高層建筑結(jié)構(gòu)合理構(gòu)成與高效率結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

馬靜

（昆明市市政工程建設(shè)管理辦公室，云南 昆明 650034）

隨著中國城市化建設(shè)進程的不斷加快，越來越多的高層建筑成為各大城市中的靚麗風(fēng)景線。而在高層建筑的施工建設(shè)中，結(jié)構(gòu)設(shè)計的科學(xué)合理性直接決定著整個高層建筑施工單位的施工效率，決定著人們的居住體驗。在這種情況下，只有對高層建筑結(jié)構(gòu)的合理構(gòu)成進行詳細的分析，并有針對性地提出高效率結(jié)構(gòu)設(shè)計，才能夠有效降低高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的成本，減少高層建筑施工過程中對自然資源與社會資源的過度消耗，提升高層建筑的社會效益與經(jīng)濟效益。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)的合理構(gòu)成分析

1.1 充分發(fā)揮施工材料的性能作用

在高層建筑結(jié)構(gòu)的構(gòu)成中，會應(yīng)用到各種各樣的施工材料，對這些施工材料的性能進行充分利用，可以有效提升高層建筑結(jié)構(gòu)的合理性。例如，混凝土材料雖然具有較強的抗壓能力，但是其受拉性能卻非常弱；而鋼材雖然具有較強的受拉能力，但是即便是受到較強的壓力也可以保持較高的穩(wěn)定性。將這兩種材料的性能進行充分發(fā)揮，就可以形成一種全新的高層建筑結(jié)構(gòu)，即鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)。

分析高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)成中的構(gòu)件，其主要存在著以下幾種組合結(jié)構(gòu)：第一組合梁、第二組合柱、第三組合墻、第四組合板、第五組合斜撐。其中，組合梁的應(yīng)用可以在抗剪鍵的作用下將混凝土樓板和鋼梁形成一個整體，提升其受力的協(xié)調(diào)性。這樣一來，混凝土受壓、鋼梁受力，各種施工材料的性能就會得到充分發(fā)揮，整個高層建筑結(jié)構(gòu)的承載力也可以得到顯著的提升。而且與非組合梁相比，在承載力相同的條件下，組合梁的鋼材用量可以有效降低15%～25%；在剛度要求相同的條件下，組合梁的截面高度可以降低26%～30%。與此同時，針對懸掛模板、混凝土板以及施工荷載，還可以直接讓鋼梁承擔(dān)，無需額外設(shè)置支撐，這樣一來，施工速度較之以前也就有了明顯的加快[1]。

另外，如果要應(yīng)用到巨型框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，巨柱在抵抗重力與水平力的作用下會承受一個較大的軸力，柱截面也會大到不可思議。為了進一步加強柱截面的控制，巨柱一般使用組合結(jié)構(gòu)的形式。在高層框架-筒體和筒中筒混合結(jié)構(gòu)中，剪力墻和筒體的主要作用就是抗側(cè)力，所以會在一定程度上影響結(jié)構(gòu)體系的剛度、承載力以及延性。而鋼板混凝土剪力墻的應(yīng)用可以將鋼材與混凝土的性能優(yōu)勢進行充分的發(fā)揮。針對高層建筑結(jié)構(gòu)體系的選擇，必須要對施工材料及其之間的匹配關(guān)系進行充分的考慮。例如，如果要選擇框架-筒體結(jié)構(gòu)，則在鋼框架方面就要優(yōu)先選擇組合樓蓋；如果高層建筑的外框柱使用鋼管混凝土柱，則要優(yōu)先使用鋼梁材料；如果外框柱使用型鋼混凝土柱，則要優(yōu)先使用鋼筋混凝土梁。

