淺析現(xiàn)代高層住宅建筑結(jié)構(gòu)選型與設(shè)計(jì)管控

吳煒斌

（廈門合立道工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司， 福建 廈門 361000）

0 引言

高層住宅建筑結(jié)構(gòu)選型與設(shè)計(jì)管理這兩方面內(nèi)容復(fù)雜，關(guān)系到高層住宅結(jié)構(gòu)的科學(xué)合理性和結(jié)構(gòu)安全可靠性，必須給予足夠的重視。為了細(xì)致的分析結(jié)構(gòu)選型與設(shè)計(jì)內(nèi)容，以下將以廈門東宅安置房住宅項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目位于廈門市環(huán)島干道沿線，總建筑面積約15 萬平方米，單體建筑高度99.5 米，屬于高層住宅建筑。

圖1 高層住宅效果圖

1 高層住宅建筑結(jié)構(gòu)選型的相關(guān)概述

高層建筑結(jié)構(gòu)有其特有的結(jié)構(gòu)特征，在建筑結(jié)構(gòu)選型前，必須了解高層建筑承載的豎向和水平荷載作用，其中水平荷載對高層結(jié)構(gòu)的效應(yīng)起到主導(dǎo)作用。

高層建筑與低層結(jié)構(gòu)項(xiàng)目在水平載荷方面效用有極大差異，低層結(jié)構(gòu)因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)特性，水平載荷對其作用效應(yīng)較小，隨著樓層高度的增加，會(huì)使水平載荷對高層建筑結(jié)構(gòu)的作用呈現(xiàn)指數(shù)曲線上升關(guān)系(如圖2)，位移增量過大，會(huì)影響建筑整體的安全性，影響用戶的使用感。結(jié)構(gòu)側(cè)移是否在安全范圍內(nèi)是高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要高度關(guān)注的內(nèi)容，抗側(cè)力體系的是高層結(jié)構(gòu)是否合理的和經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵。掌握高層建筑結(jié)構(gòu)特征后才能合理分析和確定高層建筑結(jié)構(gòu)體系的選型；水平作用包括風(fēng)荷載和地震作用，屬于動(dòng)力作用，具備隨機(jī)性和不確定性。高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還需要綜合考慮結(jié)構(gòu)計(jì)算和概念設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施以確保結(jié)構(gòu)安全和可靠性。

圖2 水平載荷對高層建筑結(jié)構(gòu)的作用曲線圖

高層建筑選用不同結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)剛度和延性不同。根據(jù)高層住宅的建筑特點(diǎn)，常用的結(jié)構(gòu)型式有剪力墻結(jié)構(gòu)、框剪結(jié)構(gòu)、鋼混組合結(jié)構(gòu)等；常用結(jié)構(gòu)材料有鋼筋混凝土、型鋼等。鋼結(jié)構(gòu)具備強(qiáng)度高、韌性大、抗震性能好和自重輕的優(yōu)勢，而且結(jié)構(gòu)截面小可增加有效面積，可在工廠加工縮短現(xiàn)場施工工期，鋼結(jié)構(gòu)和鋼與混凝土結(jié)合的組合結(jié)構(gòu)在高層住宅結(jié)構(gòu)中應(yīng)用日益廣泛和發(fā)展。目前，我國以及其他發(fā)達(dá)國家進(jìn)行高層建筑過程中，對用鋼結(jié)構(gòu)需要從成本以及技術(shù)兩方面考慮，在高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)期間，考慮到鋼結(jié)構(gòu)以及鋼筋混凝土在作業(yè)方式、成本支出、工作難度等因素，靈活的匹配鋼結(jié)構(gòu)以及鋼筋混凝土，在確保結(jié)構(gòu)安全和建筑使用要求的前提下，通過兩種材料優(yōu)勢互補(bǔ)的手段，保證工程總成本在可控范圍內(nèi)。

