高層建筑結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)及建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

卞河拔

摘要：高層建筑基礎(chǔ)承擔(dān)著將高層建筑上部結(jié)構(gòu)的荷載傳遞給地基的重要作用，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將高層建筑上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)與地基協(xié)同考慮。在地震區(qū)，凡是地基基礎(chǔ)好的，建筑結(jié)構(gòu)所受到的破壞就輕，危害就小。在工程質(zhì)量事故中，如果基礎(chǔ)工程出現(xiàn)質(zhì)量問題，補(bǔ)救起來相當(dāng)困難，還會(huì)給工程造價(jià)和工期帶來較大的影響。所以，在進(jìn)行地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，除了保證基礎(chǔ)本身應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度外，還應(yīng)考慮地基的強(qiáng)度、穩(wěn)定性及變形的要求，為使基礎(chǔ)設(shè)計(jì)更合理，應(yīng)綜合考慮上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和地基的共同作用。

關(guān)鍵詞：高層住宅;建筑結(jié)構(gòu);選型;設(shè)計(jì)管理

引言

隨著城市化建設(shè)進(jìn)程的不斷加快，近年來，建筑的設(shè)計(jì)開始逐漸趨于功能多元化發(fā)展。同時(shí)，基于我國基本國情，高層建筑的建設(shè)力度大幅度增加，促使我國各城市中的可規(guī)劃空間越來越多，有效推進(jìn)了我國的城市規(guī)劃進(jìn)程。高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量，可對其整體安全性以及功能起到?jīng)Q定性影響，確保相關(guān)各環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)的質(zhì)量有助于促進(jìn)高層建筑更好的發(fā)展。

1高層住宅建筑結(jié)構(gòu)的選型

高層住宅建筑的結(jié)構(gòu)體系和選型方式直接決定了建筑結(jié)構(gòu)在建設(shè)過程中和建成使用后的經(jīng)濟(jì)效益和施工的難度。一般來說，傳統(tǒng)的高層住宅建筑結(jié)構(gòu)體系是指建筑物的物理結(jié)構(gòu)能抵抗縱向和水平方向荷載和各種力的作用而保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。對于建筑物中各種受力部件之間的相互作用關(guān)系和組成結(jié)構(gòu)的方式，都涵蓋在結(jié)構(gòu)體系當(dāng)中。住宅建筑由于其用途具有特殊性，建筑的結(jié)構(gòu)需要以穩(wěn)定性為重點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和建造。各種力的傳播和豎向以及水平方向的荷載都能通過水平構(gòu)件和豎向構(gòu)件實(shí)時(shí)的傳遞到地基上，從而不會(huì)對建筑物造成直接的外力作用，以此實(shí)現(xiàn)建筑物的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。但隨著當(dāng)前建筑物高度的不斷增加，由于自然環(huán)境的風(fēng)力和水平地震力的外力作用而產(chǎn)生的橫向荷載會(huì)顯著大于其縱向的增長速率。為此，就需要有針對性的對建筑結(jié)構(gòu)中抗側(cè)力體系進(jìn)行加強(qiáng)。使外力能夠沿著垂直向下的方向傳到基礎(chǔ)層，避免側(cè)向外力對建筑造成的影響。

一般來說，高層住宅結(jié)構(gòu)體系根據(jù)抗側(cè)力體系進(jìn)行分類，主要包括框架、剪力墻、筒體式、筒中筒和脊骨式等多種形式。也有一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式由以上基本形式組合演變而來的連體、懸挑、帶加強(qiáng)層的復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式也在近年的高層住宅建筑當(dāng)中頻繁出現(xiàn)。目前城市高層住宅建筑中最常見的結(jié)構(gòu)是鋼筋混凝土、鋼和二者的混合結(jié)構(gòu)這三種形式。在高層建筑住宅的選型階段，應(yīng)根據(jù)高層建筑安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行所需要的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和造價(jià)預(yù)算，以及工程施工的工期長短來選擇最適宜的結(jié)構(gòu)體系類型。還需要注意結(jié)構(gòu)體系的選擇，以適應(yīng)建筑理念的可持續(xù)發(fā)展，并達(dá)到國家消防建筑體系的標(biāo)準(zhǔn)，消防安全是設(shè)計(jì)和選擇的指導(dǎo)因素。

2優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則

2.1安全性

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅可以降低工程投入，節(jié)約建設(shè)成本，更重要的是可以保證結(jié)構(gòu)的安全性能。如果僅以節(jié)約資金投入作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化的判別依據(jù)，而不考慮結(jié)構(gòu)的安全性，那么結(jié)構(gòu)的優(yōu)化將無任何價(jià)值和作用，并且不能保證結(jié)構(gòu)安全的優(yōu)化設(shè)計(jì)也是行不通的，因此，安全性是設(shè)計(jì)人員結(jié)構(gòu)優(yōu)化的根本原則和基礎(chǔ)條件。

2.2功能性

房屋建筑的功能性可通過優(yōu)化設(shè)計(jì)體現(xiàn)，在優(yōu)化過程中，不能以除去建筑物內(nèi)部承壓梁的形式提升空間范圍，房屋建筑的功能和居住環(huán)境的舒適度是優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要原則，尤其是在目前的經(jīng)濟(jì)條件下，對房屋設(shè)計(jì)進(jìn)行選擇時(shí)，消費(fèi)者有更加具體的功能性要求，只有在滿足房屋功能性要求的條件下，建筑結(jié)構(gòu)才能發(fā)揮它的實(shí)際價(jià)值和作用。

