高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問題及設(shè)計(jì)方法

李楠

摘 要：本文首先闡述了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，接著分析了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問題，最后對(duì)優(yōu)化高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效措施進(jìn)行了探討。希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)人員提供有益的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：高層建筑;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);問題;對(duì)策

我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)快速發(fā)展，高層建筑成為了城市中獨(dú)特的風(fēng)景，高層建筑越來越多，高層建筑的質(zhì)量和性能，尤其是高層建筑的抗震性能成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在高層建筑建設(shè)中占據(jù)著極為關(guān)鍵的位置，設(shè)計(jì)人員務(wù)必準(zhǔn)確把握高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，切實(shí)保障結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平，以此增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，推動(dòng)工程的順利完工。

1高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

目前我國高層建筑結(jié)構(gòu)通常會(huì)使用到的建筑工程原料是鋼和鋼筋混凝土，這兩種建筑工程原料在使用性能方面存在著一定的差異被廣泛的應(yīng)用在高層建筑結(jié)構(gòu)中。但是這兩種建筑施工材料在使用的過程中同樣存在著一定的局限性，例如鋼結(jié)構(gòu)的造價(jià)較高、耐火性能較差，而鋼筋混凝土的自重太大，施工難度較高。

在高層建筑結(jié)構(gòu)實(shí)際的施工過程中，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要包含以下幾個(gè)方面，其一高層建筑結(jié)構(gòu)的水平力設(shè)計(jì)情況會(huì)直接影響到高層建筑結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)的合理性，因?yàn)楦邔咏ㄖY(jié)構(gòu)的水平荷載對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響程度是隨著結(jié)構(gòu)動(dòng)力性的變化而不斷變化的，而高層建筑結(jié)構(gòu)的豎向荷載一般為定值，不會(huì)因?yàn)橥饨缫蛩氐淖兓a(chǎn)生變化。另外高層建筑結(jié)構(gòu)的軸向變形設(shè)計(jì)也是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一，剪力墻體系中隨著樓層數(shù)的不斷增加，中軸受力產(chǎn)生的形變相比邊軸受力產(chǎn)生的形變要大，這一現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致高層建筑的結(jié)構(gòu)受力不均。最后高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還需要充分考慮結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，因?yàn)榈卣饘?duì)建筑結(jié)構(gòu)不僅會(huì)產(chǎn)生水平荷載還會(huì)產(chǎn)生一定的豎向荷載，這兩種荷載的同時(shí)作用對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的安全性能要求較高。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問題

2.1 超出規(guī)定高度的問題

從本質(zhì)上的追求來說，高層建筑的出現(xiàn)，主要是為了節(jié)約建筑用地，優(yōu)化建筑布局和結(jié)構(gòu)，因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，雖然高層建筑的在層高上有一定的具體要求，但在具體實(shí)踐中，基于建設(shè)需求和建設(shè)成本的要求，建筑設(shè)計(jì)超過規(guī)定限度的情況還是比較常見的，超高后，整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和承重情況都會(huì)發(fā)生變化，這不僅從直接的表現(xiàn)上體現(xiàn)出建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的違規(guī)，從建筑本身的質(zhì)量方面分析，超出限定的高度，也會(huì)影響整體的質(zhì)量水平。例如，導(dǎo)致建筑的抗震水平降低，抵御外界環(huán)境影響的能力降低等。

2.2 抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在問題

我國部分地區(qū)是地震的高發(fā)區(qū)，如無法保證抗震設(shè)計(jì)質(zhì)量，則出現(xiàn)地震災(zāi)害時(shí)，建筑物無法承受地震產(chǎn)生的作用力，最終會(huì)出現(xiàn)變形和倒塌現(xiàn)象。另外，部分設(shè)計(jì)部門并未高度關(guān)注結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，并未對(duì)高層建筑采取有效的抗震設(shè)計(jì)措施，部分高層建筑的抗震設(shè)計(jì)模型與高層建筑結(jié)構(gòu)存在明顯差異，最終的抗震設(shè)計(jì)與模型的抗震性能也無法完全一致。部分高層建筑抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)用了較低的抗震強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，抗震烈度無法與抗震要求相適應(yīng)，進(jìn)而引發(fā)不同程度的安全問題。

2.3 嵌固端設(shè)計(jì)存在缺陷

嵌固端設(shè)計(jì)在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中占據(jù)關(guān)鍵位置，而嵌入固端位置不合理和嵌固端設(shè)置在局部錯(cuò)層的地下室頂板中，是當(dāng)前存在的主要問題。若高層建筑地下室高層嵌固端并未設(shè)置在大剛度的地下室頂板當(dāng)中，則會(huì)出現(xiàn)明顯的安全隱患。如設(shè)計(jì)人員不能精準(zhǔn)把握，嵌固端無法打開，則無法合理處置交錯(cuò)地下室屋頂?shù)墓潭ǘ耍簿蜔o法保證結(jié)構(gòu)安全。