2 高層住宅建筑設(shè)計(jì)管理的相關(guān)概述

高層住宅是一個(gè)市場化程度較高的細(xì)分建筑類別，其設(shè)計(jì)管理牽涉到多專業(yè)多因素問題，是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)工程，需要科學(xué)有效的設(shè)計(jì)管理。從項(xiàng)目立項(xiàng)、方案設(shè)計(jì)與調(diào)整、施工圖設(shè)計(jì)的過程，要遵循政策法規(guī)、市場需求和業(yè)主要求等，協(xié)調(diào)各個(gè)設(shè)計(jì)專業(yè)和業(yè)主開發(fā)商的要求，組織和管理一個(gè)敬業(yè)專業(yè)、高效協(xié)作的專業(yè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在高層住宅工程設(shè)計(jì)中具有重要作用。高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度和工作量大，關(guān)系到結(jié)構(gòu)安全、建筑品質(zhì)和工程造價(jià)等國計(jì)民生的問題，其設(shè)計(jì)管理分為以下幾個(gè)階段：

在項(xiàng)目立項(xiàng)階段，要配合相關(guān)部門和專業(yè)，對工程選址、地質(zhì)條件、地基基礎(chǔ)進(jìn)行可行性評估。在建筑方案設(shè)計(jì)階段，要根據(jù)建筑方案設(shè)計(jì)提供科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)方案，并在方案的調(diào)整和優(yōu)化過程中提供結(jié)構(gòu)合理性和可行性建議，為住宅方案創(chuàng)作提供結(jié)構(gòu)體系支撐。在施工圖設(shè)計(jì)階段，要組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，確定結(jié)構(gòu)體系和荷載、抗震參數(shù)，建模計(jì)算并多人協(xié)同合作進(jìn)行結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)?，F(xiàn)階段高層住宅設(shè)計(jì)周期短、進(jìn)度緊，針對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作量大、任務(wù)重的特點(diǎn)，需要組織和管理多人協(xié)同設(shè)計(jì)，采用流水線作業(yè)方式提高工作效率。在設(shè)計(jì)前期進(jìn)行專業(yè)評審，優(yōu)化結(jié)構(gòu)型式、結(jié)構(gòu)布置和設(shè)計(jì)參數(shù)等重點(diǎn)難點(diǎn)問題，消除結(jié)構(gòu)體系的錯(cuò)誤問題和不合理因素；在設(shè)計(jì)過程至完成采取全過程設(shè)計(jì)合規(guī)性和施工圖質(zhì)量把控，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全合理、經(jīng)濟(jì)、合規(guī)性。

3 完善現(xiàn)代高層住宅建筑結(jié)構(gòu)選型與設(shè)計(jì)管理的策略

3.1 選址的科學(xué)性

在東宅安置房住宅項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)前期對選址進(jìn)行可行性評價(jià)，了解周圍環(huán)境與建筑所處位置的關(guān)聯(lián)，根據(jù)地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)和地質(zhì)初勘結(jié)果，判明抗震不利地段或不利因素，收集建筑地基土層情況，分析環(huán)境因素對建筑穩(wěn)定性造成的影響，科學(xué)的設(shè)計(jì)施工方案，避免設(shè)計(jì)和施工過程出現(xiàn)重大困難。

設(shè)計(jì)師需要在選址階段，掌握建筑物與周圍環(huán)境的匹配度，勘察工程所在地的情況，收集水文勘測報(bào)告，調(diào)研建筑周圍的信息，確定工程所在區(qū)域的建筑結(jié)構(gòu)布局，這是設(shè)計(jì)的準(zhǔn)備工作，在此基礎(chǔ)上才能根據(jù)掌握的信息.0進(jìn)行宏觀布局。

