都會有不同的差異，比如上部塔樓連體、嵌固剛度不足等，屬于復(fù)雜高層建筑，設(shè)計員須仔細(xì)分析比較，確定適合的結(jié)構(gòu)體系。

1.2高層建筑結(jié)構(gòu)大底盤多塔結(jié)構(gòu)設(shè)計的要點分析

1.2.1沉降差異

從建筑物的結(jié)構(gòu)上來看，高層建筑大底盤多塔結(jié)構(gòu)普遍面臨著層數(shù)高、底盤面積大的問題，這將會導(dǎo)致地面所承受的壓力很大，而在這種情況下，若不能有效處理地基的沉降問題，那么就有可能引發(fā)沉降，對建筑物的安全性造成影響。根據(jù)經(jīng)驗，在設(shè)計階段為了能夠有效處理沉降差異問題，設(shè)計人員需要重點考慮以下幾方面問題：

（1）假設(shè)高層建筑物結(jié)構(gòu)大底盤多塔建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生了沉降問題，那么在沉降的情況下，建筑物的大底盤多塔結(jié)構(gòu)主樓與裙樓之間將會出現(xiàn)明顯的荷載差異，而這種差異將會對建筑物的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。所以在設(shè)計階段，設(shè)計人員應(yīng)該遵照剛度調(diào)平的原則，采用多樣化設(shè)計的方法來改善建筑物主樓與裙房之間的沉降差異問題。例如，在軟土地區(qū)地區(qū)，高層建筑物在沉降預(yù)防中主要采用樁基的方法，其沉降計算值約為10-15cm;若是單層地下室，不僅要考慮覆土問題，還需要結(jié)合抗浮設(shè)計的內(nèi)容，確保所對應(yīng)的荷載能力對地面的附加壓力將降到最低，達到避免沉降發(fā)生的目的。

（2）為了能夠有效避免沉降風(fēng)險問題，除了要繼續(xù)強化主樓基礎(chǔ)外，還需要在主樓與裙房的交接位置設(shè)置永久沉降縫，通過這個沉降縫來避免主樓與裙房之間的沉降問題。從功能上來看，沉降縫可以分開高層建筑與裙樓，讓二者成為兩個相互獨立的建筑體，這樣就可以有效避免沉降的發(fā)生。所以在設(shè)計階段，設(shè)計人員可以嘗試在裙房與主樓的交接位置設(shè)置一道永久沉降縫，就可以有效避免沉降差異發(fā)生。設(shè)置后澆帶也是避免沉降的方法，可以彌補沉降縫中的不足，一般在設(shè)計過程中，需要嚴(yán)格按照高層建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范的相關(guān)內(nèi)容，在結(jié)構(gòu)面30-40m，柱距三等分的位置設(shè)置0.8-1.0m寬的后澆帶，并且后澆帶要注意避開洞口、樓梯等位置。

1.2.2確定結(jié)構(gòu)的計算方法

由于大底盤多塔結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜性的特征，并且其受力狀況的復(fù)雜性要明顯高于常規(guī)建筑物，所以在結(jié)構(gòu)受力計算時，設(shè)計人員必須要充分考慮塔間的變性問題，并依靠計算機軟件，將BIM等現(xiàn)代化技術(shù)手段應(yīng)用在分析中，這樣才能獲得更理想的應(yīng)用效果。例如一般在剛度指標(biāo)的計算中，通常根據(jù)高層建筑的使用功能來對大底盤結(jié)構(gòu)進行分類，包括有裙房的大底盤多塔結(jié)構(gòu)、沒有裙房的大底盤多塔結(jié)構(gòu)、有縫的大底盤多塔結(jié)構(gòu)等多種結(jié)構(gòu)，其設(shè)計方法存在著較為明顯的差異。

同時對設(shè)計人員而言，為了能夠提高設(shè)計質(zhì)量，在大底盤建模分類過程中，其建模主要可以分為整體模型與離散模型兩種，其中整體模型主要面臨著大底盤多塔結(jié)構(gòu)中的存在的“緊湊性”問題，避免風(fēng)險因素導(dǎo)致塔間的相互影響。而離散型主要是指大底盤多塔結(jié)構(gòu)中所分離出的多個獨立模型，包括分割各塔、從大底盤頂面斜切等，且這種離散型多個獨立塔樓模型計算完后，還應(yīng)整體建模計算復(fù)核，采取包絡(luò)方式進行設(shè)計。