3 優(yōu)化高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效措施

3.1 提升建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的合理性

這一點(diǎn)主要是指，在實(shí)施建筑設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)當(dāng)注重基礎(chǔ)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的合理性。在方案確定的階段，為了提升高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，一方面應(yīng)當(dāng)從理論的專業(yè)方面，選擇應(yīng)用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)理論作為指導(dǎo)，達(dá)到提升建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果的目的，另一方面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工作，也可以通過應(yīng)用專業(yè)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模擬軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中各個(gè)層面的要點(diǎn)進(jìn)行模擬和分析，從而為建筑方案的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3.2 完善建筑結(jié)構(gòu)的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在對(duì)高層建筑的抗震結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和規(guī)劃時(shí)，建筑工程企業(yè)應(yīng)當(dāng)經(jīng)由專業(yè)的抗震規(guī)劃設(shè)計(jì)人員來對(duì)抗震結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和規(guī)劃，在設(shè)計(jì)和規(guī)劃的過程中需要根據(jù)建筑物的結(jié)構(gòu)特征以及建筑施工地區(qū)的地震發(fā)生狀況，在滿足建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的基礎(chǔ)之上對(duì)抗震結(jié)構(gòu)進(jìn)行嚴(yán)格的規(guī)劃。另外設(shè)計(jì)人員還可以借鑒國內(nèi)外優(yōu)秀的建筑物抗震設(shè)計(jì)成果來彌補(bǔ)國內(nèi)抗震設(shè)計(jì)作業(yè)中存在的不足，不斷加強(qiáng)地基的牢固程度，切身的投入施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行勘察，精確的對(duì)防震結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè)，在整體上提高高層建筑結(jié)構(gòu)的防震性能。

3.3 確定結(jié)構(gòu)底部嵌固部分

高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算分析前，工作人員需先明確結(jié)構(gòu)嵌固端的具體方位，可結(jié)合實(shí)際調(diào)整剛度和承載力，在預(yù)定的位置設(shè)置塑性鉸。受建筑物自身情況和基礎(chǔ)形式的影響，如未設(shè)置地下室，但是建筑結(jié)構(gòu)埋深較大或設(shè)置地下室但地下室層數(shù)和形式差異明顯，則在設(shè)計(jì)中容易出現(xiàn)多種技術(shù)問題。如高層建筑中帶有多層地下室，則設(shè)計(jì)人員要在地下室頂板設(shè)置上部結(jié)構(gòu)的嵌固端部位。首先，地下室頂板標(biāo)高與室外地坪的高差要合理，通常不得高于地下一層層高的三分之一。其次，地下室頂板結(jié)構(gòu)主要采用梁板結(jié)構(gòu)，避免在樓層下預(yù)留較大的孔洞，樓面框架梁的抗彎剛度也需滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求。地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，還需確保地下室頂板和地下室多層樓板平面的剛度和承載力滿足設(shè)計(jì)的基本要求。其能夠?qū)⑸喜拷Y(jié)構(gòu)的剛度和承載力順利地傳遞到下部地下室構(gòu)件當(dāng)中。因此，規(guī)定地下室頂板的厚度在180mm以上，混凝土等級(jí)在C30以上。

另外，設(shè)置雙層雙向配筋，不同方向配筋率應(yīng)在0.25%以上。地下室結(jié)構(gòu)自身的剛度要能夠承受上部結(jié)構(gòu)的荷載以及地下室所承受的地震作用力。地下室樓層的剪切剛度要為相鄰上部結(jié)構(gòu)樓層剪切剛度的2倍以上。如計(jì)算多塔大底盤地下室樓層剪切剛度比，則需保證每個(gè)塔樓范圍室內(nèi)的地下剪切剛度和相鄰塔樓上部的剪切剛度比在1.5以上。地下室柱截面單側(cè)截面的縱向鋼筋面積既要滿足計(jì)算的要求，又需確保其面積在地上一層對(duì)應(yīng)柱縱向鋼筋面積的110%。如地下室多個(gè)頂板降板或地下一層做車庫使用，且無法滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，針對(duì)三層以上的地下室，可在地下一層底板位置設(shè)置結(jié)構(gòu)嵌固部分，且確保滿足下列條件：

其一，地下一層樓層的剪切剛度不得小于地上一層的樓層剪切剛度;其二，地下二層樓層剪切剛度不得小于地下一層樓層剪切剛度，且其剪切剛度應(yīng)在地上一層剛度的2倍以上。

3.4 針對(duì)安全問題加強(qiáng)設(shè)計(jì)效果

這里所指的安全問題，主要就是指在設(shè)計(jì)工作中的抗震性能、消防安全等各方面的問題，這些問題也是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最為核心的問題。具體的設(shè)計(jì)方法方面，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)針對(duì)抗震性能、消防設(shè)計(jì)等問題，從原材料的篩選應(yīng)用以及建設(shè)設(shè)計(jì)中抗震縫、消防系統(tǒng)和出口等具體的設(shè)計(jì)工作入手，結(jié)合建筑應(yīng)用的實(shí)際需求合理地進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)，切實(shí)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為抗震和消防服務(wù)的效果。另外，應(yīng)當(dāng)對(duì)這部分設(shè)計(jì)工作的效果進(jìn)行及時(shí)檢驗(yàn)和分析，確保相關(guān)的設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中的效果，切實(shí)發(fā)揮設(shè)計(jì)的安全保障作用。

4 結(jié)語

總的來講，高層建筑由于其特殊的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用需求，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工作中，設(shè)計(jì)效果的安全性、應(yīng)用性和結(jié)構(gòu)本身的合理性是設(shè)計(jì)中需要考慮的幾方面核心問題，為了提高建筑設(shè)計(jì)的效果，優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)的流程，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)際從技術(shù)應(yīng)用、理念更新的以及安全穩(wěn)定都能夠多個(gè)方面入手綜合考慮，達(dá)到良好的設(shè)計(jì)效果。

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