淺談高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)及要點(diǎn)

王利民

（太原王孝雄建筑設(shè)計(jì)院（有限公司），山西 太原030024）

通過(guò)應(yīng)用結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)可以迅速且科學(xué)地確定建筑設(shè)計(jì)體系，所得到的設(shè)計(jì)方案是通過(guò)一系列的原理而確定，后續(xù)不需要再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算，有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的整體把控。隨著近年來(lái)高層建筑的快速發(fā)展，其結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)也變得更加重要，成為建筑設(shè)計(jì)人員提高設(shè)計(jì)質(zhì)量的首選方式。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的重要性

在開(kāi)展高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)已經(jīng)獲得的數(shù)據(jù)計(jì)算設(shè)計(jì)方案所需要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以此完成工程相關(guān)系數(shù)的計(jì)算工作。比如通過(guò)計(jì)算建筑物的抗震抗風(fēng)性能可以在適當(dāng)?shù)奈恢梅胖萌嵝苑勒鹧b置，以此提高建筑物整體的防震性能。高層建筑所開(kāi)展的結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)工作注重設(shè)計(jì)的協(xié)同性，要求每一個(gè)構(gòu)件均可以與其他配件產(chǎn)生良好的協(xié)同作用，避免出現(xiàn)受力不均的情況，同時(shí)可以BIM技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)方案加以驗(yàn)證，最大限度確保結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的合理性和安全性?？偟膩?lái)說(shuō)，高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的重要性集中體現(xiàn)在兩方面，一方面，高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)是將專業(yè)知識(shí)和實(shí)踐相結(jié)合而成的設(shè)計(jì)理念，并據(jù)此對(duì)建筑形式形成一個(gè)系統(tǒng)且完整的布局，通過(guò)開(kāi)展建筑軸向變形設(shè)計(jì)、樓體結(jié)構(gòu)延展性設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)工作，可以有效增強(qiáng)建筑物的整體抗震能力、抗風(fēng)力擾動(dòng)能力及塑性形變能力，設(shè)計(jì)方案更加的合理和富有可行性[1]。另一方面，采用結(jié)構(gòu)概念的設(shè)計(jì)理念對(duì)于建筑物基礎(chǔ)選取和設(shè)計(jì)十分有利，目前建筑行業(yè)最常用的建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)包括樁基礎(chǔ)、箱型基礎(chǔ)和筏形基礎(chǔ)。針對(duì)不同的建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)具有相對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)思路和問(wèn)題應(yīng)對(duì)策略，大大增強(qiáng)高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的合理性和專業(yè)性。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)內(nèi)容

高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)中含有較多的專業(yè)知識(shí)，整個(gè)設(shè)計(jì)工作具有復(fù)雜性的特點(diǎn)?？偟膩?lái)說(shuō)，高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括以下幾點(diǎn)：

（1）豎向設(shè)計(jì)：豎向設(shè)計(jì)可以直接影響或決定高層建筑的整體格局，一定程度上會(huì)影響建筑整體結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性。在開(kāi)展豎向設(shè)計(jì)時(shí)要做好兩方面的工作，通過(guò)控制建筑物的高度和寬度之比確保建筑物的抗震、抗風(fēng)性能；避免豎向突變應(yīng)該對(duì)于可能出現(xiàn)荷載突變的部位設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，以此確保整個(gè)建筑物的穩(wěn)定性。此階段設(shè)計(jì)工作需要尤為注意一點(diǎn)，為保證基礎(chǔ)的穩(wěn)定性需要設(shè)置嵌固深度降低建筑物的重心，提高地下室的抗側(cè)限能力，從而提高建筑物的整體安全及穩(wěn)定性能。

（2）平面設(shè)計(jì)：平面設(shè)計(jì)是指對(duì)建筑物平面結(jié)構(gòu)和布局進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，來(lái)滿足建筑物平面穩(wěn)定性需求。往往因?yàn)楦邔咏ㄖ锸艿降钠矫婧奢d力較大，因?yàn)楹侠磉x擇建筑平面形狀尤為重要，應(yīng)該盡量選取風(fēng)壓較小的形狀，且高層建筑的寬度和，長(zhǎng)寬比不宜過(guò)大[2]。除此之外，高層建筑物結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量對(duì)稱，結(jié)構(gòu)的剛心和質(zhì)心應(yīng)盡量重合，原因在于如果建筑物的平面和立面分布不均勻，則地震時(shí)極易出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)破壞，對(duì)建筑物的穩(wěn)定性與安全性會(huì)產(chǎn)生較大的影響，因而需要給予平面設(shè)計(jì)充分的重視。

（3）抗震抗風(fēng)設(shè)計(jì)：高層建筑物不僅需要承受垂直荷載，同時(shí)要考慮承載側(cè)向的風(fēng)荷載和地震的破壞性影響。在不影響建筑物整體功能的前提下，可以對(duì)每一層進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以此確保結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度在各個(gè)相鄰層之間不會(huì)出現(xiàn)突變現(xiàn)象。除此之外，要牢牢把控好建筑設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩方面的工作。高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的總體控制參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的總體控制參數(shù)

3 高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的科學(xué)應(yīng)用

高層建筑在開(kāi)展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要始終以建造要求為基本的依據(jù)，重視設(shè)計(jì)方法，以此確保建筑質(zhì)量。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要遵循以下要點(diǎn)：

