高層民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)重要思考

趙變青

（太原市建筑設(shè)計(jì)研究院，山西太原 030002）

0 引言

在高層民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，存在眾多設(shè)計(jì)元素、影響因素和設(shè)計(jì)要點(diǎn)等待建筑高師進(jìn)行綜合考慮。一旦某個(gè)細(xì)節(jié)存在設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)膯栴}，就會(huì)給施工過程和日后使用過程帶來安全隱患。為此，當(dāng)代建筑設(shè)計(jì)師有必要結(jié)合高層民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需求特點(diǎn)，針對(duì)設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行深入透徹的研究，確保設(shè)計(jì)的規(guī)范性與高標(biāo)準(zhǔn)，為建造出優(yōu)質(zhì)工程打下堅(jiān)實(shí)可靠的基礎(chǔ)。

1 高層民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

在針對(duì)高層民用建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師不僅要關(guān)注結(jié)構(gòu)計(jì)算的準(zhǔn)確性，還要全面考驗(yàn)建筑結(jié)構(gòu)的安全可靠性、耐久性、節(jié)能環(huán)保性以及經(jīng)濟(jì)適用性等方面。必要時(shí)，可以依據(jù)當(dāng)?shù)鼐用竦纳盍?xí)慣、文化層次、生產(chǎn)要求、審美品味、消費(fèi)能力等方面同時(shí)設(shè)計(jì)出多款設(shè)計(jì)方案。之后，綜合工程技術(shù)人員、施工單位、監(jiān)理工程師等多方意見，選擇一套最具科學(xué)合理性的設(shè)計(jì)方案。這樣既可以消除設(shè)計(jì)方案本身的局限性，又可以最大限度保證其規(guī)范性與安全可靠性；另外，在設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員還要綜合考慮施工區(qū)域的地質(zhì)水文條件、施工現(xiàn)場(chǎng)地勢(shì)因素、當(dāng)?shù)貧夂驐l件、相鄰建筑物等情況，針對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)、荷載性能、外觀樣式、建筑用料、施工工藝進(jìn)行合理把控，最大限度消除各種客觀因素對(duì)施工過程、工程質(zhì)量所造成的不利影響，為后續(xù)施工及日后使用安全提供前提保障[1]。

2 概念設(shè)計(jì)

在建筑工程領(lǐng)域內(nèi)，概念設(shè)計(jì)主要包括建筑概念設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)這兩個(gè)方面，二者之間的對(duì)象與作用方面存在著些許差異。建筑概念設(shè)計(jì)可以賦予建筑物實(shí)用功能和優(yōu)美的外觀造型，并且為總建筑方案設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)性文件；而結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)則是針對(duì)某個(gè)特定的建筑空間開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具體是指處理好構(gòu)件與結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，滿足建筑結(jié)構(gòu)的功能需求、施工技術(shù)要求以及經(jīng)濟(jì)要求。同時(shí)，施工單位憑借這種最優(yōu)的結(jié)構(gòu)關(guān)系，選擇適合的建筑施工材料，結(jié)合適宜的施工技術(shù)使關(guān)鍵部位呈現(xiàn)出科學(xué)完善、經(jīng)久耐用的構(gòu)造，最終實(shí)現(xiàn)建筑概念設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的和諧統(tǒng)一[2]。

3 高層民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重用目標(biāo)

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要包括梁、板、柱、墻和基礎(chǔ)構(gòu)成等設(shè)計(jì)要素，因這這些結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成建筑整體結(jié)構(gòu)基本形體以及力學(xué)體系。所謂建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重，是指建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師利用那些成型的設(shè)計(jì)成果和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用到本工程設(shè)計(jì)任務(wù)執(zhí)行過程當(dāng)中，以此來提高設(shè)計(jì)效率。對(duì)于一個(gè)建筑工程而言，或多或少的會(huì)存在一些重復(fù)性設(shè)計(jì)的工作，例如相同格局的樓層、房間等等。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通過使用重用目標(biāo)方法，可將相同布局的樓層歸并為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層。此后，建筑設(shè)計(jì)師便可以將這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層視為一個(gè)獨(dú)立的設(shè)計(jì)單元，只需要針對(duì)這些單元開展細(xì)化設(shè)計(jì)即可。另外，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一種非常復(fù)雜的定制型工程，這就意味著在設(shè)計(jì)過程中難免存在一些變更與修改。這些環(huán)節(jié)往往會(huì)占用大量設(shè)計(jì)時(shí)間，而通過采用重用目標(biāo)方法，便可以大幅減少重復(fù)設(shè)計(jì)工作。在需要針對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改時(shí)，只需要修改一個(gè)設(shè)計(jì)單元，其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)層也會(huì)隨之一同修改，使建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率獲得大幅提升[3]。