1.2 高層建筑的剛度構(gòu)成

在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，除了要考慮結(jié)構(gòu)外部因素的影響之外，還必須要對結(jié)構(gòu)內(nèi)部的各種影響因素進行充分考慮。例如，針對連體高層建筑，其連接體會將不同的塔樓緊密地連接在一起，并保證塔樓之間的協(xié)調(diào)性，加強對其變形的控制。所以在進行“強連接”連體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)確保連接體兩側(cè)塔樓剛度的協(xié)調(diào)性與整體動力特性十分接近。只有這樣，才能夠?qū)⑦B接體所承受的協(xié)調(diào)力降到最低，降低設(shè)計人員在連接結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的難度。如果連接體兩側(cè)塔樓的剛度和動力特性有著明顯的差距，則連接體設(shè)計就要優(yōu)先選擇“弱連接”或“半剛性連接”。因為這樣可以進一步降低連接體的剛度，為塔樓之間協(xié)調(diào)力的有效釋放提供保證。

1.3 高效率結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)成關(guān)鍵

在高層建筑結(jié)構(gòu)的構(gòu)成中，一個合理的受力機理發(fā)揮著十分重要的作用。例如，在巨型框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系中，其結(jié)構(gòu)骨架是核心筒和外框巨柱，既可以承受較強的豎向重力，也可以保證側(cè)向剛度。為了保證核心筒和外框巨柱受力的平衡性，還使用了伸臂桁架、環(huán)桁架以及巨型斜撐。這樣一來，就形成了高效的抗側(cè)力體系，再加上局部重力荷載由樓面梁和重力柱等構(gòu)件承擔(dān)，可以將荷載傳遞到核心筒和外框巨柱上，所以不同構(gòu)件之間的聯(lián)系也會非常緊密，高效率結(jié)構(gòu)設(shè)計得以實現(xiàn)。

1.4 結(jié)構(gòu)與建筑方案的前期配合

在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，其結(jié)構(gòu)效率與成本也容易受到其他關(guān)鍵因素的影響。例如，一些高層塔樓的結(jié)構(gòu)設(shè)計，就必須要對相應(yīng)的高寬比進行充分考慮。如果高寬比偏大，則整個高層建筑結(jié)構(gòu)的效率就會明顯降低，其成本也會明顯增加。另外，結(jié)構(gòu)效率還容易受到高層建筑平面形狀與外形規(guī)則性的影響。越是對稱、規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)，其合理受力機理的形成就越有保證，結(jié)構(gòu)成本就越容易得到控制，結(jié)構(gòu)效率就越高。所以，在高層建筑的早期實施階段，必須要根據(jù)建筑方案的內(nèi)容合理地評估施工建設(shè)所使用到的關(guān)鍵性技術(shù)，然后提升高層建筑的合理性，實現(xiàn)高效率結(jié)構(gòu)設(shè)計[2]。

2 高層建筑高效率結(jié)構(gòu)設(shè)計需要遵循的原則

2.1 安全原則

任何一座建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計，都必須要保證建筑結(jié)構(gòu)的安全性。尤其是在當今時代下，建筑方案越來越追求創(chuàng)新和變化。只有保證建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性，才能夠保證高層建筑的經(jīng)濟效益與社會效益，才能夠進一步促進高層建筑的發(fā)展，促進社會的發(fā)展。

2.2 經(jīng)濟原則

高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計需要遵循經(jīng)濟性原則。要從結(jié)構(gòu)、材料、構(gòu)建以及體系構(gòu)成方面對多套設(shè)計方案進行對比，然后選擇最佳的一套高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案；其次，隨著社會的發(fā)展，時間與人力成本有所升高，再加上高層建筑結(jié)構(gòu)的施工建設(shè)具有施工周期長、施工難度大、施工條件復(fù)雜等特點，所以必須要在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段充分考慮建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟性，盡可能縮短施工周期、提高施工效率、降低人力成本；加強逆作法、BIM 技術(shù)、裝配式建筑等技術(shù)的應(yīng)用，從而有效加強高層建筑的結(jié)構(gòu)成本控制[3]。