在東宅安置房住宅項(xiàng)目選址關(guān)系到建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)抗震要求，提升建筑品質(zhì)。建筑占地面積廣，并且工程作業(yè)周期長，建筑選址工作如果沒有權(quán)衡多方面因素，將會(huì)對城市整體規(guī)劃帶來極大的沖擊，高層建筑選址需要考慮到各方面設(shè)計(jì)要點(diǎn)，還應(yīng)該了解建筑整體規(guī)劃布設(shè)要點(diǎn)。為了防止城鄉(xiāng)融合受到建筑建設(shè)的干擾，從而對城市發(fā)展造成極大的影響，需要了解工程所在地的交通建設(shè)情況，還應(yīng)該在不破壞當(dāng)?shù)卣w格局的前提下，保持當(dāng)?shù)卦械膮^(qū)域結(jié)構(gòu)，并使用概念設(shè)計(jì)理念，應(yīng)用新工藝、新技術(shù)、新材料，進(jìn)行綠色施工，讓工程作業(yè)可以高效進(jìn)行，在保證高層建筑不破壞區(qū)域整體結(jié)構(gòu)的前提下，使工程所在區(qū)域其整體美觀性符合美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 設(shè)計(jì)的合理性

高層住宅項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)期間，需要在科學(xué)性原則下進(jìn)行，還應(yīng)該考慮到目前國家對建筑行業(yè)作出的要求，需要在綠色節(jié)能視角下進(jìn)行方案設(shè)計(jì)工作，為了降低工程所用的施工成本，需要了解施工參數(shù)，掌握現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。高層住宅常用的結(jié)構(gòu)型式包含框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框剪結(jié)構(gòu)和鋼混組合結(jié)構(gòu)，按照東宅安置房住宅建筑平立面要求，同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)體系對工程造價(jià)以及地震參數(shù)造成的影響，確定項(xiàng)目所屬地的沿海風(fēng)荷載條件、場地環(huán)境，選用結(jié)構(gòu)剛度大，抗震性能好的剪力墻結(jié)構(gòu)，同時(shí)建筑平面隔墻平整不露柱角的剪力墻結(jié)構(gòu)，盡量把剪力墻布置在外墻、分戶墻、樓電梯間、固定隔墻內(nèi)，提高住宅的適用性。另一方面，鑒于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路以及規(guī)劃方式已經(jīng)難以滿足大眾對當(dāng)前建筑的期待，所以設(shè)計(jì)人員需要改變傳統(tǒng)設(shè)計(jì)觀念，高層建筑必須具備觀賞性以及實(shí)用性，這對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無疑提出極大的挑戰(zhàn)。

設(shè)計(jì)東宅安置房住宅項(xiàng)目結(jié)構(gòu)期間，需要收集大眾對建筑的要求，還應(yīng)該了解施工企業(yè)自身持有的資源，學(xué)習(xí)國內(nèi)外在建筑方面的案例以及理念，在與時(shí)俱進(jìn)的意識下進(jìn)行工程方案設(shè)計(jì)，了解設(shè)計(jì)要點(diǎn)，確保工程項(xiàng)目整體穩(wěn)定性達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)，通過實(shí)驗(yàn)研究的方式，測定抗震抗風(fēng)的能力，并根據(jù)試驗(yàn)得到的結(jié)果，將其作為方案規(guī)劃要素進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

設(shè)計(jì)必須具備合理性、科學(xué)性的特征，還應(yīng)該精簡工程計(jì)算圖紙，提升結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，考慮到高層建筑具備的施工難度大危險(xiǎn)系數(shù)高等難題，為了防止施工作業(yè)期間，因不可抗因素的干擾，比如構(gòu)件延性性能、溫度應(yīng)力、鋼筋錨固長度等因素，對建筑整體穩(wěn)定性形成的干擾，需要靈活地采用施工技術(shù)，確保工程作業(yè)可滿足建設(shè)單位的要求。除此之外，需要分析以往工程案例，總結(jié)施工過程中影響建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的因素，將外界因素對工程造成的影響降至最低，防止工程中斷，影響施工單位經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 抗震減災(zāi)性能

