高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在問題及對策分析

鄒健

（廣東鴻宇建筑與工程設(shè)計(jì)顧問有限公司河源分公司，廣東河源 517000）

0 前言

在高層建筑中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不可或缺。設(shè)計(jì)越科學(xué)，建筑結(jié)構(gòu)越牢固，這是不爭的事實(shí)。就目前情況來說，很少能看到完整的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)存在缺陷，建筑物的安全性就會大打折扣。倘若發(fā)生事故，不僅讓經(jīng)濟(jì)蒙受損失，還會導(dǎo)致眾多家庭支離破碎。要想避免悲劇的發(fā)生，需要從源頭抓起。建筑層數(shù)越多，設(shè)計(jì)工作量越大，要想保質(zhì)保量完成任務(wù)，需要設(shè)計(jì)人員明晰設(shè)計(jì)原則及要點(diǎn)，并采取有效措施，遏制安全問題的發(fā)生。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

1.1 優(yōu)良原則

最頂級設(shè)計(jì)，一定滿足優(yōu)良原則。只是讓高層建筑結(jié)構(gòu)趨于合理，還不能算作優(yōu)良，必須要兼具經(jīng)濟(jì)性和可行性。經(jīng)濟(jì)性不難理解，不斷壓縮建筑成本，但不會影響到結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣，要到實(shí)踐中進(jìn)行檢驗(yàn)。通常情況下，多種結(jié)構(gòu)形式并存于一個(gè)設(shè)計(jì)單元中，要想獲得一個(gè)好結(jié)果難比登天。對于這一點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)知曉。除此之外，設(shè)計(jì)人員要對受力情況進(jìn)行深入研究，以便找準(zhǔn)影響因素。制定相應(yīng)措施，以便消除各種影響，最終使設(shè)計(jì)方案更加合理。

1.2 合理性原則

一提到高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，自然而然會想到計(jì)算簡圖。通過計(jì)算簡圖，可以得到計(jì)算公式，并懂得運(yùn)用哪種構(gòu)造方式。如果選錯(cuò)計(jì)算簡圖，會引發(fā)一系列問題，如計(jì)算失準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)失衡，進(jìn)而降低高層建筑的安全性。為避免設(shè)計(jì)缺陷的出現(xiàn)，需要選好計(jì)算簡圖。選擇的關(guān)鍵在于判斷誤差是否超過規(guī)定值，倘若答案是肯定的，就要重新選擇，直至找到符合要求的計(jì)算簡圖。

1.3 準(zhǔn)確性原則

計(jì)算機(jī)是一個(gè)“創(chuàng)世紀(jì)”的發(fā)明，對方方面面都產(chǎn)生了巨大影響?，F(xiàn)階段，很多設(shè)計(jì)人員已經(jīng)離不開計(jì)算機(jī)，將其視為親密戰(zhàn)友。在計(jì)算機(jī)上可以看到很多設(shè)計(jì)軟件，功能有強(qiáng)有弱。設(shè)計(jì)人員要有一雙“火眼金睛”，能夠從中選出最切合設(shè)計(jì)需要的軟件。如果沒有做好這件事，不僅會浪費(fèi)大量資源，還會消耗大量時(shí)間。能否完成這一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，關(guān)鍵要看設(shè)計(jì)人員是否了解每一個(gè)軟件的特性。根據(jù)高層建筑特點(diǎn)來確定軟件，并做好相應(yīng)準(zhǔn)備。在使用過程中，嚴(yán)格按照規(guī)范操作，確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 重視軸向變形問題

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)技術(shù)活，稍不注意就容易產(chǎn)生軸向變形問題。這不是一件小事，其影響很深很大，不僅建筑彎矩會發(fā)生變化，連續(xù)墻的穩(wěn)定性還堪憂。在開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作時(shí)，設(shè)計(jì)人員要盡可能控制軸向變形量。倘若沒有思路，可學(xué)習(xí)借鑒成功案例。需注意的是，高層建筑具有單件性特點(diǎn)，只能拿來作為參考，絕對不能生搬硬套[1]。倘若一意孤行，勢必會招致不必要的麻煩。當(dāng)然，付出的一切都是值得的，能夠使梁支座負(fù)彎矩值始終保持在合理區(qū)間。就算是數(shù)值發(fā)生變化，幅度也不會太大，完全可以接受。如此一來，正彎矩值就不會發(fā)生任何變化。數(shù)值不變的好處在于，讓構(gòu)件的剪力值和側(cè)移值保持正常?？偠灾?，設(shè)計(jì)人員應(yīng)重視軸向變形問題。不能光在嘴上說，要落在實(shí)處。通過對構(gòu)件進(jìn)行比對，獲得相關(guān)數(shù)據(jù)。依托這些數(shù)據(jù)，計(jì)算軸向變形量。倘若超過正常值太多，就需要控制構(gòu)件下料長度。