4 關(guān)于高層民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選型的幾點(diǎn)思考

4.1 結(jié)構(gòu)選型的規(guī)范性

在針對(duì)高層建筑進(jìn)行選型時(shí)，需要從整體、和諧、實(shí)用以及經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)，開展選型設(shè)計(jì)工作。目前，房層民用建筑基礎(chǔ)選型主要包括箱型基礎(chǔ)、筏板基礎(chǔ)等，在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要事先了解本工程項(xiàng)目的建筑類型、載荷要求及地基承受范圍，并且將這些工程信息作為建筑結(jié)構(gòu)選型的重要參考依據(jù)。只有這樣，才能確保最終所形成的設(shè)計(jì)方案滿足工程建設(shè)需要和業(yè)主要求。除此之外，建筑設(shè)計(jì)師還需要充分考到建筑結(jié)構(gòu)的變形范圍。基于此范圍進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)先保證設(shè)計(jì)方案符合國家對(duì)建筑安全方面的規(guī)范要求，之后再探討如何體現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性、美觀性與實(shí)用性。樓層數(shù)及地基承載能力的設(shè)定，是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最為重要的參數(shù)之一，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師務(wù)必對(duì)其給予高度重視。避免在設(shè)計(jì)方案當(dāng)中存在重大缺陷問題，從而工程項(xiàng)目帶來無可挽回的經(jīng)濟(jì)損失。

4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，建議設(shè)計(jì)師優(yōu)先采用規(guī)則的平面布置與立面對(duì)稱結(jié)構(gòu)。之后，再從安全角度出發(fā)，針對(duì)整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行性優(yōu)化設(shè)計(jì)。之所以這樣建議，主要因?yàn)槠矫嬖O(shè)計(jì)及對(duì)稱立面結(jié)構(gòu)具有最強(qiáng)的穩(wěn)定性，可以賦予建筑結(jié)構(gòu)最強(qiáng)的抗震性能。然而，在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，很多建設(shè)單位和建筑設(shè)計(jì)師都比較追求建筑外觀的華麗與美觀。但是，這樣反而會(huì)降低民用高層建筑的安全系數(shù)。因此，在開展建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，要盡量避免出現(xiàn)大面積扭轉(zhuǎn)這一類結(jié)構(gòu)樣式，務(wù)必保證樓內(nèi)居民的安全性，建議以簡單、對(duì)稱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為主[4]。

4.3 高層民用建筑結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析

在高層民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要進(jìn)行內(nèi)力分析與計(jì)算，以此來適應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)要求。在這項(xiàng)工作中，主要包括以下關(guān)鍵點(diǎn)：首先，選擇計(jì)算軟件。目前，可供建筑設(shè)計(jì)師選擇的專業(yè)計(jì)算軟件種類比較多。但是，在使用不同的軟件進(jìn)行模型的計(jì)算時(shí)，都會(huì)得到不同的計(jì)算結(jié)果。因此，在針對(duì)工程整體結(jié)構(gòu)進(jìn)地計(jì)算，設(shè)計(jì)人員要謹(jǐn)慎選用軟件。正確的做法是根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的基本類型選擇適合的計(jì)算軟件[5]。之后，再使用其他軟件對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證與比較，還可以借助本建筑工程信息作為參考依據(jù)，判斷最終結(jié)果的精準(zhǔn)性與有效性。如果多次計(jì)算結(jié)果之間的差異過大，則必要重新計(jì)算，務(wù)必保證計(jì)算結(jié)果的有效性與可靠性，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的可操作性提供必要保障，減少施工過程中安全隱患和返工率；其次，保證建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。這一部分設(shè)計(jì)工作，始終在建筑工程領(lǐng)域內(nèi)受到高度關(guān)注。尤其國家新近出臺(tái)的建筑規(guī)范當(dāng)中，要求高層民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案必須根據(jù)大量的工程實(shí)測(cè)以及周期數(shù)據(jù)計(jì)算出自振周期以及折減系數(shù)，確保建筑物在遇到地震災(zāi)害呈現(xiàn)出較強(qiáng)的抗震性能；最后，在我國頒布的建筑新規(guī)范中，新增了振型參數(shù)這一新概念，并且針對(duì)此參數(shù)的限值做出了明確規(guī)定。因此，在今后的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算與分析工作當(dāng)中，要提高對(duì)這一全新概念的應(yīng)用效率。不僅如此，為了確保計(jì)算結(jié)果的精準(zhǔn)性，有必要針對(duì)計(jì)算結(jié)果及各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行科學(xué)化驗(yàn)證。最終針對(duì)是否需要對(duì)振型數(shù)目取值進(jìn)行調(diào)整做出精準(zhǔn)判斷與正確決策[6]。