進(jìn)行高層建筑設(shè)計(jì)期間，需要了解抗震方面的要求，在抗震設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該在安全性原則下進(jìn)行，安全是建筑項(xiàng)目施工的關(guān)鍵要素，沒有安全后面的工作均無法實(shí)行。高層住宅抗震設(shè)計(jì)應(yīng)依據(jù)建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)，確定抗震設(shè)防類別，根據(jù)工程所在地，按中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖和建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，確定抗震參數(shù)并進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)。高層住宅抗風(fēng)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)荷載規(guī)范基本風(fēng)壓分布圖和地區(qū)規(guī)定確定風(fēng)荷載及抗風(fēng)設(shè)計(jì)。

在確保建筑具備安全性的前提下，才可以繼續(xù)完善建筑結(jié)構(gòu)方案，增添建筑整體的美觀程度，所以在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)期間，需要將安全作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首要工作，了解地震對建筑形成的影響，我國地域遼闊，不同省市發(fā)生地震的頻率以及震級各不相同，所以進(jìn)行抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要了解不同省市對項(xiàng)目抗震能力的要求，還應(yīng)該在掌握地基承載力的前提下，進(jìn)行房屋抗震性能試驗(yàn)，了解地震效應(yīng)與建筑重量成正比的信息后，需要盡量控制施工成本，在同等經(jīng)濟(jì)成本的前提下盡量選擇質(zhì)量優(yōu)異且重量較輕的建材，引入現(xiàn)代設(shè)計(jì)思想，加強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)整體的抗震能力，從而可以保證用戶的人身安全。

3.4 人員綜合素質(zhì)

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度高工作量大，需要掌握多方面因素，為此工作人員必須具備較強(qiáng)的專業(yè)能力，具備扎實(shí)的專業(yè)素養(yǎng)，了解建筑和機(jī)電、給排水、暖通等專業(yè)基本知識，跟隨科技發(fā)展不斷學(xué)習(xí)和提高。此外，在項(xiàng)目推進(jìn)期間，引導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員積極參與業(yè)務(wù)培訓(xùn)，提升工作人員專業(yè)協(xié)作配合能力，從而才可以更好地完成復(fù)雜的高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)任務(wù)。在專業(yè)協(xié)作方面，因高層住宅設(shè)計(jì)專業(yè)交叉內(nèi)容多而復(fù)雜，應(yīng)在工程負(fù)責(zé)人制定的設(shè)計(jì)進(jìn)度計(jì)劃和各個(gè)設(shè)計(jì)階段時(shí)間節(jié)點(diǎn)的框架下，按時(shí)保質(zhì)完成設(shè)計(jì)內(nèi)容和專業(yè)協(xié)作事項(xiàng)。

高層建筑項(xiàng)目結(jié)構(gòu)專業(yè)負(fù)責(zé)人、設(shè)計(jì)人員均需要按照管理者制定的方案，完成各自承擔(dān)的工作任務(wù)。除此之外，需要在項(xiàng)目推進(jìn)期間，積極的參與業(yè)務(wù)培訓(xùn)，了解更多關(guān)于項(xiàng)目的信息，并不斷強(qiáng)化自身技能，確保工程項(xiàng)目按照規(guī)定流程按時(shí)移交。

4 結(jié)束語

進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)期間，需要在保證結(jié)構(gòu)整體安全性，符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的前提下，采用合理的結(jié)構(gòu)型式，優(yōu)化工程造價(jià)，提升建筑適用性，同時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員還應(yīng)該在工程準(zhǔn)備階段，進(jìn)行實(shí)地勘察，了解項(xiàng)目所處環(huán)境情況，尋找更多的工程參數(shù)，提升結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)的科學(xué)性、合理性，盡量減小施工成本，保障參與工程項(xiàng)目各單位的利益。