2.2 關(guān)注結(jié)構(gòu)延性問題

在高層建筑中，鋼混結(jié)構(gòu)是不可缺少的一部分。之所以做出這種選擇，原因有兩個(gè)方面：①不管是鋼筋，還是混凝土，型號種類比較多，可選擇空間大，能夠應(yīng)對各類復(fù)雜情況；②鋼筋也好，混凝土也罷，都擁有良好的耐久性與防火性。使用壽命越長，獲得的效益就越高。無須為火災(zāi)而擔(dān)心，自然不用考慮損失問題，真正實(shí)現(xiàn)了效益最大化。當(dāng)然，能否充分發(fā)揮鋼筋混凝土的優(yōu)勢，關(guān)鍵要看結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否科學(xué)?？紤]到鋼混結(jié)構(gòu)的構(gòu)件斷面大，并且自身重量不輕，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要特別關(guān)注結(jié)構(gòu)延性。設(shè)計(jì)人員要想盡一切辦法提高延性，不僅能進(jìn)一步增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震潛力，還能讓結(jié)構(gòu)擁有較強(qiáng)的抗倒塌能力。在大災(zāi)大難面前，高層建筑巋然不動，生活在其中的人們才能放心。

2.3 聚焦荷載與高度問題

古人云：“樹大招風(fēng)。”將其引申到建筑領(lǐng)域，就可以理解成建筑越高，需要的抗風(fēng)能力就要越強(qiáng)。不僅如此，同樣面對地震災(zāi)害，高層建筑承受的破壞力也高。能否抵抗天災(zāi)，取決于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理。設(shè)計(jì)人員要將目光放在載荷和高度上。通過控制高度，以達(dá)到控制水平載荷力的目的，進(jìn)而確保高層建筑具有良好的抗震性和抗風(fēng)性。面對強(qiáng)風(fēng)震擊，高層建筑始終屹立不倒。人民群眾甚是滿意，將一切功勞歸功于設(shè)計(jì)人員和施工人員。做得好，可以獲得榮耀。做得不好，就要遭人唾棄。為避免此類問題出現(xiàn)，需要設(shè)計(jì)人員不受外界影響，一心一意工作。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷

3.1 結(jié)構(gòu)體系不合理

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是高層建筑設(shè)計(jì)的重要一環(huán)，倘若體系選擇不合理，就會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)存在缺陷，進(jìn)而誘發(fā)事故[2]。要想有效規(guī)避事故，需要設(shè)計(jì)人員構(gòu)建完整的結(jié)構(gòu)體系。從目前情況來看，鮮有人能做好此事。導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員做出不合理選擇的原因有很多，如在不了解建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的前提下貿(mào)然采取行動，在尚未掌握準(zhǔn)確的抗震設(shè)防級別和風(fēng)荷載狀況時(shí)就去搭建結(jié)構(gòu)體系。高層建筑結(jié)構(gòu)一定存在缺陷，以至于可靠性大幅下降，對人類生命健康構(gòu)成威脅。

3.2 地基設(shè)計(jì)不科學(xué)

地基位于高層建筑的最下部，起到支撐的作用。倘若地基設(shè)計(jì)不科學(xué)，其作用就會大打折扣。當(dāng)?shù)鼗霈F(xiàn)不均勻沉降后，墻體受力不均勻，就會發(fā)生開裂，嚴(yán)重時(shí)會發(fā)生傾倒。倘若沒有及時(shí)加固地基，建筑物倒塌只是早晚的事。像墻體開裂和傾斜情況，很少會有報(bào)道，但是建筑物倒塌事件時(shí)有發(fā)生，說明很多高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都存在缺陷。問題產(chǎn)生的原因有很多，如在設(shè)計(jì)地基斜面時(shí)，沒有把控好坡度，從而對混凝土施工造成了干擾，無法打造牢固的地基結(jié)構(gòu)。地下室起到支撐作用，要先讓其擁有足夠的支撐力，需要科學(xué)設(shè)計(jì)配筋。然而事與愿違，很多設(shè)計(jì)人員無法給出科學(xué)的方案，導(dǎo)致地下室的受力不均，進(jìn)而造成建筑物失穩(wěn)。在遇到特殊地質(zhì)時(shí)，沒有采取加固措施。即便是按照要求施工，依然無法確保地基質(zhì)量。