2工程實例分析

某小區(qū)由5棟17-29層的商住樓組成，由于建筑現(xiàn)場勘察結(jié)果發(fā)現(xiàn)場地為山丘狀，因此在設(shè)計階段，設(shè)計人員設(shè)置了1-3層的地下室，并且在上部塔樓設(shè)計過程中，采用“框架+剪力墻”的結(jié)構(gòu)，其抗震設(shè)防烈度為6度。

2.1確定嵌固部位

在本次工程項目中，設(shè)計人員針對施工現(xiàn)場的坡地大底盤高層結(jié)構(gòu)設(shè)計特征，認(rèn)為設(shè)計的重點就是要確定結(jié)構(gòu)的嵌固部位，其中地下室頂板作為上部連接嵌固部位的關(guān)鍵，因此必須要滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)內(nèi)容，確保地下室頂板結(jié)構(gòu)層的側(cè)向剛度要大于地上一層側(cè)向剛度的2倍。

在該項目中，由于項目屬于坡地建筑，因此在施工過程中不可避免的要面臨山體開挖的問題，所以為了能夠節(jié)省投資，設(shè)計人員根據(jù)地形設(shè)置了1-3層的地下室，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在圖1的結(jié)構(gòu)中，地下室四周的添堵標(biāo)高存在明顯差異，其中對于塔樓1而言，其地下室只有三面環(huán)土;而對于塔樓2，其地下一層三面敞開，不屬于完整的地下室結(jié)構(gòu)。針對這種特殊的建筑類型結(jié)構(gòu)，設(shè)計人員根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)內(nèi)容，認(rèn)為本次工程中的地下室頂板不能成為圖1中兩個塔樓的嵌固部位，所以決定采用大底盤多塔結(jié)構(gòu)，其中塔樓1的嵌固部位為基礎(chǔ)頂，塔樓2的嵌固部位為地下3層的頂板位置。

2.2結(jié)構(gòu)計算

在該項目中，為了保證結(jié)構(gòu)計算結(jié)果的科學(xué)性，工作人員采用GSSAP有限元軟件建模的相關(guān)內(nèi)容，根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范，按照整體模型與各塔樓分開的獨立模型來分別計算，其中當(dāng)塔樓周邊的裙樓超過兩跨時，分塔樓模型采用至少附帶兩跨的裙樓結(jié)果。在這種結(jié)構(gòu)模式下，地下室頂板依然具有一定的嵌固作用，所以有助于增強建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

在設(shè)計過程中，設(shè)計人員根據(jù)單塔模型的計算結(jié)果，以周期比、偏心率、剪切剛度、抗傾覆力矩、剪重比、層間位移比、層間位移角、扭轉(zhuǎn)位移比等多個維度參數(shù)進行計算分析，再將每個塔模型整合在一起，使其成為大底盤多塔模型，進行整體計算分析，采用包絡(luò)取值進行設(shè)計。在施工圖階段，其地下室頂板以下的構(gòu)建配筋僅采用大底盤模型計算結(jié)果，而塔樓配筋應(yīng)采用單塔計算和大底盤多塔計算的較大值進行包絡(luò)設(shè)計。同時從該建筑物的外形特征來看，由于所有建筑物均為17-29層的建筑物，因此塔樓將會出現(xiàn)較為明顯的層數(shù)差異，再加之在塔樓1的位置上，地下室三面有土，這種情況會進一步改善扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動效應(yīng)，提供了建筑物的穩(wěn)定性，所以在設(shè)計階段，設(shè)計人員適當(dāng)放寬了塔樓的層數(shù)要求。

2.3設(shè)計問題及其處理措施

根據(jù)圖1的相關(guān)資料可以發(fā)現(xiàn)，該項目中的地下室規(guī)格存在明顯的沉降差異，其中地下一層的平面尺寸長度超過230m，而寬度為75m，在設(shè)計中發(fā)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫不滿足《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)內(nèi)容。針對這種超長的設(shè)計方法，設(shè)計人員決定采用膨脹收縮混凝土的方法來解決這個問題，在平面上按規(guī)范30-40米距離要求適當(dāng)布置膨脹加強帶，在混凝土適當(dāng)加入外加劑并按相關(guān)外加劑規(guī)范及特性控制好比例，通過膨脹帶的混凝土微膨脹來達到補償兩側(cè)混凝土收縮的目的，有效避免了裂縫發(fā)生。

3結(jié)束語

本文所介紹的高層建筑結(jié)構(gòu)多塔結(jié)構(gòu)設(shè)計具有合理性，并且案例的最終結(jié)果也證明，在建筑物自建成之后，尚未出現(xiàn)沉降等質(zhì)量問題，證明其采用的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法具有可行性，因此應(yīng)該在更多地區(qū)做進一步推廣。