2.3 合理原則

所謂合理原則，指的是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)當注意建筑、結(jié)構(gòu)以及機電等專業(yè)之間的協(xié)調(diào)性，在保證結(jié)構(gòu)強度的情況下提升高層建筑的藝術(shù)性。

2.4 高效原則

高效原則是當今時代對建筑結(jié)構(gòu)工程師提出的新要求。按照高效原則進行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，需要做到以下幾方面：注重施工材料的高效、結(jié)構(gòu)體系的高效、受力體系的高效，即要將各種施工材料的性能作用發(fā)揮到極致，通過最少的施工材料進行最優(yōu)結(jié)構(gòu)的設(shè)計；采用高效設(shè)計施工一體化利用，通過工業(yè)化施工來縮短施工時間、提升施工效率，進而保證高層建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性。

3 高層建筑高效率結(jié)構(gòu)設(shè)計的有效措施

3.1 加強對合理結(jié)構(gòu)成本控制理念的應(yīng)用

要想實現(xiàn)高層建筑高效率結(jié)構(gòu)設(shè)計，就必須要注意合理結(jié)構(gòu)成本控制理念的應(yīng)用。要提升高層建筑結(jié)構(gòu)體系的合理性，通過基礎(chǔ)選型、上部結(jié)構(gòu)選型等方面來提升高層建筑的合理性與經(jīng)濟性。組建一支具有豐富工作經(jīng)驗的顧問團隊，借助這支顧問團隊對高層建筑的機電、基坑等外部輸入條件進行優(yōu)化，提升高層建筑使用功能的靈活性，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)成本與使用價值的協(xié)調(diào)發(fā)展；在保證高層建筑受力合理的情況下，不斷提升施工的便利性，縮短施工周期。在整個高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工階段，要對鋼材、混凝土等施工材料的實際消耗進行動態(tài)化跟蹤，并以此為基礎(chǔ)進行施工材料成本的優(yōu)化與控制。

3.2 加強對先進分析手段的引進與應(yīng)用

為了實現(xiàn)高層建筑設(shè)計的跨越式進步，必須要加強對先進分析手段的引進與應(yīng)用。例如，可以引進參數(shù)化設(shè)計和彈塑性計算軟件，確保不規(guī)則建筑的建模效率，加強結(jié)構(gòu)形態(tài)的分析與研究，明確形態(tài)與結(jié)構(gòu)受力之間的關(guān)系。另外，還可以將參數(shù)化軟件與BIM 技術(shù)等進行有機結(jié)合，進一步提升高層建筑設(shè)計的工作效率。而彈塑性計算軟件的應(yīng)用不僅可以有效符合結(jié)構(gòu)的大震彈塑性受力，第一時間發(fā)現(xiàn)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的缺陷，還可以進行反向性能化設(shè)計，提升高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的價值[4]。

3.3 加強對先進施工材料的應(yīng)用

加強先進施工材料的應(yīng)用，也可以為實現(xiàn)高層建筑高效率結(jié)構(gòu)設(shè)計打好基礎(chǔ)。例如，與普通混凝土相比，高強混凝土的應(yīng)用不僅可以加強對混凝土構(gòu)件尺寸的控制，降低高層建筑結(jié)構(gòu)自重和地基荷載，還可以有效節(jié)省施工材料，延長高層建筑結(jié)構(gòu)的使用壽命。

4 結(jié)語

綜上所述，高層建筑結(jié)構(gòu)的合理構(gòu)成必須要充分考慮對施工材料性能作用的發(fā)揮，加強對高層建筑結(jié)構(gòu)的剛度構(gòu)成、體系構(gòu)成的把握，并注重結(jié)構(gòu)與建筑方案的前期配合。而要想實現(xiàn)高層建筑高效率結(jié)構(gòu)的設(shè)計，就必須要加強合理結(jié)構(gòu)成本控制理念的應(yīng)用、加強先進分析手段的引進與應(yīng)用、加強先進施工材料的應(yīng)用。