4.4 提高建筑結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)

一直以來，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都需要優(yōu)先保證其安全性。尤其對(duì)于高層民用建筑而言，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的安全性更是重中之重。在我國目前的建筑行業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范體系當(dāng)中，與安全規(guī)范相關(guān)的條例內(nèi)容已經(jīng)越來越規(guī)范。對(duì)此，需要設(shè)計(jì)師在開展設(shè)計(jì)工作時(shí)，嚴(yán)格落實(shí)國家現(xiàn)行規(guī)范要求與法規(guī)政策，注重提升自身的安全意識(shí)與合規(guī)意識(shí)，賦予建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案較強(qiáng)的安全系數(shù)。例如結(jié)構(gòu)中的含鋼量要達(dá)到國家要求的最低標(biāo)準(zhǔn)，以此來保證建筑結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)；另外，在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)背景下，建筑結(jié)構(gòu)作為一種特殊的商品，其設(shè)計(jì)安全性已經(jīng)不僅僅隸屬于政府部門管轄，還同時(shí)關(guān)系到房屋開發(fā)商、施工單位、保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)和住宅居民等多個(gè)方面。因此，高層民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師在開展設(shè)計(jì)工作時(shí)，不僅要保證建筑物本身的安全可靠性，還要保證全體居民的使用安全和出入安全。只有這樣，才能稱得上一套成熟完善的設(shè)計(jì)方案；最后，建議建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理師采用可靠度理論開展設(shè)計(jì)工作。由于這一理論需要借助失效概率來描述建筑結(jié)構(gòu)的可靠性，需要設(shè)計(jì)人員將作用效應(yīng)與抗力相互區(qū)分開來，進(jìn)行獨(dú)立分析。在我國現(xiàn)有的建筑設(shè)計(jì)規(guī)范當(dāng)中，可靠度理論已經(jīng)擁有非常廣泛的應(yīng)用。不僅如此，這一理論在國際領(lǐng)域內(nèi)也受到高度認(rèn)可，曾經(jīng)多次在國際安全年度會(huì)議上得到業(yè)內(nèi)專業(yè)人士的大力推薦。這更進(jìn)一步說，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師要善于學(xué)習(xí)和應(yīng)用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理論與技術(shù)手段，不斷提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的規(guī)范化程度，并且充分考慮到工程設(shè)計(jì)中的各類風(fēng)險(xiǎn)因素，通過科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最大限度消除風(fēng)險(xiǎn)因素，使建筑工程具備較高的安全系數(shù)[7]。

5 結(jié)語

本文針對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的幾個(gè)重點(diǎn)問題和要點(diǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行了一次較為系統(tǒng)全面的研究。但是，相對(duì)于不斷發(fā)展變化的建筑工程需求和安全保障需求，建議廣大建筑設(shè)計(jì)從業(yè)人員，要不斷學(xué)習(xí)和領(lǐng)會(huì)新的設(shè)計(jì)理念與設(shè)計(jì)思維，掌握更加多樣化設(shè)計(jì)手法，不斷增強(qiáng)安全意識(shí)與質(zhì)量意識(shí)。時(shí)刻將國家所頒布的建筑行業(yè)規(guī)范裝在心中，落實(shí)到具體的工程設(shè)計(jì)實(shí)踐當(dāng)中，使設(shè)計(jì)方案呈現(xiàn)出較高的專業(yè)水平。