2.3經(jīng)濟(jì)性

對建筑材料的優(yōu)化使用是房屋設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性原則的主要方法，建筑施工是一個(gè)涉及多個(gè)領(lǐng)域的綜合性大型工程，并且隨著經(jīng)濟(jì)水平的快速發(fā)展，各個(gè)方面，如鋼筋、混凝土、水泥、砌體等都需要投入大量的資金，進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，各個(gè)分支的資金使用十分有限，這就要求在保證安全性的條件下，遵循經(jīng)濟(jì)性原則，通過節(jié)能材料的合理選擇嚴(yán)格控制建筑成本，合理安排施工流程，減少不必要的成本投入。

3高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)策略

3.1高層建筑結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化選擇

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前，首先應(yīng)做好結(jié)構(gòu)方案的選擇和選型工作。設(shè)計(jì)行業(yè)有“方案成功是設(shè)計(jì)成功的一半”的思想和共識(shí)。進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，必須將結(jié)構(gòu)方案的選擇與定型工作列為重要的前提和基礎(chǔ)，為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的其他工作提供必要的計(jì)算、技術(shù)前提和條件。結(jié)構(gòu)方案選擇中，要確立標(biāo)準(zhǔn)和價(jià)值目標(biāo)，以此來適應(yīng)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的要求和目標(biāo)，綜合與權(quán)衡各類要素和各方面的因素，提升優(yōu)化高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性。一個(gè)優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)方案和設(shè)計(jì)產(chǎn)品，首先要符合建筑技術(shù)和設(shè)計(jì)行業(yè)的基本要求和標(biāo)準(zhǔn)，這是選擇結(jié)構(gòu)方案的必要前提。在優(yōu)化高層建筑結(jié)構(gòu)方案過程中，既要與施工要求一致，也要與外部條件吻合。在優(yōu)化和選擇高層建筑結(jié)構(gòu)方案的細(xì)節(jié)中，要綜合考慮社會(huì)、地質(zhì)、文化等因素，預(yù)防地下水位過高、土質(zhì)情況不良、社會(huì)文化制約等因素所產(chǎn)生的對高層建筑結(jié)構(gòu)建設(shè)工作的影響，以此提升高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性及合理性。

3.2重視高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖的數(shù)字化運(yùn)用

隨著數(shù)字技術(shù)尤其是計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的計(jì)算分析和圖紙逐漸被數(shù)字化技術(shù)取代，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)影響分析和快速設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案時(shí)，數(shù)字化技術(shù)表現(xiàn)出了良好的適用性與可靠性。例如，可利用GAMES軟件構(gòu)建模型，該軟件具有操作簡單、處理快捷等優(yōu)點(diǎn)，并在混合整數(shù)、線性及非線性優(yōu)化方面有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。另外，可利用TBCAD等軟件進(jìn)行科學(xué)、有效的建模分析和方案的優(yōu)化，從而更加直觀、準(zhǔn)確地展現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)形式。數(shù)字化計(jì)算機(jī)軟件為處理結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的必備工具，在處理解決各種復(fù)雜情況時(shí)表現(xiàn)出了較強(qiáng)的使用功能。

3.3優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的功能性

在高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作中，要有多維度的視角和多層次的認(rèn)知，這樣，才能確保建筑結(jié)構(gòu)滿足施工建設(shè)及日后使用的要求和需要。在高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員要明確優(yōu)化的基本目標(biāo)———讓高層建筑取得施工和使用、應(yīng)用和安全、功能和保障上的最佳狀態(tài)。從高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作開始，必須強(qiáng)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的多功能性。要根據(jù)高層建筑的立項(xiàng)意圖和建設(shè)方意見進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。但是，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，必須強(qiáng)調(diào)工作的科學(xué)性和設(shè)計(jì)的規(guī)范性，所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和功能才能在施工中得到順利體現(xiàn)，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化才能有安全、標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)施上實(shí)現(xiàn)的可能，才能提升整個(gè)高層建筑結(jié)構(gòu)的功能性和適應(yīng)性。在優(yōu)化高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，必須重視延性設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，進(jìn)而體現(xiàn)高層建筑結(jié)構(gòu)的延性參數(shù)和指標(biāo)，使高層建筑結(jié)構(gòu)在優(yōu)化的前提下更好地適應(yīng)施工中沖擊、使用中撞擊、結(jié)構(gòu)坍塌、框架形變等問題，以良好的延性冗余提升高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和功能性。在高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，要提升整體的水平力，這是優(yōu)化工作的關(guān)鍵要素和重要參數(shù)。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提升高層建筑結(jié)構(gòu)水平力的穩(wěn)定性，將單一方向的荷載分解為高層建筑結(jié)構(gòu)整體的受力，確保高層建筑結(jié)構(gòu)水平方向的連續(xù)性和安全性。要在優(yōu)化設(shè)計(jì)工作中，始終強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性。要通過結(jié)構(gòu)強(qiáng)化、系統(tǒng)優(yōu)化、功能分化等措施，提升結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，進(jìn)而適應(yīng)建筑物在施工和使用中對各方面的影響，以此提高整體穩(wěn)定性和連續(xù)性。

結(jié)束語：

總而言之，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員要立足于加快城市建設(shè)進(jìn)程和社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速增長的大局，要看到高層建筑物在結(jié)構(gòu)、功能和資源上的優(yōu)勢，有針對性地采取優(yōu)化設(shè)計(jì)策略，以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)木?、科學(xué)的手段、系統(tǒng)的措施進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，從初始階段就奠定好精品高層建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，對高層建筑結(jié)構(gòu)施工建設(shè)產(chǎn)生更加直接、更加規(guī)范的引導(dǎo)和影響，系統(tǒng)強(qiáng)化，全面保障高層建筑結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量和建設(shè)成果。

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