①高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減輕自重，實(shí)現(xiàn)最佳的防震強(qiáng)度，同時(shí)加強(qiáng)防震建設(shè)。比如通過(guò)采用規(guī)格結(jié)構(gòu)可以最大化實(shí)現(xiàn)抗震強(qiáng)度的計(jì)算性；②為有效避免地震的隨機(jī)性對(duì)建筑物產(chǎn)生破壞，高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)盡量讓平面形狀更加具有對(duì)稱性，且豎向結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量連續(xù)，以此降低地震對(duì)薄弱部位的破壞力；③高層建筑因?yàn)楦叨容^高極易受到水平風(fēng)力的影響，因而實(shí)際開(kāi)展建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該將抗風(fēng)性能作為設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一，采取多種措施降低風(fēng)力作用。目前常用的降低風(fēng)力作用方法主要有三種：a.減少迎風(fēng)面積；b.建筑平面體型系數(shù)??；c.降低風(fēng)力影響。這三種方法均可以起到良好的抗風(fēng)力效果[3]。除此之外，可以借助一些先進(jìn)的分析測(cè)量手段開(kāi)展風(fēng)力評(píng)估，比如通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)的方式獲取風(fēng)載作用參數(shù)，或者通過(guò)振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)獲取地震臺(tái)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，通過(guò)利用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)可以獲取到精準(zhǔn)的測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果，有助于提高高層建筑的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

3.2 高層建筑物抵抗變形能力的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

一般高層建筑物的結(jié)構(gòu)成分以混凝土和鋼材構(gòu)成，為有效增強(qiáng)高層建筑結(jié)構(gòu)布置的合理性，提高高層建筑抵抗變形的能力，需要重點(diǎn)把控好以下要點(diǎn)：

①增大抗彎結(jié)構(gòu)體系寬度，縮小水平傾覆力矩。實(shí)踐應(yīng)用發(fā)現(xiàn)通過(guò)這種方式可有效增強(qiáng)高層建筑抵抗變形的能力；②適當(dāng)增大承受主要荷載構(gòu)件的有效截面積；③由一些主要的抗彎構(gòu)件來(lái)承受大部分的垂直負(fù)荷，主要的抗傾覆構(gòu)件可以承受預(yù)壓，確保高層建筑物可以在傾覆拉力的影響下保持穩(wěn)定性；④可以將實(shí)心墻或者斜撐構(gòu)件布置在建筑物的豎向結(jié)構(gòu)體系中，以此抵抗樓層的所產(chǎn)生的部分剪切力；⑤合理利用建筑的避難層，設(shè)置結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層，通過(guò)設(shè)置桁架提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力性能，協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)外框和內(nèi)核心筒沿豎向分布的變形不均勻，大幅提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)限能力。

3.3 樓層平面剛度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如果將高層建筑的大部分樓層假設(shè)成剛性樓面，則當(dāng)樓板自身的平面內(nèi)剛度無(wú)限擴(kuò)大時(shí)，樓面不會(huì)出現(xiàn)彎曲和剪切變形的情況。基于這一種假設(shè)，對(duì)高層建筑的整體性能指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算十分必要，比如需要對(duì)高層建筑的剛度比、位移角和位移比進(jìn)行詳細(xì)準(zhǔn)確的計(jì)算，如果要考慮樓板的平面內(nèi)變形，則可以將樓板設(shè)為彈性板。

3.4 合理確定高層建筑物的基礎(chǔ)形式

（1）樁基基礎(chǔ)。將荷載傳至地下較深處承載性能好的土層，以滿足承載力和沉降的要求。承載能力高，能承受豎直荷載，也能承受水平荷載，能抵抗上拔荷載也能承受振動(dòng)荷載[5]。

（2）筏形基礎(chǔ)。底面積大，可減小基底壓強(qiáng)，提高地基土的承載力，增強(qiáng)基礎(chǔ)的整體性，調(diào)整不均勻沉降。

（3）箱型基礎(chǔ)?；A(chǔ)底面大、埋深大，且具有中空結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)的部分荷載可用開(kāi)挖卸去的土的重量得以補(bǔ)償[6]。

三種基礎(chǔ)均有各自的優(yōu)勢(shì)，并且可以根據(jù)不同建筑物發(fā)揮本身的作用；根據(jù)不同的地質(zhì)情況、基礎(chǔ)埋深、基礎(chǔ)持力層土層情況、上部結(jié)構(gòu)的剛度和結(jié)構(gòu)布置等情況，從合理性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等多方面綜合選擇最適合的基礎(chǔ)形式。

4 結(jié)語(yǔ)

高層建筑已經(jīng)成為現(xiàn)代建筑的代表性之一，逐漸成為建筑行業(yè)的首選建筑形式，但鑒于高層建筑穩(wěn)定性和安全性極易受到多方面因素的影響，實(shí)際開(kāi)展結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)的平面布置，豎向布置、抗水平側(cè)力性能、整體承載力性能、基礎(chǔ)安全與穩(wěn)定性等多方面重點(diǎn)把控，從而設(shè)計(jì)出更加合理有效的結(jié)構(gòu)形式。