3.3 上部結(jié)構(gòu)缺陷較多

站的樓層越高，感覺風(fēng)速越大。當(dāng)?shù)卣馂?zāi)害來襲后，身處高層的人們，明顯感覺震感特別強(qiáng)烈。不管是遇到哪種極端天氣，高層建筑的上部結(jié)構(gòu)都是重點(diǎn)被照顧對象。能否挺過去，關(guān)鍵要看結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否科學(xué)。這個(gè)道理，很多設(shè)計(jì)人員都知道。但礙于種種原因，依然無法設(shè)計(jì)出完美的結(jié)構(gòu)。具體來說，在設(shè)計(jì)框剪式結(jié)構(gòu)時(shí)，往往無法合理布置剪力墻，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較差。受到外力干擾后，就容易出現(xiàn)裂縫。解決問題的方法有很多，設(shè)計(jì)人員鐘愛裂痕修復(fù)。這種方法只能治標(biāo)，不能治本，同樣的問題還會出現(xiàn)，從而引發(fā)更嚴(yán)重的后果。

4 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略

4.1 嚴(yán)格審核平面布置圖

在設(shè)計(jì)方案中，時(shí)不常就能看到結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)問題。之所以屢禁不止，根本原因在于結(jié)構(gòu)體系不合理，進(jìn)而導(dǎo)致平面布局不科學(xué)。常言道：“頭疼醫(yī)頭，腳疼醫(yī)腳?！痹O(shè)計(jì)人員要擁有一顆不斷進(jìn)步的心，通過不斷學(xué)習(xí)提高平面布局的合理性。在設(shè)計(jì)時(shí)，多使用相對規(guī)則的圖形，讓結(jié)構(gòu)更加均勻。即便這樣做了，也沒有十足的把握，還需要設(shè)計(jì)人員搭建模型，檢驗(yàn)可行性。待獲得科學(xué)的工程圖紙后，要在規(guī)定時(shí)間內(nèi)提交給施工方及監(jiān)理方。施工方會拿著圖紙來到現(xiàn)場進(jìn)行比對，有無問題一目了然。只要有人反饋，設(shè)計(jì)人員就要高度重視。倘若反饋有效，就要立刻改正。監(jiān)理人員大多專業(yè)出身，能夠發(fā)現(xiàn)隱藏在深處的問題。設(shè)計(jì)人員要虛心求教，進(jìn)一步完善平面布置圖。

4.2 合理計(jì)算與應(yīng)用簡圖

計(jì)算簡圖是高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算的重要參考，設(shè)計(jì)人員一定要精心挑選，妥善應(yīng)用。在選圖前設(shè)計(jì)人員一定要親臨現(xiàn)場，全面搜集資料。仔細(xì)分析資料后，便可清楚應(yīng)當(dāng)選擇哪種計(jì)算簡圖。在控制建筑結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，一定要用好計(jì)算簡圖。除此之外，還要充分結(jié)合抗震等級規(guī)范表、抗風(fēng)等級計(jì)算結(jié)果?？紤]的因素越多，獲得參數(shù)準(zhǔn)確。根據(jù)這些參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，才能確保高層建筑的精準(zhǔn)度。

4.3 科學(xué)設(shè)計(jì)上部結(jié)構(gòu)

目前，設(shè)計(jì)人員過于依賴計(jì)算機(jī)技術(shù)。思想一旦松懈，工作質(zhì)量很難有保證。例如，所掌握的數(shù)據(jù)不完整，并且沒有及時(shí)錄入系統(tǒng)。這些問題的存在，導(dǎo)致建筑上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不準(zhǔn)確。設(shè)計(jì)人員要糾正錯(cuò)誤看法，認(rèn)識到高層建筑上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)動態(tài)過程[3]。在設(shè)計(jì)前，設(shè)計(jì)人員要化身情報(bào)收集分析員，確保對建筑性能有一個(gè)系統(tǒng)了解。在設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)收集工作不能停，錄入系統(tǒng)要及時(shí)。系統(tǒng)會給出各項(xiàng)分析數(shù)據(jù)，經(jīng)過橫向和縱向?qū)Ρ?，判斷是否需要調(diào)整設(shè)計(jì)方案。在設(shè)計(jì)完成后，設(shè)計(jì)人員要做好總結(jié)。將遇到的問題一一羅列出來，注明成因，解決方法。通過對比其他案例，發(fā)現(xiàn)其中不足，并對解決方法進(jìn)行進(jìn)一步完善。當(dāng)遇到同樣問題后，便可快速解決掉。在整個(gè)過程中，設(shè)計(jì)人員和施工人員都要保持緊密聯(lián)系，一方面方便獲取數(shù)據(jù)，另一方面能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。在雙方共同努力下，使高層建筑上部結(jié)構(gòu)更加牢固。

5 結(jié)語

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)技術(shù)活，對設(shè)計(jì)人員提出很高要求。從結(jié)果上來看，很多人做事欠考慮，以至于安全問題層出不窮。如果設(shè)計(jì)人員堅(jiān)持我行我素，發(fā)生安全事故只是早晚的事。所以，設(shè)計(jì)人員要牢記使命，認(rèn)真開展工作。需注意的是，切記不可盲目行動，而應(yīng)開展深入研究。只有這樣，才能對設(shè)計(jì)原則及要點(diǎn)了然于胸，并能針對問題采取措施。